1、哈爾濱理工大學(xué)焊接課程設(shè)計(jì)一級(jí)封裝中的引線鍵合設(shè)計(jì) 班 級(jí)：材型09-4學(xué) 號(hào)：0902040408 姓 名：劉陽(yáng) 指導(dǎo)教師：趙智力1. 設(shè)計(jì)任務(wù)書設(shè)計(jì)要求及有關(guān)數(shù)據(jù)：一級(jí)封裝中需要將芯片上電路與外電路之間實(shí)現(xiàn)電氣連接，芯片上預(yù)制的焊盤為Al金屬化層，采用引線鍵合技術(shù)連接時(shí)，可選金絲或鋁絲進(jìn)行連接，本課程設(shè)計(jì)任務(wù)即是分別采用金絲和鋁絲時(shí)的連接設(shè)計(jì)，引線絲直徑為25微米。1). 進(jìn)行焊接性分析；2）根據(jù)被連接材料的特點(diǎn)，分別設(shè)計(jì)金絲和鋁絲的燒球工藝，選擇各自適合的焊接方法及焊接設(shè)備（介紹其工作原理），設(shè)計(jì)具體焊接工藝參數(shù)（氧化膜的去除機(jī)理、施加壓力、釬、加熱溫度、連接時(shí)間）)的確定。3）該結(jié)構(gòu)材

2、料間的連接特點(diǎn)、連接界面組織與連接機(jī)理及接頭強(qiáng)度的簡(jiǎn)要分析； 2. 所焊零件（器件）結(jié)構(gòu)分析、焊接性分析 2.1 Al金屬化層焊盤結(jié)構(gòu)分析： 說明：Chip：芯片（本題目為Al芯片） Gold wire：金絲 Mold resin：填充樹脂 Lead：導(dǎo)線2.2焊接性分析 2.2.1綜述：Al及Al合金的焊接性： 鋁及其合金的化學(xué)活性很強(qiáng)，表面極易形成難熔氧化膜（Al2O3熔點(diǎn)約為2050，MgO熔點(diǎn)約為2500），加之鋁及其合金導(dǎo)熱性強(qiáng)，焊接時(shí)易造成不熔合現(xiàn)象。由于氧化膜密度與鋁的密度接近，也易成為焊縫金屬的夾雜物。同時(shí)，氧化膜（特別是有MgO存在的不很致密的氧化膜）可吸收較多水分而成為焊縫

3、氣孔的重要原因之一。此外，鋁及其合金的線膨脹系數(shù)大，焊接時(shí)容易產(chǎn)生翹曲變形。這些都是焊接生產(chǎn)中頗感困難的問題。 2.2.2 鋁合金焊接中的氣孔氫是鋁及其合金熔焊時(shí)產(chǎn)生氣孔的主要原因,已為實(shí)踐所證明。弧柱氣氛中的水分、焊接材料以及母材所吸附的水分都是焊縫氣孔中氫的重要來源。其中，焊絲及母材表面氧化膜的吸附水份，對(duì)焊縫氣孔的產(chǎn)生，常常占有突出的地位。 1)弧柱氣氛中水分的影響弧柱空間總是或多或少存在一定數(shù)量的水分，尤其在潮濕季節(jié)或濕度大的地區(qū)進(jìn)行焊接時(shí)，由弧柱氣氛中水分分解而來的氫，溶入過熱的熔融金屬中，可成為焊縫氣孔的主要原因。這時(shí)所形成的氣孔，具有白亮內(nèi)壁的特征。 2) 氧化膜中水分對(duì)氣孔的影

4、響在正常的焊接條件下，焊絲或工件的氧化膜中所吸附的水分將是生成焊縫氣孔的主要原因。而氧化膜不致密、吸水性強(qiáng)的鋁合金，主要是Al-Mg合金，要比氧化膜致密的純鋁具有更大的氣孔傾向。因?yàn)锳l-Mg合金的氧化膜中含有不致密的MgO，焊接時(shí)，在熔透不足的情況下，母材坡口端部未除凈的氧化膜中所吸附的水分，常常是產(chǎn)生焊縫氣孔的主要原因。 3) 減少焊縫氣孔的途徑避免熔池吸氫是消除或減少焊接氣孔的有效方法【2】。為防止焊縫氣孔，可從兩方面著手:第一，限制氫溶入熔融金屬，或者是減少氫的來源，或者減少氫同熔融金屬作用的時(shí)間；第二，盡量促使氣孔自熔池逸出。為了在熔池凝固之前使氫以氣泡形式及時(shí)排出，這就要改善冷卻條

5、件以增加氫的逸出時(shí)間Hidetoshi Fujii等在失重條件下進(jìn)行焊接試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氣孔明顯較重力下多【3】。 a、減少氫的來源所有使用的焊接材料(包括保護(hù)氣體、焊絲、焊條、焊劑等)要嚴(yán)格限制含水量，使用前均需干燥處理。一般認(rèn)為，氬氣中的含水量小于0.08%時(shí)不易形成氣孔【1】。 b、控制焊接工藝焊接工藝參數(shù)的影響比較明顯，但其影響規(guī)律并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的關(guān)系，須進(jìn)行具體分析。焊接工藝參數(shù)的影響主要可歸結(jié)為對(duì)熔池在高溫存在時(shí)間的影響，也就是對(duì)氫的溶入時(shí)間和氫的析出時(shí)間的影響。焊接時(shí)，焊接工藝參數(shù)的選擇，一方面盡量采用小線能量以減少熔池存在時(shí)間，從而減少氣氛中氫的溶入，同時(shí)又要能充分保證根部熔合，以利

6、根部氧化膜上的氣泡浮出。所以采用大的焊接電流配合較高的焊接速度是比較有利的。(TIG焊與MIG焊焊接工藝參數(shù)對(duì)氣孔的影響見附圖2、附圖3.) 2.2.3 鋁合金的焊接熱裂紋鋁及其合金焊接時(shí)，焊縫金屬和近縫區(qū)所發(fā)現(xiàn)的熱裂紋主要是焊縫金屬結(jié)晶裂紋，也可在近縫區(qū)見到液化裂紋。 1）鋁合金焊接熱裂紋的特點(diǎn)鋁合金屬于典型的共晶型合金，最大裂紋傾向正好同合金的“最大”凝固溫度區(qū)間相對(duì)應(yīng)。但是由平衡狀態(tài)圖的概念得出的結(jié)論和實(shí)際情況是有較大出入的。因此，裂紋傾向最大時(shí)的合金組元均小于它在合金中的極限溶解度。這是由于焊接時(shí)的加熱和冷卻速度都很迅速，使合金來不及建立平衡狀態(tài)，在不平衡的凝固條件下，相圖中的固相線一

7、般要向左下方移動(dòng)，以致在較少的平均濃度下就出現(xiàn)共晶體，且共晶溫度比平衡冷卻過程將有所降低。至于近縫區(qū)的“液化裂紋”，同焊縫凝固裂紋一樣，也是與晶間易熔共晶的存在有聯(lián)系，但這種易熔共晶夾層并非晶間原已存在的，而是在不平衡的焊接加熱條件下因偏析而熔化形成的，所以稱為晶間“液化”。 2）防止焊接熱裂紋的途徑對(duì)于液化裂紋目前還無行之有效的防止措施，一般的辦法是減小近縫區(qū)過熱。對(duì)于焊縫金屬的結(jié)晶裂紋主要是通過合理選定焊縫的合金成分并配合適當(dāng)?shù)暮附庸に噥磉M(jìn)行控制。 a、控制成分從抗裂角度考慮，調(diào)整焊縫合金系統(tǒng)的著眼點(diǎn)在于控制適量的易熔共晶并縮小結(jié)晶溫度區(qū)間。由于現(xiàn)有鋁合金均為共晶型合金，少量易熔共晶的存在

8、總是增大凝固裂紋傾向，所以，一般都是使主要合金元素含量超過裂紋傾向最大時(shí)的合金成分，以便能產(chǎn)生愈合作用。 b、在焊絲中添加變質(zhì)劑鋁合金焊絲中幾乎都有Ti、Zr、B、V等微量元素，一般都是作為變質(zhì)劑加入的。不僅可以細(xì)化晶粒而改善塑性、韌性，并可顯著提高抗裂性能。Ti、Zr、B、V、Ta等元素的共同特點(diǎn)是都能同鋁形成一系列包晶反應(yīng)生成細(xì)小的難熔質(zhì)點(diǎn)，可成為液體金屬凝固時(shí)的非自發(fā)凝固的晶核，從而可以產(chǎn)生細(xì)化晶粒的作用。 C、合理選用焊接工藝參數(shù)焊接工藝參數(shù)影響凝固過程的不平衡性和凝固的組織狀態(tài)，也影響凝固過程中的應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速度，因而影響裂紋的產(chǎn)生。熱能集中的焊接方法，有利于快速進(jìn)行焊接過程，可防止形成

9、方向性強(qiáng)的粗大柱狀晶，因而可以改善抗裂性【5】。減小焊接電流、降低拘束度、改善裝配間隙對(duì)減小熱裂傾向都是有利的。而焊接速度的提高，促使增大焊接接頭的應(yīng)變速度，而增大熱裂的傾向。增大焊接速度和和焊接電流，都可促使增大裂紋傾向。 3）焊接接頭的等強(qiáng)性時(shí)效強(qiáng)化鋁合金，除了Al-Zn-Mg合金，無論是退火狀態(tài)下還是時(shí)效狀態(tài)下焊接，若焊后不經(jīng)熱處理，強(qiáng)度均低于母材。所有時(shí)效強(qiáng)化的鋁合金，焊后不論是否經(jīng)過時(shí)效處理，其接頭塑性均未能達(dá)到母材的水平【1】。就焊縫而言，由于是鑄造組織，即使在退火狀態(tài)以及焊縫成分同母材基本一樣的條件下，強(qiáng)度可能差別不大，但焊縫塑性一般都不如母材。若焊縫成分不同于母材，焊縫性能將主

10、要決定于所用的焊接材料。為保證焊縫強(qiáng)度與塑性，固溶強(qiáng)化型合金系統(tǒng)要優(yōu)于共晶型合金系統(tǒng)。一般說來，焊接線能量越大，焊縫性能下降的趨勢(shì)也越大【1】。對(duì)于熔合區(qū)，在時(shí)效強(qiáng)化鋁合金焊接時(shí)，除了晶粒粗化，還可能因晶界液化而產(chǎn)生顯微裂紋。所以，熔合區(qū)的變化主要是惡化塑性。附圖1： 氫在鋁中的溶解度附圖2： 焊接工藝參數(shù)對(duì)氣孔傾向的影響（5A06，TIG）附圖3 MIG焊接時(shí)焊縫氣孔傾向與焊接工藝參數(shù)的關(guān)系 3.引線鍵合的工藝確定 3.1綜述具體工藝流程： 芯片粘接之后,采用Au絲利用熱壓焊或超聲波焊或超聲熱壓焊(或Al絲利用超聲波焊或超聲熱壓焊)將芯片Al金屬化層與外引線框架連接起來的工藝. 熱壓鍵合是引

11、線在熱壓頭的壓力下，高溫加熱(>250 )金屬線發(fā)生形變，通過對(duì)時(shí)間、溫度和壓力的調(diào)控進(jìn)行的鍵合方法。鍵合時(shí)，被焊接的金屬無論是否加熱都需施加一定的壓力。金屬受壓后產(chǎn)生一定的塑性變形，而兩種金屬的原始交界面處幾乎接近原子力的范圍，兩種金屬原子產(chǎn)生相互擴(kuò)散,形成牢固的焊接。 超聲波鍵合不加熱(通常是室溫)，是在施加壓力的同時(shí)，在被焊件之間產(chǎn)生超聲頻率的彈性振動(dòng)，破壞被焊件之間界面上的氧化層，并產(chǎn)生熱量，使兩固態(tài)金屬牢固鍵合。這種特殊的固相焊接方法可簡(jiǎn)單地描述為:在焊接開始時(shí)，金屬材料在摩擦力作用下發(fā)生強(qiáng)烈的塑性流動(dòng)，為純凈金屬表面間的接觸創(chuàng)造了條件。而接頭區(qū)的溫升以及高頻振動(dòng)，又進(jìn)一步造成

12、了金屬晶格上原子的受激活狀態(tài)。因此，當(dāng)有共價(jià)鍵性質(zhì)的金屬原子互相接近到以納米級(jí)的距離時(shí)，就有可能通過公共電子形成了原子間的電子橋，即實(shí)現(xiàn)了所謂金屬“鍵合”過程。超聲波焊接時(shí)不需加電流、焊劑和焊料，對(duì)被焊件的理化性能無影響，也不會(huì)形成任何化合物而影響焊接強(qiáng)度，且具有焊接參數(shù)調(diào)節(jié)靈活，焊接范圍較廣等優(yōu)點(diǎn)。 熱壓超聲波鍵合工藝包括熱壓鍵合與超聲波鍵合兩種形式的組合。就是在超聲波鍵合的基礎(chǔ)上，采用對(duì)加熱臺(tái)和劈刀同時(shí)加熱的方式，加熱溫度較低(低于Tc 溫度值，大約150 )，加熱增強(qiáng)了金屬間原始交界面的原子相互擴(kuò)散和分子(原子) 間作用力，金屬的擴(kuò)散在整個(gè)界面上進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)金屬線的高質(zhì)量焊接。熱壓超聲波鍵

13、合因其可降低加熱溫度、提高鍵合強(qiáng)度、有利于器件可靠性而取代熱壓鍵合和超聲波鍵合成為引線鍵合的主流。 引線鍵合基本要求有： （1）首先要對(duì)焊盤進(jìn)行等離子清洗； （2）注意焊盤的大小，選擇合適的引線直徑； （3）鍵合時(shí)要選好鍵合點(diǎn)的位置； （4）鍵合時(shí)要注意鍵合時(shí)成球的形狀和鍵合強(qiáng)度； （5）鍵合時(shí)要調(diào)整好鍵合引線的高度和跳線的成線弧度。 3.2基本形式引線鍵合有兩種基本形式: 球形鍵合與楔形鍵合。這兩種引線鍵合技術(shù)的基本步驟包括:形成第一焊點(diǎn)(通常在芯片表面)，形成線弧，最后形成第二焊點(diǎn)(通常在引線框架/ 基板上)。兩種鍵合形式的不同之處在于: 球形鍵合中在每次焊接循環(huán)的開始會(huì)形成一個(gè)焊球，然后

14、把這個(gè)球焊接到焊盤上形成第一焊點(diǎn)，而楔形鍵合則是將引線在加熱加壓和超聲能量下直接焊接到芯片的焊盤上。 3.2.1 球形鍵合1.球形鍵合時(shí)將金屬線穿過鍵合機(jī)毛細(xì)管劈刀(capillary)，到達(dá)其頂部，利用氫氧焰或電 氣放電系統(tǒng)產(chǎn)生電火花以熔化金屬線在劈刀外的伸出部分，在表面張力作用下熔融金屬凝 固形成標(biāo)準(zhǔn)的球形(Free Air Ball，F(xiàn)AB)，球直徑一般是線徑的23 倍，緊接著降下劈刀，在適當(dāng)?shù)膲毫投ê玫臅r(shí)間內(nèi)將金屬球壓在電極或芯片上。鍵合過程中，通過劈刀向金屬球施加壓力，同時(shí)促進(jìn)引線金屬和下面的芯片電極金屬發(fā)生塑性變形和原子間相互擴(kuò)散，并完成第一焊點(diǎn)，然后劈刀運(yùn)動(dòng)到第二點(diǎn)位置，第二點(diǎn)

15、焊接包括楔形鍵合、扯線和送線，通過劈刀外壁對(duì)金屬線施加壓力以楔形鍵合方式完成第二焊點(diǎn)，之后扯線使金屬線斷裂，劈刀升高到合適的高度送線達(dá)到要求尾線長(zhǎng)度，然后劈刀上升到成球的高度。成球的過程是通過離子化空氣間隙的打火成球(ElectronicFlame-off，EFO)過程實(shí)現(xiàn)的。球形鍵合是一種全方位的工藝(即第二焊點(diǎn)可相對(duì)第一焊點(diǎn)360°任意角度) 球形鍵合一般采用直徑75 m 以下的細(xì)金絲，因?yàn)槠湓诟邷厥軌籂顟B(tài)下容易變形、抗氧化性能好、成球性好，一般用于焊盤間距大于100 m 的情況下。2. 球形鍵合工藝設(shè)計(jì)原則： (1)焊球的初始直徑為金屬線直徑的23 倍。應(yīng)用于精細(xì)間距時(shí)為1.5

16、倍，焊盤較大時(shí)為34 倍；(2) 最終成球尺寸不超過焊盤尺寸的3/4，是金屬線直徑的2.55 倍；(3) 線弧高度一般為150 m，取決于金屬線直徑及具體應(yīng)用；(4) 線弧長(zhǎng)度不應(yīng)超過金屬線直徑的100 倍；(5) 線弧不允許有垂直方向的下垂和水平方向的搖擺。 3.2.2 楔形鍵合 1.楔形鍵合是用楔形劈刀(wedge)將熱、壓力、超聲傳給金屬線在一定時(shí)間形成焊接，焊接過程中不出現(xiàn)焊球。楔形鍵合工藝中，金屬線穿過劈刀背面的通孔，與水平的被鍵合表面成30°60°角度。在劈刀的壓力和超聲波能量的作用下，金屬線和焊盤金屬的純凈表面接觸并最終形成連接。楔形鍵合是一種單一方向焊接工藝

17、(即第二焊點(diǎn)必須對(duì)準(zhǔn)第一焊點(diǎn)的方向)。傳統(tǒng)的楔形鍵合僅僅能在線的平行方向上形成焊點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)的楔形劈刀能使楔形鍵合機(jī)適合不同角度的焊線，在完成引線操作后移動(dòng)到第二焊點(diǎn)之前劈刀旋轉(zhuǎn)到程序規(guī)定的角度。在使用金線的情況下，穩(wěn)定的楔形鍵合能實(shí)現(xiàn)角度小于35°的引線鍵合。楔形鍵合主要優(yōu)點(diǎn)是適用于精細(xì)間距(如50 m 以下的焊盤間距)低線弧形狀，可控制引線長(zhǎng)度，工藝溫度低。常見楔形鍵合工藝是室溫下的鋁線超聲波鍵合，其成本和鍵合溫度較低。而金線采用150 下的熱壓超聲波鍵合，其主要優(yōu)點(diǎn)是鍵合后不需要密閉封裝。由于楔形鍵合形成的焊點(diǎn)小于球形鍵合，特別適用于微波器件、尤其是大功率器件的封裝。但由于鍵合工具

18、的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其總體速度低于熱壓超聲波球形鍵合。綜上，球形楔形熱超聲金絲鍵合工藝圖如下：其中：（a）金絲從毛細(xì)管劈刀端頭伸出，絲夾夾緊；(b)電火花使引線絲端頭形成球形，然后將毛細(xì)管劈刀端面壓住焊球； (c)將劈刀移到IC芯片的鍵合區(qū)上方；(d)下降劈刀，使金絲球與鍵合焊盤接觸，施加熱、力和超聲振動(dòng)完成鍵合；（e）絲夾打開，引線絲可從毛細(xì)管劈刀端頭自由伸出，抬起毛細(xì)管劈刀形成拱高；（f）毛細(xì)管劈刀移向封裝/基板鍵合焊盤；（g）下降劈刀，使引線接觸焊盤施加熱、力和超聲振動(dòng)形成楔形鍵合；（h）劈刀從鍵合區(qū)抬起，留下楔形鍵合點(diǎn)。在預(yù)定高度，當(dāng)毛細(xì)管劈刀仍在升起時(shí)絲夾夾緊，在鍵合點(diǎn)處將引線拉斷；（i）鍵

19、合過程完成，留下引線頭準(zhǔn)備下次鍵合。 效果圖如下： 3.2.3 球形與楔形鍵合的比較比較如下：表3-1 球形與楔形鍵合的比較鍵合形式鍵合方式劈刀結(jié)構(gòu)引線材料焊盤鍵合速度球形鍵合熱壓、熱聲毛細(xì)管金鋁10線/秒楔形鍵合熱聲、超聲楔形金、鋁鋁4線/秒 3.3 鍵合工具1. 鍵合工具的作用是將縱向振動(dòng)轉(zhuǎn)化為橫向振動(dòng)，通過與引線的接觸傳遞超聲能，并在靜態(tài)壓力、溫度的配合下，實(shí)現(xiàn)引線和焊盤的鍵合。按形狀和適用工藝的不同分為毛細(xì)管劈刀(capillary)和楔形劈刀(wedge)兩種。毛細(xì)管劈刀其材料可以是陶瓷、鎢或紅寶石。最常用材料是具有精細(xì)尺寸晶粒的氧化鋁陶瓷，因?yàn)槠溆泻芎玫目垢g性、抗氧化性和易于清潔

20、的特點(diǎn)。楔形劈刀其材料取決于所采用的金屬線，鋁線鍵合時(shí)，通常采用碳化鎢或陶瓷材料；金線鍵合時(shí)，采用碳化鈦材料。2. 鍵合工具的影響因素有：(1) 鍵合工具的幾何參數(shù)直接影響著焊點(diǎn)的形狀及鍵合質(zhì)量，對(duì)于同直徑、同材質(zhì)的金屬絲，不同的焊盤形狀、大小及焊盤的間距直接影響著鍵合工具的選擇。a 以毛細(xì)管劈刀(如圖3.3.1)為例，圖中，為內(nèi)孔（Hole Size，H），其直徑由引線直徑?jīng)Q定，引線直徑由焊盤的直徑?jīng)Q定。內(nèi)孔的直徑越小，線弧越接近理想形狀，如果內(nèi)孔直徑過小則會(huì)增大引線與劈刀間的摩擦導(dǎo)致線弧形狀的不穩(wěn)定；為壁厚，影響超聲波的傳導(dǎo)，過薄的壁厚會(huì)對(duì)振幅產(chǎn)生影響；為端面角(Face Angle，F(xiàn)A

21、)和外半徑(Outer Radius，OR) (如圖3.3.2)，影響第二焊點(diǎn)的形狀、鍵合強(qiáng)度以及線弧形狀；為斜面(Chamfer)和斜面角(Chamfer Angle，CA)(如圖3.3.3)，影響第一焊點(diǎn)的形狀、鍵合強(qiáng)度以及線弧形狀。b. 在楔形鍵合中，引線直徑?jīng)Q定楔形劈刀斜孔直徑，焊點(diǎn)形狀主要由楔形劈刀的前端尺寸決定。焊點(diǎn)沿長(zhǎng)軸方向有長(zhǎng)橢圓形、圓形和窄橢圓形，還有單點(diǎn)雙點(diǎn)之分，主要取決于楔焊劈刀外形(如圖3.3.4)(2) 鍵合工具的安裝。劈刀安裝的高度影響劈刀尖部超聲波的諧振，進(jìn)而影響鍵合質(zhì)量。應(yīng)用適當(dāng)?shù)牧貋砉潭ㄦI合工具，過大會(huì)使換能器的末端變形，過小則造成鍵合點(diǎn)的位置偏 移及超聲能

22、的傳遞效率降低。 圖3.3.1 毛細(xì)管劈刀示意圖 圖3.3.2 端面角和外半徑的影響 圖 3.3.3. 斜面和斜面角的影響 圖3.3.4 楔形鍵合典型區(qū)分 3.4 鍵合材料 3.4.1 綜述1鍵合材料要求:a機(jī)械強(qiáng)度:能承受樹脂封裝時(shí)的應(yīng)力/具有規(guī)定的拉斷力和延伸力b成球性好c結(jié)合強(qiáng)度高:表面無劃痕、臟污，絲與芯片之間、絲與引線框架之間有足夠的結(jié)合強(qiáng)度d導(dǎo)電性好2 鍵合材料可以選擇：金絲、鋁絲、銅絲。本設(shè)計(jì)采用金絲和鋁絲，現(xiàn)分別討論如下。 3.4.2 用金絲做鍵合材料金的優(yōu)點(diǎn)是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、延展性好、抗拉性強(qiáng)，易加工成極細(xì)的金絲(如直徑10一20m), 純度為999999999；缺點(diǎn)是金絲與鋁

23、層電極金屬化區(qū)鍵合容易產(chǎn)生金屬間化合物俗稱“紫班”)，影響焊點(diǎn)的導(dǎo)電性能和機(jī)械強(qiáng)度。金絲在使用前也要退火處理， 退火可在H2或真空氣氛中進(jìn)行，退火條件一般為400450，恒溫1520min，后自然冷卻至室溫。退火溫度高，金絲柔軟性好，但強(qiáng)度差；退火溫度低，金絲柔軟性差，但能保持一定剛性。退火后的金絲表面應(yīng)光亮，不氧化，不發(fā)脆、可塑性好，這樣便于鍵合。 3.4.3 用Al做鍵合材料用作器件內(nèi)引線的鋁絲的純度為99999；由于鋁的表面容易生成堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)氧化層，所以加工成極細(xì)的鋁絲比較因難。純鋁絲在使用前應(yīng)進(jìn)行退火處理，退火可在H2或真空氣氛中進(jìn)形，退火溫度為400450，如果退火不當(dāng)會(huì)造成鋁絲太

24、硬，影響焊接。純鋁絲的主要缺點(diǎn)是抗拉強(qiáng)度低。 為了改善純鋁絲的抗技強(qiáng)度，目前采用硅鋁絲，即在純鋁中摻入1的硅，或0.51的Mg制成鋁鎂絲，這樣既便于拉絲加工， 也有利于焊接，二者用于高可靠集成電路中。 3.5主要工藝參數(shù)選擇 3.5.1鍵合溫度 鍵合溫度指的是外部提供的溫度，鍵合工藝對(duì)溫度有較高的控制要求。工藝中更注意實(shí)際溫度的變化對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響。過高的溫度不僅會(huì)產(chǎn)生過多的氧化物影響鍵合質(zhì)量，并且由于熱應(yīng)力應(yīng)變的影響，鍵合頭零部件和器件的可靠性也隨之下降。溫度過低將無法去除金屬表面氧化膜層等雜質(zhì)，無法促進(jìn)金屬原子間的密切接觸。 3.5.2 鍵合時(shí)間通常的鍵合時(shí)間都在幾十毫秒，并且鍵合點(diǎn)不同，

25、鍵合時(shí)間也不一樣。一般來說，鍵合時(shí)間越長(zhǎng)，金屬球吸收的能量越多，鍵合點(diǎn)的直徑就越大，界面強(qiáng)度增加而頸部強(qiáng)度降低。但是過長(zhǎng)的時(shí)間，會(huì)使鍵合點(diǎn)尺寸過大，超出焊盤邊界并且導(dǎo)致空洞生成概率增大。Murali 等人9發(fā)現(xiàn)溫度升高會(huì)使頸部區(qū)域發(fā)生再結(jié)晶，導(dǎo)致頸部強(qiáng)度降低，增大了頸部斷裂的可能，因此合適的鍵合時(shí)間顯得尤為重要。 3.5.3 超聲功率與鍵合壓力超聲功率對(duì)鍵合質(zhì)量和外觀影響最大，因?yàn)樗鼘?duì)金屬球的變形起主導(dǎo)作用。過小的功率會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)過小、未成形或尾絲翹起；過大的功率導(dǎo)致根部斷裂、鍵合塌陷或焊盤破裂。研究發(fā)現(xiàn)超聲波的水平振動(dòng)是導(dǎo)致焊盤破裂的最大原因。超聲功率和鍵合壓力是相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)。增大超聲功率通

26、常需要增大鍵合壓力使超聲能量通過鍵合工具更多的傳遞到鍵合點(diǎn)處，但研究發(fā)現(xiàn)過大的鍵合壓力會(huì)阻礙鍵合工具的運(yùn)動(dòng)，抑制超聲能量的傳導(dǎo)，導(dǎo)致污染物和氧化物被推到了鍵合區(qū)域的中心，形成中心未鍵合區(qū)域。幾種鍵合工藝參數(shù)比較如下： 表3-2工藝參數(shù)表 鍵合方法 參數(shù)熱壓鍵合超生鍵合熱聲鍵合壓力高低低溫度（）30050025100150超聲能無有有鍵合速度10線/秒4線/秒10線/秒4.鍵合質(zhì)量評(píng)價(jià) 4.1 外觀鏡檢焊點(diǎn)的外觀是評(píng)價(jià)鍵合質(zhì)量最簡(jiǎn)單的定性方法，通過顯微鏡觀測(cè)焊點(diǎn)外形，可初步判斷鍵合質(zhì)量的優(yōu)劣。由于鍵合完成后，不可能對(duì)每顆引線都進(jìn)行拉推力破壞試驗(yàn)，這就使得鏡檢工作非常重要，防止不良品進(jìn)入下一道工序

27、。 4.1.1 球形鍵合的外觀鏡檢第一焊點(diǎn)即球形鍵合(如圖4.1)的外觀要求：焊球直徑一般為金線直徑的2.55 倍，不超過焊盤尺寸的3/4，厚度適中且焊球與線弧過渡平滑；第二焊點(diǎn)即楔形鍵合(如圖4.2)外觀要求:外形對(duì)稱、厚度為金線直徑的34 倍，焊接面與線弧過渡平滑；線弧不允許有垂直方向的下垂和水平方向的搖擺；點(diǎn)型及線弧一致性要好。 圖4.1 球形鍵合的第一焊點(diǎn)圖4.2 球形鍵合的第二焊點(diǎn) 4.1.2楔形鍵合的外觀鏡檢兩焊點(diǎn)外觀要求（如圖4.3） 所示，斜線部分表示鍵合區(qū)(金屬線上劈刀壓痕)，W 表示鍵合區(qū)寬度，L 表示鍵合區(qū)長(zhǎng)度。一般情況下，焊點(diǎn)沿長(zhǎng)軸方向?yàn)闄E圓形或圓形，鍵合區(qū)寬度一般為金

28、屬線直徑的1.23倍；鍵合區(qū)長(zhǎng)度一般為金屬線直徑的1.55 倍；鍵合區(qū)厚度一般為金屬線直徑的1/3 左右；焊接面與線弧過渡平滑；第一焊點(diǎn)線尾一致要好(如圖4.4)；線弧不允許有垂直方向的下垂和水平方向的搖擺；點(diǎn)型及線弧一致性要好。圖4.3 楔形鍵合焊點(diǎn)圖4.4 楔形鍵合線尾一致性 4.2 拉推力試驗(yàn)鍵合質(zhì)量的好壞往往通過破壞性實(shí)驗(yàn)判定。通常使用鍵合拉力測(cè)試(Bond Pull Test，BPT) (如圖4.5)、鍵合剪切力測(cè)試(Ball Shear Test，BST)(如圖4.6)。影響B(tài)PT 結(jié)果的因素除了工藝參數(shù)以外，還有鍵合材料(材質(zhì)、直徑、強(qiáng)度和剛度)、焊盤材質(zhì)、吊鉤位置、弧線高度等。

29、除了確認(rèn)BPT 的拉力值外，還需確認(rèn)引線斷裂的位置。主要有5 個(gè)位置：(1) 第一焊點(diǎn)界面；(2) 第一焊點(diǎn)頸部；(3) 線弧中間；(4) 第二焊點(diǎn)頸部；(5)第二焊點(diǎn)界面。其中要求斷點(diǎn)不能在(1)和(5)2 個(gè)位置。BST 是通過水平推鍵合點(diǎn)的引線，測(cè)得引線和焊盤分離的最小推力，一般應(yīng)用在球形鍵合第一焊點(diǎn)中。鍵合剪切力公式為：FBSS = RBSR/(DBCD2/4)，其中FBSS 為剪切力(Ball Shear Stress)；RBSR為剪切讀數(shù)(Ball Shear Reading)；DBCD 為截面球直徑(Ball Contact Diameter)(如圖4.7)。剪切力測(cè)試可能會(huì)因?yàn)?/p>

30、測(cè)試環(huán)境不同或人為原因出現(xiàn)偏差，有人曾介紹了一種簡(jiǎn)化判斷球剪切力的方法，提出簡(jiǎn)化鍵合參數(shù)（RBP）的概念，即RBP=powerA×force-B×timeC， 其中A，B，C 為調(diào)整參數(shù)， 一般取0.80，0.40，0.20。圖4.5 鍵合拉力試驗(yàn)圖4.6 鍵合推力試驗(yàn)圖4.7 截球面直徑5. 提高鍵合可靠性 5.1提高球形鍵合可靠性1 控制第一焊點(diǎn)可靠性影響第一鍵合點(diǎn)可靠性的因素有很多，在諸多因素中，焊球與金屬線的直徑比對(duì)第一焊點(diǎn)的鍵合質(zhì)量影響最大、最為直觀，起著決定性的作用。通過調(diào)整鍵合工藝參數(shù)，即超聲波功率和壓力、時(shí)間、溫度等，以滿足焊球與金屬線的直徑比為2.55 倍的要求，并使焊球與芯片電極達(dá)到共融的理想結(jié)果，其鍵合點(diǎn)側(cè)向截面如圖5 .1所示。為使焊球與金屬線的直徑比滿足2.55 倍的要求，金屬線直徑的選擇須考慮芯片電極的大小，例如直徑為101.6 m 的電極，最好是選用直徑為25.4 m的金屬線。圖5.2 為較粗金屬線與較小芯片電極鍵合的失配情況，為提高鍵合質(zhì)量采用加粗金屬絲，但因焊球與金屬線的直徑比不能達(dá)到要求，使其可靠性反而不如一般未加粗情況的鍵合狀態(tài)。 圖5.1 球形鍵合焊球截面 圖5.2球形鍵合焊球最小2 提高二焊點(diǎn)可靠性球形鍵合第二焊點(diǎn)為楔形鍵合，其可靠性一般較第一焊點(diǎn)的球形鍵合低，在封裝應(yīng)力