金丝球焊制作焊接凸点的工艺参数分析

田知玲，夏志伟，闫启亮

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

金丝球焊机（见图1）是一种打点连线的设备，应用于芯片与外部的引线连接。利用凸点同时实现电气和机械连接。金丝球焊机可以制作凸点以起到固定连线的目的，而且凸点的直径大小可以调节。利用金丝球焊机生产的凸点作为倒装焊的凸点，将其制作在功率型LED的基板上，既减少了传统制作凸点方法中复杂的技术过程，又增强了焊接的灵活性和精度[1]。生产周期缩短，而质量不会降低，增加倒装焊的竞争力，使这项技术更富有生命力。

1 凸点制作

图1 金丝球焊机

金丝球焊可以根据焊接芯片，进行打点设计，完全按照已有的模型自由灵活地制作凸点。可以根据具体产品设计凸点制作模式，分配凸点的个数、密度、距离、大小，既保证器件焊接后的电学特性和机械强度，又节省了材料，减轻了工作量。

功率型LED采用的是6倍线径的凸点，利用金丝球焊机进行凸点制作（见表1，其中δ是一常量，其固定值为δ=3.14μm），将基板放在热台上，打开气阀，使基板固定，在参数控制模块选择测试触发，按住摇杆上的触发键，移动劈刀到要焊凸点部位的上方，测试劈刀高度，这一步骤是为了避免损坏劈刀。退出程序进行打点，线夹开关打开，金线下送，打火杆产生瞬间高电压，使金丝成球，按住触发键，移到要打点的部位上方松开，在热超声的作用下，凸点焊接在基板上，劈刀水平移动，产生一个横向切力，使金线在凸点尾部断开，完成打点（过程见图2）。设备本身有热台，但是要靠超声的帮助完成打点过程，在一瞬间产生高电压，使金线熔化，然后加热超声使其粘在基板上。金丝球焊机参数设置可调，凸点直径可调，满足不同芯片的要求。

表1 金丝球焊机参数设置

图2 金丝球焊的过程

2 工艺参数分析

金丝球焊制作凸点的关键是参数的设置，由于设备的传动累积误差会造成凸点尾线过长，甚至有拖线现象，即在尾线的上面仍有一段线体存在，这易造成焊接不牢固，甚至产生短路现象，使得封装失败，造成LED芯片损坏。所以需要反复测试具体参数[2]，从中选择最佳焊接值完成焊接。制作凸点时工艺规格通常包括凸点高度、线尾长度、超声功率、超声时间、焊接压力、热台温度等。

2.1 凸点高度

显示在凸点高度参数不同时，凸点的大小形状也不同，参数设置如2表所示，可见凸点高度的变化决定尾线的长短，即凸点的形状，当达不到一定高度时（<10δ），凸点不出现尾线，呈扁平状分布，平塌在基板上，（如图3a所示）。当设定的凸点高度超过一定值（>20δ），虽然尾线出现，但是有明显的拖线情况，（如图3c所示）。最佳选择应是凸点高度在20δ附近，这时出现尾线，凸点成规则状，达到一定强度，又不至于拖线过长（如图3b所示），凸点高度参数改变实测凸点数值如表3所示。

凸点高度设置低，则金线送出量过少，在尾线没有出现时，金线劈刀在水平移动时产生的横向切力就使得金线断开，造成整个凸点不具有明显的立体形状，在焊接过程中，这种扁平的凸点焊接力弱，可靠性差，起不到连接作用；凸点高度设置过高，金线送出多，劈刀抬起慢，金线不能及时拉断，平移时产生的尾线过长，凸点有可能出现拖线现象，焊接时造成短路，降低了器件的可靠性。

表2 凸点高度参数选择

表3 凸点高度参数实测凸点数值

2.2 线尾长度

不同的尾线长度也决定凸点形状。参数设置表如4所示，当尾线长度设定过短（<20δ），则金线供给量不足，凸点的底座将出现薄厚不均，劈刀的横向移动使尾线受力不均，可能出现拖线现象（如图4a所示）。尾线超过一定值（>30δ），金线长劈刀抬起过晚，则出现严重拖线情况（如图4c所示）。正常情况下，尾线长度选择25δ附近，此时凸点底座均匀且尾线不拖线，凸点成球状，（如图4b所示），实测数据如表5所示。

尾线长度若设置过小，劈刀送线时间短，送线量少，高电压下凸点成球小且扁平，这样凸点在焊接时焊接力不够，机械强度低，可靠性差，焊接效果不佳，同时由于送线量少，劈刀过早抬起，尾线横向切力不均匀，造成尾线长短不一，不规则，出线拖线现象。拖线的出现，一是使封装可能出现短路现象，封装不可靠；二是LED芯片焊接不牢固，降低封装强度。

图3 凸点高度改变时凸点的形状

若尾线设置过长劈刀抬起慢，高电压下金线成球大，不均匀，尾线过长，甚至严重拖线，使封装失败。

表4 线尾长度参数选择

表5 线尾长度参数改变实测凸点数值

图4 线尾长度改变时凸点的形状

2.3 超声功率

由于热台的温度不可能无限升高，而一般金的熔点在1000℃以上，金点的焊接时是靠加超声将金点熔化。参数设置如表6所示，超声功率的大小也决定凸点形状。超声的功率低于一定值（<50mW），超声作用不明显，已经在高电压下成球的金点熔化慢，在基板上形成的凸点较小，粘合不牢固，不能形成较明显的尾线，但形状相对规则（图5a所示）。当功率超过一定值时（>150mW），由于功率过大，使得金点熔化过块，在基板上形成的凸点过大，且凸点扁平，不凸起，呈一平面平铺在基板上，尾线不规则，（图5c所示）。功率恒定在100mW，此时在基板上形成的凸点大小适宜，成明显立体状，且尾线均匀，规则分布，（图5b所示），超声功率参数改变实测如表7所示。

超声功率小，金点在焊接到基板上时熔化少，此时在基板上形成的纯金凸点的直径过小，焊接时焊接强度低，LED芯片焊接的可靠性差，使用寿命减少；设置大功率超声波，超声波造成金分子快速运动，球状金点熔化速度加快，在超声压力作用下，金点成饼状粘在基板上，这样的凸点进行倒装焊接时，焊接机械强度低，可靠性差。由于金点熔化量增加，金线在超声作用下，形状和延展性发生变化，不再是均匀的线体。断线时尾线不规则，可能出现拖线现象，这会使LED焊接时出现短路情况。

表6 超声功率参数选择

表7 超声功率参数改变实测凸点数值

图5 超声功率改变时凸点的形状

2.4 超声时间

金线的熔点很高，热台的温度不可能加热到1000℃以上，在瞬间的高电压下，金线被制成金点，只有同时加超声作用，使分子运动加速，凸点才很容易焊在基板上，超声时间的作用是使在高电压下形成的金点快速熔化，最终牢固地焊接到基板上。超声时间参数选择表如8所示：加超声时间过短（<20ms），金点熔化较少，在基板上形成的凸点较小，焊接力低，焊接时机械强度差，尾线不易断，出现长拖线，（图 6a所示）。时间过长（>60ms），金点迅速、大量熔化，基板上形成的凸点过平，呈扁球状平铺，面积大，不凸起，，不易焊接，焊接时机械强度低，不能体现出很好的电学特性（图6c所示）。当恒定超声时间在30ms时，基板上形成的凸点为规则球状，而且很少拖线，（图6b所示）。超声时间参数实测凸点数值如表9所示。

表8 超声时间参数选择

表9 超声时间参数改变实测凸点数值

2.5 焊接压力

焊接压力是在金线形成金点后，焊在基板形成为纯金凸点的过程时，外加一个向下的力，可以使纯金凸点更牢固地粘合在基板上。焊接压力参数选择如表10所示：当压力过小（<0.2MPa），外界给力不够，而且本身粘合力小，凸点不能很好地粘在基板上，但相对均匀（图7a所示）。当压力过大（>0.6MPa），凸点被压得扁平，完全平铺在基板上（图7c所示）。正常情况选择0.4MPa压力，这是的凸点大小合适，既保证了粘合力，有使凸点呈球状，便于焊接（见图7b所示）。参数实测凸点数值如表11所示：焊接压力过低，纯金凸点在基板上的粘力不够，虽然产生的凸点形状均匀，但焊接强度低，在封装时可能造成凸点脱落；焊接压力过大，金点将被压平，焊接后可靠性下降。

图6 超声时间改变时凸点的形状

表10 焊接压力参数选择

表11 焊接压力参数改变实测凸点数值

图7 焊接压力改变时凸点的形状

2.6 热台温度

热台温度和拖线情况有密切联系（图8，a、b、c所示）。参数设置如表12所示：当热台温度越高，拖线情况越明显。当热台温度升高时，金线变得更软，延展性更好，所以当温度升高时，由于劈刀本身精度不高，当劈刀水平移动时，劈刀不能很快地将延展性很好的金线割断，造成尾线拖线严重。温度过低（<100℃），劈刀上金点焊在基板上形成凸点过小，不易焊接。我们通常采用100℃左右的热台温度。

表12 热台温度参数选择

表13 热台温度参数改变实测凸点数值

图8 热台温度改变时凸点的形状

凸点的形状与凸点制作的参数有密切的关系，必须对工艺参数建立有效的控制手段，只有准确地设置参数，才能在基板上制成更完美的凸点，保证最后的焊接质量。如果参数设定不合适，可能使尾线过长出现拖线情况，或者凸点过小不能保证焊接强度，使封装失败。只有提高凸点质量，保证凸点大小形状规则，才能保证封装的可靠性，提高封装的质量[3]。

3 结束语

本文着重介绍了金丝球焊接技术的关键—凸点的制作工艺实验分析，通过固定参数的实验分析，得出利用这种方法制作凸点一系列最佳参数：凸点高度、线尾长度、超声功率、超声时间、焊接压力以及热台温度等参数，利用这些参数在基板上制作出的凸点，完成引线键合，实现功率型LED焊接有更高的可靠性，更佳的电和热传导率，更大机械强度。

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[1]张如明.凸点实现的倒装焊推进微电子封装技术的发展.微电子，2002，11：39-41.

[2]张彩云，霍灼琴，高敏，张晨曦.采用热压焊工艺实现金凸点芯片的倒装焊接.电子工艺技术，2008，29（1）：27-29.

[3]王水弟，蔡坚，谭智敏，等.用于圆片级封装的金凸点研制.半导体技术，2004，29（4）：27-31.