全自動鍵合機送線裝置研究

常 亮，孫 彬，徐品烈，種寶春

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京100176)

全自動引線鍵合機是半導體鍵合生產工藝的關鍵設備，其送線裝置主要采用自動模式將金絲從線軸中拉出，并將其穩定送達鍵合劈刀尖端。為了使鍵合機能夠穩定焊線，每次送入的金線長度要求相同，并且在送線過程中要求傳輸流暢，不能發生金線纏繞及損傷。因此，送線裝置對金線傳輸路徑、傳輸阻力和張緊力等都提出了很高的要求。

1 自動引線鍵合工藝流程及送線要求

引線鍵合的目的是將金屬引線的兩端分別與芯片和管腳焊接從而形成電氣連接。在鍵合過程中，引線在超聲能量、壓力或熱量的共同作用下，與焊盤金屬接觸并發生原子間擴散而達到鍵合的目的。

自動引線鍵合工藝過程主要由圖像識別（自動搜索）、第一點焊接、自動拉弧（弧線算法程控）、第二點焊接、線尾預留（程控自動送線）和自動打火（僅球焊具備）等組成，鍵合過程如圖1所示。

圖1 自動引線鍵合工藝（球焊工藝）

自動鍵合機的送線和焊接工藝緊密相連，其關鍵工藝點在于：（1）在一焊點完成超聲波焊接并拉弧度過程中，為使弧度按照程控軌跡形成彎曲，劈刀內部的金線需要處于張緊狀態；（2）在整個焊接過程中，送線裝置需要保持金線的移動順暢，同時，需保證金線進給的啟停可控；（3）需要實時對金線進行監測，避免因金線斷裂造成的鍵合損失；（4）送線及尾絲的長短一致性要求高，這就要求送線全程處于輕摩擦或無阻力狀態，同時，自動檢測功能要求準確可靠。送線裝置在鍵合工藝中的應用如下圖2所示。

圖2 送線裝置在鍵合工藝中的應用

2 送線裝置的結構組成

送線裝置主要為了實現金線的低阻力傳輸和恒定張緊力傳輸，根據全自動鍵合的工藝要求，送線裝置主要由線軸、換向軸、空氣導向器、張緊裝置等組成，如圖3所示。其中，標準線軸的直徑為48 mm，由步進電機驅動，主要作用是旋轉送線，為滿足引線鍵合高速、頻繁啟停的要求，步進電機需要具有較好的速度響應能力[1]。線軸送線后，金線通過換向軸換向，同時產生一定的張緊力，換向軸的主要作用是控制金線的路徑，消除線軸纏繞后產生的曲向力。經過換向軸后，金線進入空氣導向器，由空氣導向器吹氣將金線浮起，并利用形成的氣旋將金線吹高，形成輔助線弧，預存儲一定量的金線，同時，由于金線處于空氣氣旋內，與前端路徑產生的摩擦力得到消除。由于送線空間較為狹小，一般在空氣導向器中安裝檢測傳感器，用于檢測金線的進給情況。張緊裝置的作用則是利用真空將金線拉緊，保證金線在劈刀內的垂直。在焊線過程中，拉緊的金線通過氣流控制配合鍵合頭運動形成焊接弧線。

圖3 送線裝置的結構組成

3 送線裝置的功能及實現

全自動鍵合機送線裝置的主要功能是穩定的將金線從線軸經過多種機構配合送到鍵合劈刀的末端，另外，由于全自動鍵合機鍵合速度極快，需要送線裝置在極短的時間內響應并能夠高精度的進行金線傳輸。送線的關鍵是實現金線高速度低阻傳輸和恒定張緊力控制，由此要求送線加速度≥1 g（g為重力加速度）；金線傳輸的最大阻力≤8.0×10-4N[2]。因此，對整個送線系統的傳輸路徑、送線阻力、張緊力及送線精度都提出了很高的要求。

由于步進電機只有周期性誤差而無累計誤差，其在速度和位置控制等方面的性能優異；同時，送線系統電機要求頻繁啟停，對電機響應速度的要求較高。為實現上述功能，設計上采用高速度響應的步進電機驅動線軸。

為了適應高速全自動鍵合需求，空氣導向器采用氣體導軌和非接觸光纖探測器進行導向和測量，其中，光纖探測器選用高反應速度、反射型光纖；設計空氣導向器時主要采用氣浮原理（如圖4所示），金線傳輸時經過上板和下板之間的間隙，在金線傳輸的同時高壓氣體經過吹氣孔進入間隙把金線浮起，減少金線和上下板的接觸，光纖1和2檢測金線的位置并判斷是否送線。上板和下板加工時采用精密磨削和拋光技術，使表面光潔度達到0.2μm以下，以保證送線通暢。

圖4 空氣導向器

張緊裝置為適應高速全自動送絲系統，設計為真空張緊裝置。它位于線夾的上方，通過真空氣路形成腔體負壓，把腔體內通過的金線拉直，從而確保金線從線夾到劈刀均處于張緊狀態。設計張緊裝置時主要采用陶瓷精密鑄造技術和空氣動力學原理，金線經過張線器的幾個腔體傳輸到劈刀，由于腔體直徑只有幾十微米，且要求腔體表面光潔度達到0.2μm以下，所以一般的小孔加工技術不能滿足要求，如鉆削表面比較粗糙，電火花加工存在邊界不規則問題，激光打孔則存在小孔邊緣燒灼問題，采用陶瓷鑄造技術，可以滿足要求[3]。張緊裝置的張線原理（如圖5所示）：氣管1吹氣，氣管2關閉，高壓氣體經腔體2經楔形口進入腔體3，經腔體5排出，這時在腔體1形成壓降，金線被從上向下抽進張線器，然后關閉氣管1，打開氣管2，高壓氣體經腔體4進入腔體3，最后經腔體1排出，在這過程中形成從下向上張緊金線的力。

4 送線張緊力對鍵合質量的影響

在引線鍵合機的送線系統中，空氣導向器和張緊裝置都是利用氣體使金線張緊，但由于金線較細，氣流引導致使傳輸路徑復雜多變，金線在到達劈刀時會產生擺動，從而對鍵合質量造成影響。為消除這種影響，需要對金線在鍵合循環過程中的狀態進行分析，從而找出送線裝置送線過程中的影響[4]。

首先，金線從驅動線軸中被送出，通過換向軸、空氣導向器、真空張緊裝置、線夾，最后通過劈刀并預留固定的線尾長度進行高壓打火成球。此時，線夾打開，金球在真空張緊裝置的作用下向上運動，由于金球直徑大于劈刀口孔徑，金球被卡在劈刀尖并通過劈刀口圓錐孔定位。此過程中，如果金線不發生由氣流產生的擺動，則金球可以良好的定位在劈刀口內孔中心，焊接時即可保證鍵合第一點的球形狀規則、鍵合力穩固。可是當空氣導向器、真空張緊裝置內通過的氣流對金線產生影響，金線的張緊力不足時，會造成金線空間位置不穩定，金球在劈刀口位置擺動，鍵合時的球焊點就會偏移，同時，鍵合力的穩定性也較差，從而嚴重影響鍵合質量。而金線張緊力過大，則會導致金球嵌入劈刀內部，造成金線斷裂以及劈刀堵塞的問題，如圖6所示。

圖6 金線張緊力因素影響

其次，當第一點鍵合完成后，劈刀帶動金線向上運動，按拉弧程序設定的軌跡上升到最高位置，同時線夾關閉，按照送線裝置預送的金線長度進行弧線運動，劈刀按照相應軌跡下降到第二焊點處，在兩焊點間形成線弧（見圖7）。在此過程中如果金線張緊力不足則會造成送絲過多，在拉弧過程中無法形成穩定精確的弧線形狀，從而導致拉弧失敗或弧度偏移，從而造成多根金線短接，造成產品失效。如果張緊力過大，則會在劈刀上升過程中產生“縮線”現象，同樣由于無法精確定位金線拉弧長度從而導致拉不起弧，進而鍵合失敗。

圖7 全自動鍵合機拉弧過程

最后，第二焊點焊接完成后，線夾打開，劈刀會帶動金線向上移動到預設高度，此時，線夾閉合，劈刀則繼續上升，將金線從第二鍵合點根部拉斷，預留一段線尾，為下一循環高壓打火做準備（見圖8）。在形成線尾時，金線張緊力不足則會造成預留線尾過長，造成打火短路或第二循環高壓打火成球過大，進而形成惡性循環，導致鍵合失效。如果金線張緊力過大則預留線尾過短，這會造成金線燒球過小或因打火距離過大導致打火失敗。更嚴重者是當金球過小時第二循環第一點鍵合后金球縮入劈刀孔內，從而堵塞劈刀，造成鍵合機停工，嚴重影響鍵合效率。

圖8 第二焊點斷線

5 送線裝置的結構優化

5.1 空氣導向器的優化

流體從孔口、管嘴或縫隙中連續射出一股具有一定尺寸的流束，射到足夠大的空間去繼續擴散的流動，稱為射流。射流具有以下特點：（1）無論哪種射流，提高射流初速度和增大出口尺寸，都會增加射流的射出能力；（2）在射流初速度和出口尺寸相同的條件下，扁長方形截面的射流要比圓截面的射流具有較大的射出能力[5]；由于在引線鍵合機的送線系統中，金線進入空氣導向器，由空氣導向器吹氣將金線浮起由于金線處于空氣氣旋內，可以消除前端路徑產生的摩擦力。

因此，根據氣體射流的特點，合理設計氣體噴口的截面形狀，保證金線在傳輸過程中不發生劇烈振動，受力盡量平穩，可以提高金線在送線系統中的穩定性[6]。

5.2 真空張緊裝置的優化

金線從氣體導軌傳送到線夾時由于距離較長且金線高頻振動而發生擺動，通過真空張緊裝置可以給金線以導向作用，同時真空張緊裝置對金線提供向上的作用力，進一步將金線拉緊，使劈刀里的金線處于張緊狀態。由于金線在真空張緊裝置里受力是因為氣體具有黏滯性，當真空張緊裝置的形狀確定后，真空張緊裝置內氣體對金線的作用力和真空度的成正比，一定直徑的金線在張緊裝置內所受的軸向力僅與壓差有關。通過改變和調整送線裝置的氣動系統從而使張緊裝置的真空度達到一個合理的穩定值，可以降低金線在張緊裝置內的擺動，從而提高鍵合穩定性。

6 結束語

全自動鍵合機是半導體后封裝工序中的關鍵設備，其性能直接影響鍵合質量和鍵合效率，進而影響半導體芯片的質量。對自動鍵合機送線裝置的研究有助于提高芯片鍵合的質量和效率，具有重要的實際意義。