硅壓阻式壓力傳感器引線鍵合工藝研究

關鍵詞：引線鍵合；引線形態；工藝參數

中圖分類號：TP212；TH702 文獻標識碼：A

0 引言

硅壓阻式壓力傳感器芯片與管腿通過引線鍵合相連接，其中引線形態對傳感器性能的影響較大。引線形態的形成主要通過鍵合機的既定程序，控制引線機頭帶動引線劈刀進行引線鍵合。鍵合機設定的程序通過調節不同的工藝參數，改變劈刀的運行軌跡，得到所需要的引線形態[1]。

在引線形態形成過程中，劈刀運行軌跡的每個拐點位置和拐點的角度都是關鍵因素。劈刀運行過程中引線在拐點處的外層是塑性變形，內層是彈性變形，引線在焊完第一鍵合點后，劈刀在向上運動的過程中，完成拐點的位置和角度動作；劈刀在向下運動到第二鍵合點時，引線會根據劈刀在向上運動過程中完成的拐點的位置和角度發生變形，進而形成引線最終的形狀和輪廓[2]。本文通過分析研究引線鍵合工藝參數，確定引線形態的最佳參數。

1 硅壓阻式壓力傳感器工作原理

硅壓阻式壓力傳感器采用充灌隔離介質結構，芯體通過隔離膜片感知外部壓力，再通過充灌保護液體將外部壓力傳遞到敏感芯片。硅壓阻式壓力傳感器基于硅壓阻效應，核心部分是敏感芯片上的4 個電阻組成的惠斯通電橋，敏感芯片在感受壓力的變化時，電橋中的電阻發生變化，產生電信號輸出。

鍵合引線作為芯片與傳感器管腿連接的橋梁，是傳感器輸出信號的關鍵。引線形態對傳感器性能具有較大的影響?，F階段，硅壓阻式壓力傳感器的工作溫域廣，能達到-55～150℃。鍵合引線時，金絲長度過短，會導致傳感器在低溫工作時，引線發生收縮，甚至出現引線斷裂或焊點處脫落的情況；金絲長度過長，會導致引線高度過高，當發生振動等工況時，引線會發生傾倒甚至斷裂。在低溫條件下，硅油由于液體的熱脹冷縮作用，會向內收縮，由于傳感器腔的內外壓差作用，膜片會向內凹陷，如果引線形態不當，膜片向內凹陷至最低點時，會與引線相接觸，進而影響傳感器溫度漂移等性能。引線形態也不能過于緊繃，否則引線容易產生應力集中，在振動、沖擊等惡劣環境中易發生斷裂。

2 工藝參數優化試驗

2.1 試驗準備

引線鍵合工藝從最初的高溫、壓力二者作用的鍵合方式，到現在的高溫、超聲、壓力3 個條件共同作用的鍵合方式，可以分為熱壓鍵合、超聲鍵合和超聲熱壓鍵合[3]。目前應用最為廣泛的是超聲熱壓鍵合，超聲熱壓鍵合是在高溫、超聲、壓力3 個條件下，使金屬引線與焊盤緊密焊合，實現芯片與管腿間的電氣互連，從而產生信號輸出。

引線鍵合參數分為焊接參數和工藝參數，其中，焊接參數為鍵合時間、鍵合壓力、超聲功率，其作用主要為調整鍵合強度。如圖1 所示，工藝參數分別為弧高（loop）、轉折點高度（kink）、引線反向移動（reverse，即工作臺前進的距離）和引線正向移動（step，即工作臺后移距離），這些工藝參數的作用主要為調整引線形態。

本文通過調整loop、kink、reverse、step 4個工藝參數來優化引線形態，保證引線的弧高低于陶瓷溝槽高度的2/3、引線不與陶瓷相貼合且引線形態松弛不緊繃。

本文運用MPP iBond 5000球—楔焊機進行超聲熱壓鍵合，采用雙球焊接，引線材料選用純度為99.99% 的金絲進行鍵合，芯片選用高溫芯片，燒結管座選用直徑為19 mm 的管座進行試驗，并且芯片焊盤為鋁點、管腿焊盤為金點。鍵合過程是從芯片上的鋁點鍵合到管腿上的金點。首選的鋁點鍵合處在鋁點的右方，金點鍵合處在管腿與鋁點最近的端點處，控制兩鍵合點間的距離保持一致，從而保證試驗變量的唯一性。

2.2 工藝參數對引線形態的影響

采用控制變量法依次對工藝參數進行調整，判斷各個工藝參數對弧形的影響。根據經驗確定loop參數范圍為4.56 ～ 4.72，間隔為0.04；kink 參數范圍為2.8 ～ 3.2，間隔為0.1；reverse參數范圍為0.8 ～ 2.4，間隔為0.4；step 參數范圍為0.8 ～ 1.2，間隔為0.1。表1 為試驗鍵合工藝參數。

如圖2 所示，隨著kink 和reverse 的增加，其引線形態弧高變高，且弧高的最高點位置向第二焊點靠近，即引線形態與第一焊盤之間的傾角變小；隨著step 和loop 的增加，其引線形態弧高變高，且弧高的最高點位置向第一焊點靠近，即引線形態與第一焊盤之間的傾角變大。

2.3 正交試驗

正交試驗適用于檢驗多個因素和水平的場景?；谡恍?，在整個過程中選擇具有均勻分散、齊整可比等特性的代表點進行測試。為方便試驗，將step 設為固定量，其他3 個工藝參數的取值范圍與2.2 節中一致。

對工藝參數調整進行三因素、四水平正交試驗，如果將每個因素排列的試驗全部做完，需要完成64組試驗，花費大量的時間精力，因此選用正交試驗對工藝參數進行優化。每組試驗參數鍵合6 根引線，保證試驗數據準確，不會出現偶發現象，進行形態比對。如表2 所示，各組工藝參數對應的引線形態。

根據試驗結果， 選取loop=4.64、kink=2.8、reverse=1.6、step=1.0 作為最優工藝參數，其是引線形態最優結果。如圖3 所示，引線形態松弛不緊繃，引線形態的弧高最高點低于陶瓷溝槽高度的2/3，引線與陶瓷之間留有間隙。因此，最優工藝參數符合引線鍵合工藝中對引線形態的要求。

3 結論

硅壓阻式壓力傳感器的封裝過程中，引線鍵合為關鍵過程，引線形態對傳感器性能起著關鍵作用，本文根據引線鍵合機制，通過研究loop、kink、reverse、step 等參數對引線形態的影響，發現隨著kink 和reverse 的增加，其引線形態弧高變高，且弧高的最高點位置向第二焊點靠近，即引線形態與第一焊盤之間的傾角變?。浑S著step 和loop 的增加，其引線形態弧高變高，且弧高的最高點位置向第一焊點靠近，即引線形態與第一焊盤之間的傾角變大；根據正交試驗結果，確定最優工藝參數：loop=4.64、kink=2.8、reverse=1.6、step=1.0。該參數滿足引線鍵合工藝對引線形態的要求。