金絲球焊技術(shù)的基本原理和判別焊接質(zhì)量的方法介紹

摘 要：

本文介紹了金絲球焊技術(shù)的基本原理和判別焊接質(zhì)量的方法，分析了超聲波的功率、焊接壓力、作用時(shí)間、焊接溫度等參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響，找出設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)試方法。

1 引言

金絲球焊是目前半導(dǎo)體器件芯片封裝焊接工藝中最具代表性的焊接技術(shù)，焊接過程通過熱、超聲、壓力的共同作用形成，工藝參數(shù)調(diào)試得當(dāng)與否直接影響到封裝器件的質(zhì)量和可靠性。本文將通過工藝實(shí)驗(yàn)對(duì)球焊工藝的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行研究，找出關(guān)鍵工藝參數(shù)的調(diào)試方法。

2 金絲球焊工藝

（1）金絲球焊工藝過程

本 文 研 究 球 焊 工 藝 所 用 設(shè) 備 為目前半導(dǎo)體器件封裝生產(chǎn)線主流設(shè)備K & S4524金絲球焊機(jī)。球焊機(jī)主要由超聲電源、換能器、送線機(jī)構(gòu)、劈刀、溫度可控的夾具組成，焊接過程如下：焊接時(shí)金絲通過中空的劈刀到達(dá)劈刀尖，留出可控制長(zhǎng)度的尾絲，打火桿動(dòng)作，由EFO 系統(tǒng)產(chǎn)生高壓對(duì)尾絲放電產(chǎn)生電火花，高溫瞬間熔化金線的尾絲端部，由于表面張力的作用，熔化的尾絲端部迅速凝固形成金球，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工藝推薦和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，金球的直徑一般控制為2～3倍金線直徑；

在超聲焊接時(shí)，Z軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)將控制劈刀下降至芯片上方，根據(jù)事先設(shè)定的壓力將金球壓在鍍金的引腳和芯片焊盤上，同時(shí)啟動(dòng)超聲電源，電功率通過換能器轉(zhuǎn)換成縱向或橫向的機(jī)械震動(dòng)能量，這種高頻的機(jī)械震動(dòng)促使金球或金絲與芯片電極的鍍層金屬之間發(fā)生形變和金屬原子的相互擴(kuò)散，在預(yù)設(shè)的焊接時(shí)間結(jié)束即完成第一焊點(diǎn)的焊接，焊頭可運(yùn)動(dòng)到第二焊點(diǎn)位置，由于二焊沒有金球，進(jìn)行的是楔形焊接，通過劈刀尖的圓弧倒角對(duì)金線施加壓力，以楔形焊接的方式完成第二焊點(diǎn)，之后劈刀升起，尾絲控制系統(tǒng)將控制線夾完成扯絲，金絲將在二焊焊點(diǎn)被扯斷，劈刀回到初始位置，金絲將被精確預(yù)留到預(yù)設(shè)的尾絲長(zhǎng)度，系統(tǒng)啟動(dòng)EFO 系統(tǒng)對(duì)金線尾絲打火成球，等待下一個(gè)焊接循環(huán)過程。

（2）金絲球焊工藝質(zhì)量評(píng)估

判斷球焊質(zhì)量的重要指標(biāo)包含：焊球的高度、焊球的尺寸、拉力測(cè)試、一焊剪切力測(cè)試。

所謂的焊球高度，是指壓扁在焊盤上的金球高度；而焊球尺寸為焊接時(shí)打在焊墊上的金球所占焊墊的面積大小，一般要求球的尺寸為3~3.5倍線徑。這些焊點(diǎn)形貌參數(shù)主要通過顯微鏡目測(cè)來完成。通過顯微鏡目測(cè)，還可以發(fā)現(xiàn)焊點(diǎn)各種缺陷而確定焊接質(zhì)量是否滿足要求。

拉力測(cè)試主要采用拉力測(cè)試設(shè)備，如美國(guó)D A G E公司的4000PX Y 型拉力測(cè)試儀，該類設(shè)備具備最大值、最小值、平均值、去高低平均值、中位數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、總體標(biāo)準(zhǔn)差、Cpk值等多種統(tǒng)計(jì)功能，該測(cè)試是一種破壞性的測(cè)試，是考核焊線工藝質(zhì)量重要的測(cè)試項(xiàng)目，也是目前封裝焊線工藝普遍采用的評(píng)估項(xiàng)目。測(cè)試從線弧的最高點(diǎn)垂直、勻速向上鉤金絲，測(cè)試金絲斷掉時(shí)所用的最大拉力。

一焊剪切力測(cè)試同樣采用DAGE4000，將拉鉤換成推刀，設(shè)定推刀距離焊點(diǎn)底部3μm ~5μm ，水平方向勻速推動(dòng)焊球，完全推掉焊球所需的力將被設(shè)備記錄，作為判斷焊點(diǎn)著附的能力的重要依據(jù)，在推掉的芯片電極上，焊球的金殘留物的多少被同時(shí)要求關(guān)注，如果推刀通過以后，電極表面無任何金屬殘留，這就意味著此次焊接沒有形成原子擴(kuò)散，焊接質(zhì)量不能保證，必須微調(diào)相應(yīng)參數(shù)來加以改善，根據(jù)推刀距離焊點(diǎn)底部的距離，金屬殘留物要求在20% ~25%以內(nèi)，被判定推力測(cè)試數(shù)據(jù)有效，焊點(diǎn)合格。

3 影響金絲球焊工藝的因素及分析

在焊接過程中，由于參數(shù)調(diào)試不當(dāng)，劈刀、溫度等硬件參數(shù)發(fā)生變化，容易出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題，而影響器件的封裝及器件性能。在生產(chǎn)實(shí)踐中總結(jié)出影響焊線工藝的因素如下：

（1）影響第一焊點(diǎn)因素

金絲球焊機(jī)一焊是在金線有球的情況下對(duì)準(zhǔn)焊墊進(jìn)行焊接，該過程工藝控制較為容易，對(duì)第一焊點(diǎn)的工藝要求有：金球成型好，尺寸比例合理；與電極的結(jié)合力到達(dá)最大；金球尺寸與電極大小配套；金球頸部條件完好。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，對(duì)上述工藝要求產(chǎn)生影響的主要因素有：金絲球焊機(jī)預(yù)設(shè)的超聲功率、焊接壓力、作用時(shí)間和熱臺(tái)溫度；所焊芯片的金屬鍍層平整度、致密度、表面清潔度；劈刀的選型，一定直徑的金絲要有相應(yīng)的劈刀與之匹配。

（2）影響第二焊點(diǎn)因素

對(duì)第二焊點(diǎn)的工藝要求有：契型形狀完整，對(duì)稱；與焊墊的結(jié)合力到達(dá)最大；焊界面有合理的材料厚度；焊面和線體之間的過渡區(qū)成型良好。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，對(duì)上述工藝要求產(chǎn)生影響的主要因素有：金絲球焊機(jī)預(yù)設(shè)的超聲功率、焊接壓力、作用時(shí)間和熱臺(tái)溫度；所焊芯片的金屬鍍層平整度、致密度、表面清潔度；劈刀的選型，一定直徑的金絲要有相應(yīng)的劈刀與之匹配。

（3）影響金線打球的因素

對(duì)打球工藝要求有：燒出球的尺寸、形狀（太小的球容易堵塞劈刀，太大的球容易造成燒球過程中金線和打火桿之間短路）。影響金絲打球的因素主要有：金線尾絲長(zhǎng)度；打火桿與尾絲的距離；金球球徑的設(shè)置；EFO 工作的穩(wěn)定性，金線的質(zhì)量。

4 關(guān)鍵因素對(duì)焊接工藝的影響

（一）工藝參數(shù)

焊接壓力、超聲功率、超聲作用時(shí)間對(duì)球焊工藝影響十分大，通過改變工藝參數(shù)，研究焊點(diǎn)合格率，找出合適的工藝參數(shù)范圍。

1 焊接壓力

通過壓力的作用將焊線與焊接位置緊密接觸；控制球或線在固定的位置準(zhǔn)備進(jìn)行能量的傳遞；破壞焊接表面的污染。壓力設(shè)置不當(dāng)會(huì)造成以下幾種不合格焊接的情況：設(shè)置的壓力參數(shù)過小或者焊墊表面質(zhì)量問題，在焊接的過程中致使焊點(diǎn)不牢，易脫落。設(shè)置的壓力參數(shù)過大，在焊線的時(shí)候可能對(duì)金線有損傷，進(jìn)行下一個(gè)焊點(diǎn)焊接的時(shí)候引線被拉斷；過大焊接壓力的會(huì)造成焊點(diǎn)印跡較深，也會(huì)阻礙劈刀的超聲震動(dòng)，造成超聲能量不良傳導(dǎo)，過度損耗而影響焊接焊接質(zhì)量。

將焊接壓力進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試分析，通過顯微鏡目測(cè)和對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。壓力設(shè)置范圍為0~100，對(duì)應(yīng)焊接壓力為0g~100g。超聲功率設(shè)定為45% ，焊接溫度150度，焊接時(shí)間50m s。壓力變化最終造成了合格率的變化。

根據(jù)圖1得知，焊接壓力設(shè)定在50~70將能得到較高的合格比率。

（b）超聲功率

超聲功率通過換能器將超聲能量轉(zhuǎn)換成垂直和水平方向的機(jī)械震動(dòng)能量，在高頻機(jī)械震動(dòng)過程中，金線和焊接表面的金屬層將變松軟；機(jī)械摩擦產(chǎn)生熱能；金屬原子將相互游離、滲透形成合金。在焊接過程中，超聲功率直接影響焊點(diǎn)的形變，調(diào)節(jié)超聲功率，可以明顯觀察到焊點(diǎn)形狀的變化，同時(shí)也影響到焊點(diǎn)附著情況；超聲功率過小，將無法使金屬變軟，焊點(diǎn)會(huì)變窄，甚至無法形成合金，不能形成焊接。

超聲率過大會(huì)使金球變形加劇，致使根部斷裂、焊點(diǎn)塌陷或者芯片焊盤破裂，形成肉眼無法觀察到的焊接缺陷，降低產(chǎn)品性能。將超聲功率進(jìn)行單獨(dú)調(diào)試分析，通過顯微鏡目測(cè)和對(duì)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。功率設(shè)置范圍為0~100% 。超聲功率設(shè)定為45，焊接溫度150℃，焊接時(shí)間50m s。功率變化造成了合格率如圖2所示的變化趨勢(shì)。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)得知，超聲設(shè)定在40% ~80% 將能得到較高的焊接質(zhì)量合格比率。

由于超聲功率和焊接壓力是兩個(gè)相互影響的焊接參數(shù)，在工藝參數(shù)調(diào)試過程中，功率調(diào)節(jié)往往需要配合壓力調(diào)節(jié)才能達(dá)到很好的效果，增大功率，需要適當(dāng)增加壓力才能滿足換能器對(duì)超聲能量的完全傳遞。

（c）超聲作用時(shí)間

一般來說，太短的作用時(shí)間無法形成良好的合金，達(dá)不到焊接效果。超聲作用時(shí)間越長(zhǎng)，金球吸收的超聲能量越多，焊點(diǎn)的形變就越大，原子擴(kuò)散就越充分，焊點(diǎn)附著力就越強(qiáng)，但由于形變?cè)黾?，金線到焊點(diǎn)的頸部強(qiáng)度將降低，可能造成拉力測(cè)試不過關(guān)。過長(zhǎng)的超聲時(shí)間，金球形變還會(huì)使焊點(diǎn)尺寸過大，可能超出電極形成空洞造成附著強(qiáng)度下降。

作用時(shí)間長(zhǎng)也會(huì)造成金線溫度升高，會(huì)使頸部區(qū)域發(fā)生退火現(xiàn)象，使金線到焊點(diǎn)的頸部區(qū)域韌性變差，這是焊線斷絲的主要原因。所以要根據(jù)焊接實(shí)際情況設(shè)定合適的作用時(shí)間，作用時(shí)間一般控制在幾到幾十毫秒內(nèi)。

（d）焊接溫度

焊接溫度指的是夾具提供的溫度，一定的溫度可以金屬原子運(yùn)動(dòng)加快，使焊接過程更容易實(shí)現(xiàn)，由于焊接瞬間也會(huì)產(chǎn)生高溫，所以焊接工藝需要適當(dāng)?shù)膴A具溫度，考慮到器件本身和焊接強(qiáng)度的要求，夾具溫度不宜過高。過高的溫度會(huì)產(chǎn)生過多的氧化物影響焊接質(zhì)量。焊接溫度的大小還取決于金線的線徑大小，越粗的金線對(duì)溫度的要求就越明顯。

（二）劈刀

4524金絲球焊機(jī)所選用的劈刀是毛細(xì)管陶瓷劈刀。劈刀尖的幾何尺寸直接影響焊接工藝質(zhì)量，劈刀孔徑過大容易造成一焊打偏，使頸部變得薄弱而影響拉力，也容易形成變形球，不易粘著?？讖竭^小可能導(dǎo)致金線走線不暢，而使線弧緊繃，一焊粘著力差，劈刀提升時(shí)容易造成頸部斷裂。

劈刀尖外徑過大在焊接焊點(diǎn)間距較小的工藝時(shí)容易撞到前一根線弧，外徑過小會(huì)使二焊與焊接表面接觸偏小，二焊拉力差。劈刀空內(nèi)倒角過大容易造成焊點(diǎn)脫落，且容易在焊接面上形成明顯的印跡，劈刀孔內(nèi)倒角過小的容易過早地切斷線尾而使EFO 開路，無法完成燒球動(dòng)作。

所以要形成好的焊點(diǎn)形貌，首先在于選擇合適的劈刀，根據(jù)設(shè)備廠家的推薦和大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，相對(duì)與某型號(hào)的金絲，劈刀孔徑選擇應(yīng)控制在金線直徑+（5um ~8um ）范圍之內(nèi)，劈刀孔內(nèi)倒角選擇應(yīng)控制在劈刀孔徑+（5um ~10um ）范圍之內(nèi)。

其次要考慮到劈刀磨損情況。經(jīng)過對(duì)工藝的跟蹤發(fā)現(xiàn)，劈刀尖磨損對(duì)一焊二焊的焊接質(zhì)量有明顯的影響，這是因?yàn)榕都饽p后造成劈刀尖外圓弧倒角、FA （face angle）及劈刀空內(nèi)倒角等關(guān)鍵尺寸參數(shù)發(fā)生變化。劈刀端面的磨損，導(dǎo)致在鍵合過程中金絲金球表面壓痕參差不齊，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響金球以及楔形焊點(diǎn)的粘著能力，導(dǎo)致焊點(diǎn)性能下降。

劈刀的材料是陶瓷，具有一定使用壽命，使用次數(shù)越多，劈刀尖表面會(huì)造成越嚴(yán)重的沾污和磨損，焊接時(shí)，焊點(diǎn)表面變得高低不平，焊接質(zhì)量下降，直接影響到器件封裝的合格率和性能的穩(wěn)定性。所以在球焊工藝管理工作中要對(duì)劈刀使用時(shí)間和焊點(diǎn)質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和監(jiān)測(cè)，掌握劈刀使用周期，必要時(shí)地對(duì)劈刀進(jìn)行清洗處理或者更換。

劈刀安裝的位置和固定劈刀的力都會(huì)對(duì)劈刀尖部超聲波的諧振造成影響，一些球焊設(shè)備會(huì)對(duì)換能器換能效率進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，如果劈刀固定不當(dāng)，系統(tǒng)會(huì)亮起報(bào)警燈進(jìn)行提示，提示操作者重新固定劈刀。

（三）金線

半導(dǎo)體器件級(jí)封裝工藝目前采用的金線大多直徑為25um ~30um ，作為焊接所需的重要原材料，所選擇的金線要具備這樣幾個(gè)特性：良好的導(dǎo)電性能；具有一定的強(qiáng)度和韌性，太軟的金絲不能形成好的拱絲線弧，焊線過程中容易斷絲，焊點(diǎn)形變不一致；要有合適的扯斷力，能順利完成焊線過程；純度一般為99.99% 。

在使用過程中還應(yīng)盡量避免手指接觸金線而污染金線，否則會(huì)導(dǎo)致自由金球形成不良；也要避免鑷子等硬物對(duì)金線造成劃傷而影響焊接質(zhì)量。一般要求金線使用期限為6個(gè)月，超出期限的金線容易出現(xiàn)污染氧化而導(dǎo)致焊接不良。

（四）被焊接表面情況

芯片電極的金屬鍍層質(zhì)量是影響焊接工藝的一個(gè)重要因素，要求鍍層厚度均勻，表面平整，無顆粒感，具有良好的可焊性，如達(dá)不到要求，會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)附著不牢實(shí)，容易形成空洞和虛焊，所以焊接工藝開始前要對(duì)芯片及管殼電極引腳進(jìn)行清掃，清除各種沾污；要注意待焊器件的存儲(chǔ)環(huán)境的溫度和濕度，防止被焊表面被氧化而影響焊接工藝。

結(jié)論

金絲球焊工藝是由超聲、壓力、作用時(shí)間等工藝參數(shù)共同作用實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)還受包括夾具溫度、金絲、被焊表面等許多因素之間相互關(guān)聯(lián)影響，只有通過選擇合適的焊接工具、焊接材料、調(diào)整最優(yōu)的工藝參數(shù)，在細(xì)節(jié)上進(jìn)行多方面全方位的控制才能保證產(chǎn)品的質(zhì)量，提高球焊工藝的合格品率，確保滿足運(yùn)用的可靠性。

審核編輯：劉清