原创 热声焊机在电子封装业中的应用

1 引言

电子封装作为保证集成电路最终电气、光学、热学和机械性能的关键环节，随着芯片输入，输出密度不断加_人、速度不断加快的趋势，技术难度不断提高，在半导体制造成本中所占的比例逐渐增加，已经成为制约半导体工业发展的瓶颈之一。半导体封装内部芯片和外部管脚的连接起着确立芯片和外部的电气连接、确保芯片和外界之间的输入、输出畅通的重要作用，是整个后端封装过程中的关键。

丝焊(Wire Bonding)是目前半导体封装内部代表性的连接方式。丝焊工艺具有高可靠性，高品质，工艺成熟，操作简单，成本低廉等优点，目前广泛应用于微电子封装领域，在世界半导体元器件行业中，90％采用丝焊技术。丝焊的质量、可靠性直接决定了微波器件、组件的性能和寿命。

2 丝焊

2．1 丝焊工艺

丝焊工艺可分为：热压焊、超声波焊和热声焊等3种工艺。

热压焊：基板加热到300℃左右，通过塑性变形破坏电极表面的氧化膜而与电极部位接合。由于高温长时间加热易生成劣质的金属间化合物，因此一般键合时温度尽量要低，焊接最好在短时间内完成。目前已基本不采用这种工艺。

超声波焊：在施加压力的同时，在被焊件之间产生超声频率的弹性振动，破坏被焊件之间界面上的氧化层，并产生热量，使两固态金属牢固键合。超声波焊在焊接时不需加电流、焊剂和焊料，对被焊件的理化性能无影响，也不会形成任何化合物而影响焊接强度。

热声焊：在超声波焊的基础上，采用对加热台和劈刀同时加热的方式，可增强塑性变形，增强了金属间原始交界面的原子相互扩散和分子(原子)间作用力，实现金丝的高质量焊接。热声焊是一种固态键合技术，不同于完全的熔焊。它可完成电路片与芯片、腔体之间的电连接。 这3种方式各有特点，也有各自适用的产品。但由于热声焊可降低焊接温度，提高焊接强度，有利于器件可靠性等优点，热声焊已取代了热压焊和超声波焊，成为丝焊的主流方式。

2．2 丝焊形式

丝焊有2种基本形式：球焊(ball bonding)与楔焊(wedge bonding)。

球焊：金属线从空心毛细管劈刀穿出，然后经过电弧放电使伸出部分熔化，并在表面张力作用下成球形，然后在劈刀的压力、加热、超声的作用下将球压焊到芯片的电极上，为第一球焊点，然后将劈刀移到第二个焊点的相应位置上，劈刀切断金丝的同时热声焊接第二点，然后又形成另一个新球循环。

楔焊：用楔形劈刀将热、压力、超声传给金属丝在一定时间形成焊接，过程中不出现焊球。

2．3 丝焊材料

在丝焊过程中使用的材料主要包括劈刀和金属丝。

2 ．3．1 劈刀

丝焊所使用的劈刀主要有2种，楔焊所使用的劈刀叫楔形劈刀，在劈刀尾部有一个呈一定角度的进线孔(如图1所示)；球焊所使用的劈刀叫毛细管劈刀，它是轴形对称的带有垂直方向孔的劈刀(如图2所示)。劈刀的尺寸影响丝焊的质量，因此劈刀的选择是非常重要的。

2．3．2 金属线

金属丝性能要求：尺寸精度要高且均匀、不弯曲：表面光洁，没有沾污，没有伤痕；具有规定的拉断力和延伸率；焊接时焊点没有波纹：球焊时熔球的正圆度要高。

目前，最常用的是金线和铝线。其直径为：25～30 μm。

由于金线在热压下更容易变形，在电弧放电下更容易成球形而且不易氧化，故在球焊中广泛使用。同时，由于完成压焊之后，金的特性较稳定，故在微波器件、组件中，金线的楔焊用处最广。铝线则用于封装或PCB不能加热的场合，费用低。图3所示为金丝楔焊的样品，图3(a)为金丝楔焊的第1个焊点，图3(b)为标准的金丝楔焊，图3(c)是四周有金丝楔焊的样品。

3 热声焊工艺

3．1 楔焊工艺流程

基本的楔焊工艺包括以下步骤：第一点焊接线(通常在芯片上)弧成形第二点焊接(通常在引线框架/基板1，图4给出了楔焊的工艺步骤。

3．2 工艺参数对丝焊质量的影响

对丝焊质量影响的工艺参数主要有超声功率、压力、超声时间、加热温度等。

3．2．1 超声功率对丝焊的影响

超声功率是热声焊的基本条件。焊接时依靠超声功率使劈刀振动，从而使金丝塑性形变和去除焊接交界面的氧化层，使焊点实现真正的键合。超声功率过小，氧化物去除不干净，会焊接不牢固；超声功率过大，焊点变形过大，焊接同样不牢固。

3．2．2 压力对丝焊的影响

施加压力的目的是为了使金丝与镀金层或芯片焊盘紧密地接触。

压力过小，劈刀不能牢固地压住金丝，超声功率不能传递到金丝与镀金层或芯片金属层的交界面上，不能产生相对摩擦去除氧化层，以至焊接不牢固；压力过大时，金丝的变形增大，会使金丝焊断、破坏镀金层芯片焊盘。

3．2.3 超声时间对丝焊的影响


超声时间是热声焊的重要条件。在一定的超声功率与压力的情况下，超声时间太短，焊点处的金丝与镀金层或芯片焊盘表面的吸附层和氧化层还没有被清除，或者还没有形成原子问的键合振动就停止了，这样会造成焊接不牢固的现象；超声时间太长，焊点变形人，焊接同样不牢固。

3．2．4 加热温度对丝焊的影响

对被焊接件、劈刀进行加热，对焊接具有双面影响。如果加热温度过高，会损坏对温度敏感的管芯，塑性形变使焊点变形过大，而且金丝的晶粒会长大，对可靠性有影响；温度过低，不利于焊接表面的相互扩散，可能出现焊接不上的现象。

除了工艺参数对丝焊的质量有影响外，还有一些因素也对丝焊的质量有影响，比如说：环境，设备放置的是否中平稳、有无振动，厂房的洁净程度、温度湿度；金属线的成分、延伸率、破断强度；设备使用人员的动作技巧、情绪疲劳程度等。

4 热声焊机

4．1设备功能

二所研制的热声焊机是采用超声的同时加热、加压完成丝焊，实现了金丝的楔焊。热声焊机具有45°和90°二种送丝装置，具有多点焊接、深腔焊、软接触功能，满足半导体、混合电路和微波器件、组件制造的特殊需求。

图5所示为二所研制的热声焊机，设备采用PLC+触摸屏的控制方式，参数设置灵活，可存储30组工艺参数，z轴方向垂直移动(焊接头上下垂直移动，无翘动)，可焊接高度不同的焊接件，加热台可360°任意旋转，操作灵活方便。

热声焊机主要性能指标：

焊接金丝范围：18～40 μm

超声频率：63 kHz

最人超声功率：1 W

超声时间：10～999 ms

最大焊接压力：39 500 Pa

加热台最高温度：200℃

控温精度：±1℃

键合强度：满足GJB548A-96方法201lA要求

工作台尺寸：250 mm×250 mm

工作台高度调节：0～20 mm

外形尺寸：750 mm×796 mm×415 mm

质量：50 kg

劈刀加热温度采用旋钮来控制，选用了有刻度的多转拨盘(范围为0～10)，图6所示为大量试验数据得出的拨盘刻度与温度的对应关系图。加热台的温度控制采用温控仪来控制，图7所示为加热台设定温度为140℃时，加热台温度和时间的关系图，大约10 min就可达到稳定。

4．2 设备应用

热声焊机目前通过多家用户的大量使用证明，热声焊机实现了金丝的楔焊，达到了批量生产的要求，满足微波器件、组件制造的需要。

表1 给出的是用户产品上的焊线（25μm金丝）用测力仪进行破坏性拉力测试的数据。

5 结束语

丝焊是微电子封装工序中的关键，是在当前和未来一段相当长的时间内半导体封装内部连接的主流方式。

二所研制的热声焊机实现了金丝的楔焊，有45°和90°二种送丝装置，具有多点焊接、深腔焊、软接触功能，设备通过多家用户的大量使用，验证了热声焊机能实现金丝的楔焊，满足了用户的要求。

为满足客户的不同需求，热声焊机己进行了系列化的改进，目前分为细丝(金丝直径：18～40 μm)、粗丝(金丝直径：40～100 μm)、金带(100～500μm宽，25μm厚)3种规格。