引線鍵合中劈刀安裝高度對振幅影響的研究

張永聰，馬生生，趙喜清，郝艷鵬

( 中國電子科技集團公司第二研究所， 山西 太原030024)

引線鍵合是在IC 芯片和封裝之間實現(xiàn)電氣互連的工藝技術(shù)。目前主要有熱超聲球焊、超聲楔形焊和熱壓球焊等3 種鍵合工藝[1]。不論哪種鍵合工藝，其最終目的都是通過機械作用實現(xiàn)引線與焊盤兩端金屬的相互擴散，形成牢固的連接。鍵合工藝的可靠性在鍵合過程中主要依賴鍵合力、超聲時間、超聲能量和溫度等參數(shù)。其中超聲能量的有效傳遞受到換能器、超聲波發(fā)生器、劈刀及其固定方式的影響。

本文以超聲楔形焊劈刀為研究對象，利用F&K 光電位移測量系統(tǒng)，研究在同一換能系統(tǒng)條件下，不同長度劈刀在不同安裝高度時劈刀尖部振幅的變化，通過實驗數(shù)據(jù)分析對比，為鍵合工藝可靠性分析提供數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 劈刀

劈刀，作為鍵合工具，其材料、形狀、長度及安裝方式都是影響引線鍵合成功的重要因素。常用的劈刀材料有碳化鎢、碳化鈦和陶瓷等幾種。

碳化鎢是一種硬質(zhì)合金，機械加工難度較大，加工可靠性低，抗破損能力較強，被推薦用于頂部直徑小于0.127 μm 的劈刀[1]。碳化鈦與碳化鎢相比較，材料密度低，柔韌性好。陶瓷材料具有低熱導(dǎo)率，耐磨損等優(yōu)點。

劈刀形狀的選擇取決于鍵合焊盤尺寸、間距、引線類型和直徑及周圍影響因素等，如圖1 所示。劈刀長度的選擇主要取決于鍵合器件腔體深度。在換能系統(tǒng)（換能器和超聲波發(fā)生器）不變的情況下，劈刀長度的改變及安裝高度均會對焊點變形產(chǎn)生影響。

圖1 部分劈刀類型形狀示意圖

更換劈刀時，固定劈刀頂絲的松緊度可以利用扭矩扳手保證一致性，但劈刀安裝高度一致性只能通過專業(yè)設(shè)計的安裝夾具保證。

2 換能系統(tǒng)

換能系統(tǒng)是通過壓電陶瓷換能器把超聲能量由電能變換為機械能，其轉(zhuǎn)換效率決定鍵合質(zhì)量。分析換能系統(tǒng)的性能，需要從換能器內(nèi)在和外在兩個變量分析。

2.1 內(nèi)在變量

內(nèi)在變量是指換能器使用的材料。低阻抗換能器可以在較短的時間鍵合高質(zhì)量的焊點。

2.2 外在變量

外在變量主要包含以下四個方面：

（1）換能器的設(shè)計；

（2）換能器上緊固劈刀頂絲的扭矩；

（3）劈刀的材料；

在使用相同超聲換能器及相同劈刀結(jié)構(gòu)的情況下，超聲波傳遞到碳化鈦劈刀產(chǎn)生的刀頭振幅比碳化鎢劈刀大20%[2]；

（4）劈刀的長度；

楔焊劈刀長度常用的有19.05 mm、25.4 mm和30.48 mm 等幾種型號。

3 實驗與結(jié)果

實驗涉及到的工具及儀器如表1 所示。

表1 實驗用工具及儀器

儀器之間連接如圖2 所示，劈刀安裝高度如圖3 所示。

圖2 實驗工具及儀器連接示意圖

圖3 劈刀安裝高度示意圖

實驗步驟：

（1）把換能器固定在夾具上，并與超聲波發(fā)生器（test level 設(shè)置為50%，fullscale 設(shè)置為0.1 W）連接；

（2）把19.05 mm 劈刀用扭矩扳手（15 cN·m）通過頂絲緊固在換能器上（H=0 mm）；

（3）把ODS-20 光電位移測量系統(tǒng)測量頭放置在劈刀頭部下方，按超聲波發(fā)生器“Test”按鍵，在軟件中獲取劈刀的振幅曲線；

（4）分別設(shè)置超聲波發(fā)生器“fullscale”參數(shù)為0.2 W 和0.4 W，按超聲波發(fā)生器“Test”按鍵，在軟件中獲取劈刀的振幅曲線；

（5）依次調(diào)節(jié)19.05 mm 劈刀在換能器上（H=-1 mm，-0.5 mm，0.5 mm，1 mm，1.5 mm，2 mm）的位置并重復(fù)以上步驟；

（6）更換25.4 mm 劈刀并重復(fù)以上步驟。

實驗獲得部分劈刀振幅曲線如圖4 和圖5所示。

圖4 19.05mm 劈刀振幅曲線

圖5 25.4 mm 劈刀振幅曲線

19.05 mm 劈刀和25.4 mm 劈刀分別在不同安裝高度和不同超聲功率下的振幅分布圖如圖6和圖7 所示。

圖6 19.05 mm 劈刀振幅分布圖

圖7 工作平臺設(shè)計

圖7 25.4mm 劈刀振幅分布圖

4 結(jié) 論

（1）針對19.05 mm 劈刀當(dāng)劈刀高度處于0 mm≤H≤1.5 mm 范圍內(nèi)微調(diào)時，劈刀振幅變化不大，說明此換能系統(tǒng)針對19.05 mm 劈刀的耦合性較好。

（2）針對25.4 mm 劈刀不論劈刀高度微調(diào)時其振幅變化較大，當(dāng)劈刀高度處于1 mm≤H≤1.5 mm 范圍時其振幅幾乎為零，說明此換能系統(tǒng)針對25.4 mm 劈刀的耦合性較差。

（3）若此換能系統(tǒng)針對深腔器件使用25.4 mm劈刀時，只能在劈刀高度-1≤H≤0 時，調(diào)節(jié)工藝參數(shù)，如超聲功率和時間，保證鍵合效果。

（4）此實驗充分驗證了在換能器的初始設(shè)計時要保證鍵合工具和換能器的耦合性，必須充分考慮鍵合工具尺寸的變化。