《超声波压焊设备原理及维修》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声波压焊设备原理及维修（5页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、超声波压焊设备原理及维修摘要：本文简要介绍了半导体制造过程中，超声波压焊工艺的基本原理，主要关键技术 以及超声波压焊设备在使用过程中出现问题后的一些处理方法。关键词：超声波、超声功率、劈刀、线夹论文主体超声波压焊是一种半导体器件内部互连法，超声波压焊是用于芯片到基板、基板到封装 或者基板到基板的连接，它有两种形式：球焊和楔焊。超声波压焊广泛的用于微电子器件及 精加工技术，特别是半导体元器件内部的互连。一、超声波压焊台的基本原理超声波压焊的原理是由超声波发生器产生几十千赫兹的超声振荡电能，通过磁致伸缩换 能器产生超声频率的机械振动。压焊用的劈刀装在端部的适合位置上，在超声波的驱动下， 劈刀产生一
2、种称为交变剪切应力的机械振动，同时，在劈刀上端施加一定的垂直压力，在这 两种力的作用下，通过时间的控制使劈刀下的焊丝发生有规律的蠕动，焊丝和芯片焊接表面 的氧化膜受到破坏，同时由于摩擦，在界面上产生一定的热量使焊接处的焊线和芯片表层的 镀层产生一定的塑性变形，使焊线和芯片表层的镀层紧密接触而形成牢固的键合。金丝球焊是金丝线端在高压下打火形成一个金球，这个球下压后形成一个半球状焊点， 然后从这个焊点抽出一段新月形线弧将线连上，然后打火又形成一个新球用于下一个球焊点。 金丝球焊过程为：开始一对准第一焊点一球压焊第一点一劈刀头升到线弧最高点一劈刀下降 对准第二点一焊第二点一提升线尾一提升到打火高度一
3、打火成球一下一周期。金丝球焊被归 为热声制程，也就是说焊点是在热（一般150C）、超声波、压力以及时间的综合作用下形 成的。楔焊是利用超声能量作用于压紧在一起的两种金属间形成键合，楔焊是一种常见的压 焊方式。二、超声波压焊的主要关键技术成功焊接需要具备以下三个条件：（1）功率：为了使两种金属键合，单位时间内在金属 接触区施加摩擦以及振动的能量，称之为功率，一般功率越大，可焊性越好，但是太大则易 滑球，焊点太烂，损伤晶片，反之，可焊性变差，不易焊上。（2）压力：在两种金属键合 时，应对金属施加一定的压力，保证两种金属在摩擦振动的同时紧密接触，一般压力越大， 可焊性越好，但是太大则焊点太扁，容易损
4、伤晶片，压力太小又容易焊不上。（3）时间： 两种金属在功率和压力的作用下，需要持续一定时间才能键合。要得到最佳的焊点，需要将 功率、压力、时间三者的关系调节好，达到一个最佳的匹配，才能得到最好的焊点。焊线通 常选用金丝或者铝丝，不同材料和不同直径的焊线，功率、压力、时间三者的关系都会有差 异。超声波焊接摩擦所需能量可由下面的式子表示：E=JuPv dt式中：卩为摩擦系数，P为焊头上所加的垂直压力，v为焊头振速，t为焊接时间，其中v=4Af, A为焊头的振幅，f为超声振动频率。判断一个焊点是否满足焊线质量要求的标准一般是通过破坏性试验来获得焊点的强度， 我们通常用拉力测试方法测试焊线强度，所用的
5、试验仪器设备有拉力计、推拉力试验机等。 通常来说焊接强度越大越好，但是也受材料强度极限限制，在做拉力测试试验时，在将焊线 拉断的过程中，焊点不脱落为合格，但是除了考虑焊接强度外，还要检查芯片内部结构是否 受损。一般来说，考证焊接强度的质量指标是焊线拉断力的大小，检查芯片内部结构状况的 方法使用饱和的强碱溶液来腐蚀掉焊点及芯片表面的铝层，在足够倍率的显微镜下观察内部 结构是否受损。超声波压焊的优点有：（1）可适用于多种组合材料的焊接；（2）不会对半导体等材料 引起高温污染及损伤；（3）容易焊接高热导和高电导率的材料；（4）耗用功率小，仅为电 阻电焊的5%左右，焊件变形小于5%，焊点强度和稳定性好
6、；（5）对工件表面的清洁度要求 不高。三、超声波压焊台在维修中应注意的事项在超声波压焊设备（如图1）使用过程中，常见问题有：1、焊线有损伤；2、没有超声 功率或者超声功率大小不合适；3、尾丝长度不合适；4、照明灯有问题；5、劈刀有问题等。图1影响焊点好坏的原因很多，焊接材料有问题（包括焊线问题和芯片镀层的问题），主要 是有些焊接材料不匹配,或者焊接材料有质量问题，不能很好的通过超声键合在一起。还有 就是超声功率的大小，焊接压力和超声振动时间，这三者之间要相互匹配，焊接出来的效果 才是最理想状态,劈刀有问题也会影响焊点质量。焊线有损伤分很多种原因，最常见的有三种，第一，线夹问题。线夹的力度过大，
7、会将 焊线夹伤,还有就是线夹不平整，包括线夹夹焊线的面有损伤或者夹具上有污染物，从而导 致对焊线造成损伤，处理方法，需要将线夹的力度调节到合适的范围，线夹的力度过大，会 造成焊线损伤，线夹的力度过小，又会夹不牢焊线，导致尾丝过长；第二，劈刀有问题，导 致对焊线造成损伤，通常为劈刀的线孔被污染或者被损伤，导致在压焊过程中焊线被损伤， 处理方法是将劈刀进行清洗或者更换；第三，导线管有问题，导致对焊线造成损伤，处理方 法是将导线管进行处理或者更换，使导线管不损伤焊线为止。超声功率的大小要根据具体的工艺要求来确定，不同的焊线，不同的材料，以及不同的 设备，功率设置都是不一样的，功率太小，焊点容易焊不牢
8、，功率太大，焊点就会太烂，也 会导致焊点不牢，所以功率太大或者是太小都不好，要根据具体的情况来调整。一般没有超 声功率的情况，多是设备的线路板出了问题，拿型号为WL2042的超声波铝丝压焊机为例， 该设备如果没有超声，用十字螺丝刀打开设备后盖板，用数字万用表直流20V档测量设备超 声板TP1和TP3之间的电压（黑表笔接TP1,红表笔接TP3），然后将设备的超声功率设置 成5.0，按超声测试按钮，查看数值万用表的显示值是否在6.5V到6.8V之间，如果不是， 则调整超声板上的锁相电压电位器（位于超声板中间），使万用表的显示值为6.5V到6.8V 之间。尾丝长度不合适，一般先调整尾丝参数或者控制尾
9、丝的螺母，比如7476D多功能微机控 制键合机就有尾丝长度参数设置，可以根据工艺需要设置尾丝的长度；WL2042型超声波铝丝 压焊机是通过调节相应的螺母来控制尾丝长度的。如果通过这些调节还是不能达到工艺要求 则需要检查线夹的力度是否合适，线夹的力度太小，可能会导致尾丝太长，这就需要将线夹 的力度调整到合适的位置。照明灯有问题，一般分为照明灯不亮和亮度不够两种情况。照明灯不亮，第一种情况是 灯泡烧毁了，这种情况更换照明灯即可，第二种情况是照明灯没电，照明灯没电，可能是前 边的灯保险烧毁，导致照明灯没电，保险烧毁需要查明具体问题，首先要排除是否有短路等 现象，特别是灯座处，还有就是照明灯回路可能有
10、开路现象，一般的压焊设备，多是采用交 流12V作照明电源，并且采用的灯泡多为25W的，由于25W的灯泡发热量比较大，有时候会 导致灯泡处的连接线温度过高而加剧导线氧化，时间长了就会烧断。亮度不够的问题多是因 为灯座氧化接触不良而引起的，处理方法是更换灯座或者将灯座的氧化层处理掉。劈刀头有一个极小的孔，很容易被堵塞，一般可用酒精清洗。若还是不通，则将劈刀头 朝上插在一个带孔的塑料块上，然后放入大小合适的烧杯中，再向烧杯中加入20%的NaOH溶 液至烧杯的三分之二体积，并保证将劈刀头淹没掉，然后在超声波清洗机里加上适当的清水 将烧杯放入超声波清洗机里超声清洗10分钟左右即可，劈刀从氢氧化钠溶液里取
11、出以后， 用清水清洗两次以上，再用风枪将劈刀上的水吹干即可。四、结束语超声波压焊对产品质量的影响很大，超声波压焊有问题，对产品的影响将是致命的，压 焊工序出了问题，很有可能会造成产品失效，最常见的是焊线断裂和焊点脱落，为了避免出 现这些问题，我们的压焊不但是要对设备性能有要求，对工艺的各个环节都有严格的要求， 不同的产品对焊丝的材料，焊丝的线径都有要求，为了得到高抗拉强度的焊接点，超声功率 的大小，焊接压力和超声振动时间，这三者之间要相互匹配，在把控好压焊的各个环节后， 压焊出来的产品，要在显微镜下查看压焊的焊点是否符合要求，焊线有没有损伤，然后还要 抽样进行拉力测试，只有抽样的产品拉力全部达到工艺要求，该批次压焊的产品才算合格。 所以我们要把控好压焊的各个环节，特别是压焊设备的超声功率、压力和时间要匹配，对压 焊好的产品，根据工艺要求做好产品的检验工作，才能很好的保证该批次压焊的产品都满足 工艺要求。参考文献(1)金德宣，张晓梅.微电子焊接与圭寸装M.成都：电子科技大学出版社，1996. 16-26.苏开才，毛宗源.现代功率电子技术M.北京：国防工业出版社，1995. 44-62.1
