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1、全自动键合机工艺调试方法发布时间：2009-6-18 阅读：1885 次潘峰，颜向乙，郑轩，广明安，王丰摘要：介绍新型金球键合机工艺调试过程，分析并解决调试过程中遇到的工艺问题。关键词：工艺；键合；调试目前，集成电路先进后封装过程关键技术中，封装管脚的 90%以上采用引线键合技术。封装行业多年的事实和权威预测表明，到 2020 年，引线键合技术仍将是半导体封装尤其是低端封装内部连接的主流方式。所谓的引线键合技术，是指以非常细小的金属引线的两端分别与芯片和管脚键合，形成电气连接的技术。对于一般半导体封装的性能和成本要求，引线键合是最优的选择。先进后封装技术，如多芯片封装和系统级封装（SIP）都对
2、引线键合技术、工艺等方面有很高的要求。本文侧重于金丝球键合的工艺调试过程分析。1 引线键合工艺过程介绍键合工艺根据焊接原理（热或者超声能量），分为三种：热压焊、超声焊和热超声焊。热超声焊在工作温度上和键合效果上适合于目前主流的金线焊接。本文中进行调试的全自动金线键合机是以热超声球焊为工艺基础的金丝球焊机。引线键合主要有两种工艺过程：楔形键合和球形键合。这两种引线键合技术基本的步骤分为：形成第一焊点（通常在芯片表面），拉成线弧，形成第二焊点（通常在引线框架/基板上）。这两种键合的不同之处在于：球形焊接中在每次焊接循环的开始会形成一个焊点；而楔形焊接则是将引线在压力和超声能量下直接焊接到芯片的焊盘
3、上。1.1 球形键合工艺过程球形键合的工艺是：将金丝穿过劈刀毛细管，利用氢氧焰或电气放电系统产生电火花高温融化金属丝伸出到劈刀腔体外的部分，在表面张力作用下熔融金属凝固形成标准的球形，紧接着控制降下劈刀，在适当的压力和设定好的时间内将金球压在电极或芯片上。在键合过程中，通过劈刀向金属球施加压力，同时促进引线金属和下面的芯片电极金属发生塑性变形和原子间相互扩散，完成第一次键合。然后，劈刀运动到第二键合位置，第二点焊接包括阵脚式焊接和拉尾线，通过劈刀端口对金属线施加压力以楔焊的方式完成第二次键合，焊接之后拉尾线是为下一个键合点循环成球作准备。劈刀升高到合适的高度以控制尾线长度，这时在线夹拉力作用下
4、，楔焊点尾端断裂，紧接着劈刀上升到形成球的高度。成球过程是通过离子化空气间隙的“电子火焰熄灭” 过程实现的，所形成的球即自由空气球。球形键合工艺的主要优点是：全方位的焊接工艺（即第二次焊接可相对第一次焊接的任意角度进行），抗氧化性能好，成球性好，焊接效率较楔焊高。一般用于焊盘间距大于 100m的情况。球键合一般采用直径 75m以下的细金丝。1.2 工艺过程的实现在全自动引线键合机中，完成工艺过程的主要系统是键合头系统，辅助系统是夹持机构。工艺调试的主要过程就是调试键合头系统参数，实现稳定焊线，并对焊接的成品进行检验，定量分析，总结并改进调试方法。调试键合头系统参数应该了解系统的工作原理。实验阶
5、段的键合头系统主要包括超声波换能器，直线电机，线夹，力闭环控制以及平台等。超声波换能器的作用是连接劈刀，传递能量、振动和压力；超声波换能控制技术的要点是，控制超声波换能器的输入频率和电压，达到调节超声波的共振频率和振幅的目的。线夹驱动器是由音圈电机驱动的微动夹持装置，是快速、正确地完成键合工艺的重要条件。线夹关闭时必须保证足够的夹持力以拉断引线，又不能损伤引线的完整性，打开时必须提供足够的空间让引线无阻碍通过。键合力的加载与反馈构成一个闭环控制系统，其键合力闭环控制技术是引线键合机难点技术之一。引线键合机利用压电式压力传感器的反馈信号来控制键合机力的加载，压电式压力传感器采用动态测量，测量精度
6、高。工艺参数里其他几项，如键合时间是通过控制器平台进行调解节的。温度有生产线设备做参考，综上可知，工艺调节中的关键取决于键合头平台的多项技术。当平台的每一单项设备都稳定的运行，才能进行下一步的焊线。2 调试过程主要影响因素分析按照影响热超声键合工艺调试的先后对各因素分析，这些因素有：键合力闭环控制，超声功率调试，键合时间及温度，工艺材料的影响能，最后简要介绍理论分析方法。2.1 超声功率的影响分析超声功率对键合质量和外观影响最大，因为它对键合球的变形起主导作用。超声功率和键合力是相互关联的参数。增大超声功率通常需要增大键合力是相互关联的参数。增大超声功率通常需要增大键合力使超声能量通过键合工具
7、更多的传递到键合点处，但是过大的键合力会阻碍键合工具的运动，抑制超声能量的传导，导致污染物和氧化物被推到了键合区域的中心，形成中心未键合区域。全自动设备的超声换能器主频一般设置在 100-138kHz。较大的超声波频率可以相应地缩短键合时间。2.2 键合时间及温度的影响分析键合时间的设定随着每次焊线条件的变化而变化。一般来说，时间越长，引线球吸收的能量越多，键合点的直径就越大，界面强度增加，而颈部强度降低。但过长的时间，会使键合点尺寸过大，超出焊盘边界并且导致空洞生成概率增大，导致颈部强度降低，增大了颈部断裂的可能，调试设定范围是 2-40ms。键合温度的影响作用表现在：金属的屈服强度随着温度
8、的提高而下降，因而使丝线在键合过程中容易变形而实现结合。在实际生产中温度通常控制在 220-240。2.3 工艺材料的影响分析引线键合过程中使用的工艺材料主要包括引线和焊线工具。2.31 焊线工具引线焊接所使用的焊线工具有两种，一是楔形劈刀，通常是钨碳或者钛碳合金，在劈刀尾部有一个呈一定角度的进线孔。二是球形焊线所使用的毛细管劈刀，它是一种轴形对称的带有垂直方向孔的陶瓷工具。劈刀的尺寸影响引线键合质量和生产的稳定性，因此劈刀的选择及安装是很重要的。由于键合实验中劈刀易损，所以劈刀必须多备以用。2.3.2 引线材料大部分使用在球形焊接上的引线是 99.99%纯度的金线，通常成为 4Ns 金线。金
9、线直径的大小对焊点的可靠性和线弧有着很密切的关系。目前生产上主要使用的线径在 30-30um。一般来说，线径越小，弧高和间距理论上也就能控制的越小。但是线径小了，模塑过程中引线对模塑材料流程的抗冲击性能会有所下降，容易造成引线歪斜，严重时会导致短路，键合过程中还要保持金线清洁，防止表面沾污使原子层不能扩散。2.4 分析方式简介工艺的研究方式主要是数据实验分析和理论分析。理论方法一般通过有限元分析。数据试验分析经常使用试验设计方法（DOE）。相关的软件有 ECHIPTM 及 Micro-swiss 等。3 工艺调试过程工艺调试中，首先进行了键合力的标定，之后是扫描超声波的频率（Profile）。
10、当键合头系统调节完成后，再进行焊线实验，最后对自动焊好的金线进行质量评价。3.1 键合力闭环控制3.1.1 键合力标定键合力标定即是力传感器线性比例系数的标定。3.1.2 键合力闭环控制的影响分析键合力加载是否准确直接影响到引线焊接的成功与否，键合力太小会导致一、二焊点不粘，键合力太大会导致一焊点金球压溃而二焊点过键合。对此关键因素进行了创新闭环控制设计。键合力闭环控制实际上是特殊的运动控制技术，传统的运动控制系统的控制器及其算法只对执行机构的位置和速度信号进行检测，并施加控制。而对键合头运动过程中的加速度，尤其是压点焊线时力的输出无法采取相应的检测与控制手段。以上是引起键合过程中，“力- 位
11、”模式转换不顺滑、到位过冲等，是造成焊线失败（如焊点不牢、断线、短尾等）最主要原因之一。针对过去键合设备这一缺点，新型设备上压力传感器的应用，使控制器可以有效检测键合头电机在运动过程中的受力/加速度，配合高效的运控算法，将会明显消除电机的动态误差，并改善速度、加速度跟随特征，降低趋稳时间，使“力- 位”模式转换更加平滑、精确。与焊线工艺密切相关的是，当劈刀与键合面接触，系统工作在力矩模式下，编码器读回信息变得次要。此时压力传感器将这一压力转化为电信号返回给控制器，控制器经过运算修正其电压输出值，从而实现对键合头压力输出的闭环控制。调试过程证明：这种控制对减小到位后的过冲，改善第一焊点的压球质量
12、，提高焊线牢度等产生明显效果。3.2 超声换能器的调试超声波换能器的输出功率的调试是通过程序进行的，其调节范围是 50-250kHz 之间，频率分辨率0.2Hz，锁相时间为：（在 20phase 之内）t0.5ms；（在 10phase 之内）t1.0ms ，换能器阻抗最小为10。过小的功率会导致过窄、未成形的键合或尾丝翘起；过大的功率导致根部断裂、键合塌陷或焊盘破裂。本次调试中的频率设定为 108kHz。3.3 焊线调试焊线原理是由超声波发生器将超声振动加在变幅杆上，变幅杆和劈刀将振动传输并放大后作用在工作界面上，当劈刀、引线及及键合表面接触时，在静压力和振动的作用下相互摩擦、破坏、清除表面
13、氧化膜，产生摩擦热并发生塑性变形，致使两个纯净的金属面紧密接触，达到原子距离的结合，形成牢固的机械连接，从而将金线焊接在芯片和基板引脚上，实现引线键合。调好的键合头系统工作顺利之后，进行了切线尾实验。经过大量实验数据并用相关实验设备记录下的过程。在这一过程暴露出机械夹持的稳定性问题。这一问题是靠调节夹持力的大小加以解决，并总结出了夹持部分的预紧力规律。然后进行了第一焊点焊线实验，在这过程中，电子打火(EFO)系统高频烧球出现干扰，干扰问题又成为这一阶段调试的主要问题，通过抗干扰措施，克服了干扰问题，电子打火顺利成球，直径为金属丝直径的 2 倍-3 倍。随后进行的连续单位焊接实验，解决了电机驱动
14、电流不合适及连续焊接中的稳定性问题，最终达到工艺要求。调试过程的每一个步骤，电子打火成球，键合头运动，线夹的开合，超声波作用顺序，成弧运动等都不能出现问题，否则会直接导致键合失败。焊接工艺控制是通过程控超声功率、键合力、键合时间及键合温度等参数的调整。3.4 键合点质量评价键合点品质的好坏往往通过破坏性实验判定，通常使用键合剪切力测试、键合拉力测试来判断焊点质量的好坏。键合剪切力测试中，焊点在剪切工具水平方向力的作用，与芯片焊盘脱离，剪切设备同时记录剪切力的大小，以判断焊点的结合强度。同时，通过观察剪切断面上金属间化合物的生成情况判断丝球与焊盘的结合程度。键合拉力测试则是垂直方向的测试线弧的抗拉强度，通常使用克力计来测试拉应力的大小。对焊点的金线的四个主要位置测试：第一键合点的界面；第一键合点的颈部；第二键合点处；引线轮廓中间，实验结果金线的线弧强度满足工艺要求，部分线弧达到国军标要求。4 总结先进后封装线多样化的挑战和机遇，促使我们不断研究引线键合工艺技术。在调试工艺，线弧成型方法，新型器件键合方法等方面积累和创新，才能更好地满足封装工艺的苛刻要求。随着引线键合演化的速度加快，新技术，如：倒装焊技术等的不断成熟，主要厂商在键合机市场上的竞争更趋激烈。但是可以预见，在未来一段时间内，引线键合这一低成本优性能的解决方案仍然是市场的主流。节选自电子工业专用设备，未经许可请勿转载
