张士伟 张辉 韩建
( 中国电子科技集团公司第十三研究所)
摘要：
介绍了引线键合工艺的类型和特点。以全自动金球引线键合机为例，介绍了其结构组成和工艺原理，分析了影响其键合工艺稳定性的因素，并总结了金球引线键合机的常见故障以及解决方法。
引线键合工艺是集成电路半导体封装技术中的一项关键工艺。该工艺使用细金属引线，利用热、压力和超声波能量将金属引线与基板焊盘进行紧密焊合。引线键合工艺类型可分为：热压键合，超声波键合和热压超声波键合3 种。热压键合是指引线在热压头的作用下，由于高温(>250 ℃)加热金属线会发生形变，并通过对时间、温度和压力的调控实现键合目的。超声波键合无需加热(通常是室温)，是指在施加压力的同时，在键头和被焊件之间产生超声频率的机械振动，振动能破坏被焊件界面上的氧化层并产生热量，使键合点牢固地键合。超声波焊接时不需加电流、焊剂和焊料，对被焊件的理化性能指标无影响，也不会形成任何化合物进而影响焊接强度，并且其还具有焊接参数调节灵活，焊接范围较广等优点。热压超声波键合工艺是热压键合与超声波键合2 种形式的组合，是在超声波键合的基础上，对加热台和焊针进行同时加热（加热温度较低，约为150℃），增强了金属间原始交界面的原子相互扩散和分子间作用力，实现金属线的高质量焊接。热压超声波键合工艺因其可降低加热温度、提高键合强度、有利于器件可靠性而取代热压键合和超声波键合成为引线键合的主流[1]。引线键合以工艺实现简单、成本低廉、适用多种封装形式的优点在连接方式中占主导地位,目前所有封装管脚的90%以上采用引线键合连接[2]。
全自动金球引线键合机的键合质量、键合速率以及工艺的稳定性和重复性是人们非常关心的问题，而设备的稳定性直接决定了工艺的稳定性。本文以金球引线键合机为例，通过研究此金球引线键合机的结构、工作原理和影响工艺稳定性的因素，并结合日常使用和维修中的经验，来分析金球引线键合机的常见故障和解决方法。
1 金球引线键合机的结构和工作原理
半导体行业广泛应用的是热压超声波键合工艺，金球引线键合机是采用该工艺的关键设备。
1.1 金球引线键合机的结构
金球引线键合机由底层控制系统（设备的控制中心和人机交互枢纽）、上层控制系统（设备的动力条件中心）、视觉和光学元件系统（设备的眼睛）、焊接头系统（设备的关键核心功能部件）、XY位移工作台（设备的运动协同中心）等组成。其主要组成结构如图1 所示。
1.2 金球引线键合机的工作原理
引线键合机应用中的一个关键点是保证超声波信号发生器、超声换能系统以及与待键合器件表面接触状态三者之间的匹配性，从而提高超声波能量转换效率、精度和速度[3]。
超声波发生器（USG）电路板组件位于下层控制台内，其在计算机控制下会产生一种叫超声波能量的电子信号，这种电能量通过电缆被传送到焊接头上的传感器中。传感器把超声波能量转换成为与键针相配合的机械振动。焊线被夹紧并与焊盘或封装引线接触时，机械振动与热能和压力一同，促成焊接的形成。其中，超声换能系统是键合机能量传递的核心部件，其工作性能与最终的键合质量有关。焊接头Z 轴动作是由伺服系统控制。超声键合过程中超声波能量的传递链如图2所示。
2 影响金球引线键合可靠性的因素分析
在金球引线键合工艺中，可能影响引线键合质量和可靠性的因素主要有：键合温度、键合时间、超声波功率、键合压力、键合工具、键合材料等5 个因素。金丝球焊质量好坏的主要标准有：键合拉力、焊球高度、焊球剪切力。
2.1 焊接温度的影响
如果单独研究焊接温度对球焊质量影响话，必须先撇开其他因素的影响，单纯地分析温度的变化对拉力的影响。如果设置加热台10～150 ℃，每次增加10 ℃，超声功率设定为200 W，超声时间设定为85 ms，键合压力设定为30 N，其余变量保持不变，测试25 根金丝球焊结果如图3 所示。
由图3 结果可知，当热台温度过低，键合力较小，通常温度设置在85～125 ℃比较合适。
2.2 键合时间的影响
如果只研究键合时间对球焊质量影响，必须先忽略其他影响球焊质量因素，单纯地来分析键合时间变化对拉力的影响。对超声时间进行单因素分析，如果设置超声时间为10～150 ms，每次增加10 ms，超声功率设定为200 W，键合压力设定为30 N，热台温度120 ℃，其余变量保持不变，测试25 根金丝球焊结果如图4 所示。由图4 结果可知，当超声时间＜30 ms 时拉力减小，当时间＞30 ms 后拉力变化不明显，然而超声时间＞105 ms时集聚的能量过多，导致金球外观不合格，超声时间设置在55～105 ms 比较合适。
2.3 超声波功率影响
为了只研究超声波功率对球焊质量影响，必须先忽略其他影响球焊质量的因素，单纯地来分析超声波功率变化对拉力的影响。对超声波功率进行单因素分析，如果设置超声波功率10～300 W每次增加20 W ，超声时间设定为85 ms，键合压力设定为30 N，热台温度120 ℃，其余变量保持不变，测试25 根金丝球焊结果如图5 所示。由图5 结果可知，当超声功率＜40 W 时，拉力不满足要求；当功率＞220 W 时，剪切力急剧减小，因此功率设置135～215 W 之间最为合适。
2.4 键合压力的影响
为了研究键合压力对球焊质量影响，必须先假设其他影响球焊质量因素不变，单纯地来分析键合压力变化对拉力的影响。设置键合压力为1～88 N，单次增加8 N，超声功率设定为200 W，超声时间设定为85 ms，热台温度120 ℃，其余变量保持不变，测试25 根金丝球焊拉力实验结果如图6 所示。由图6 可以看出，当键合压力＜15 N时，拉力逐步衰减并出现不合格现象；如果键合压力过大，一方面会出现焊点外观不合格，而另一方面键合力也会随之减小；焊球高度也会随键合压力的增大逐渐减小；当压力＞25 N 时，焊球剪切力变化不明显；因此只有当键合压力设置在25～35 N 的区间较为合适。
2.5 焊接工具的影响
焊接工具的作用是将纵向振动转化为横向振动，通过与引线的接触传递超声能，并在静态压力、温度的配合下，实现引线和焊盘的键合。焊接工具的几何参数直接影响着焊点的形状及焊接质量，对于同直径、同材质的金属丝，不同的焊盘形状、大小及焊盘的间距直接影响着焊接工具的选择。键针安装的高度影响键针尖部超声波的谐振，进而影响焊接质量。应用适当的力矩来固定焊接工具，过大会使换能器的末端变形，过小则造成键合点的位置偏移及超声能的传递效率降低[4]。
2.6 键合材料的影响
大部分使用在金球引线焊接机上的引线是99.99%纯度的金线，为了满足一些特殊的应用场景，例如高强度，有时候也使用合金线(纯度小于99.9%)。研究表明虽然某一些掺杂物(金线里的其他物质)能降低金和铝的界面层扩散成长的速度，但是为了提高封装系统的可靠性，有时候考虑使用99.9%和99%金线。掺杂金线比99.99%金线具有更好的机械性能，合金化金线具有更好的强度，但是会损失一定的电性能[5]。
3 常见故障现象与解决方法
通过对金球引线焊接机的原理和组成结构的介绍和对影响键合工艺稳定性因素的分析，结合维修经验总结了金球引线焊接机的常见故障与解决方法，具体如表1 所示。
4 结束语
金球引线键合工艺是一门复杂的工艺，要保证工艺的质量、稳定性、和重复性，首先要保证设备的稳定性。因此，必须首先掌握金球引线键合的结构与原理；而且要掌握影响工艺质量的各种因素，在出现故障时，能迅速分析导致故障的原因。同时要确保设备和工艺的稳定性，减少设备的故障率，日常的维护保养是非常必要的。
