自动金丝球焊工艺中第一键合点成球缺陷分析*

王姜伙，金家富

（中国电子科技集团公司第38研究所，合肥 230088）

1 引言

目前，集成电路先进后封装过程关键技术中，封装管脚90%以上采用引线键合技术。所谓引线键合技术，是指以极细的金属引线（通常选择延展性好的金、铝）的两端分别与芯片和管脚键合，形成电气连接的技术。其中金丝具有良好的导电性，能抗蚀抗氧化，而微波电路又多使用砷化镓芯片，其电极表面也是金，故金丝是最理想的互连材料[1]。

2 键合原理

引线键合技术[2]分为三步：一是用外力将焊丝压倒在焊接区的表面上；二是提供焊接能量，热压焊用热能、超声焊用超声能量、热超声焊使用超声能和热能的组合；三是施加压力和能量后使金属表面产生塑性变形与分子扩散，从而使两种金属牢固地焊接在一起。单根键合引线的形成过程如图1所示[2]。

图1 引线键合过程

3 缺陷描述及分析

实施自动引线键合过程中发现第一键合点出现成形不良的问题，具体为第一点成形不良，有时出现第一点成球不均匀，有时会出现第一点线尾过长，如图2所示。调用手动模式进行单线键合时，上述现象没有出现。

图2 键合第一点缺陷

针对上述现象，结合以往批量生产经验，造成上述问题的原因可能会有以下三种：

（1）键合工艺参数设置不当，包括尾丝长度、打火参数、超声时间、超声功率和键合力等相关键合工艺参数的设置；

（2）真空系统故障也可造成金丝没有张紧，尾丝长度不受控；

（3）线夹间距不当，当线夹关闭时不能夹紧金丝，第二键合点完成后（下一根金丝第一点键合时）金丝长度不受控。

4 试验设计

针对原因（1），首先认为尾丝长度、打火参数都与以往相同，由于打火杆位置固定，金丝与打火杆间隙设置没有被修改，故排除这两个因素。推断超声时间、超声功率和键合力设置不当有可能形成缺陷，决定采用正交试验方法开展键合工艺参数优化试验研究[3]，根据现有键合工艺参数，确定如表1的三因素两水平。

经试验后确定A1B1C2D2E1F1为优化后的工艺参数，将该参数移植到自动键合程序中，再进行自动键合试验，成球缺陷依然出现。由此可排除键合工艺参数设置不当的因素。

表1 正交试验L8（27）因素水平表

针对原因（2），根据相关技术资料，真空系统如图3所示，由真空管道、控制电磁阀和导管等几部分组成。其工作原理如下：通过键合程序选择真空系统工作模式来控制电磁阀的导通和闭合，在导通时由于真空的作用，导管内会形成一股气流将金丝张紧，这样金丝就不会看上去很松弛。经与设备技术支持工程师沟通后，初步判断电磁阀芯可能由于长时间连续工作造成其内部堵塞，影响真空的正常工作。于是拆下该部件后用压缩空气吹干净后再用酒精棉球清洗了一遍，装上后重新试验，问题没有得到解决。此外，真空调节至稍大时还出现金丝被抽出导管的新问题。

针对原因（3），根据设备技术支持工程师的建议，在线夹打开的状态下，我们选择厚度为0.05 mm的塞尺放在中间，通过螺母调节间隙，以塞尺可轻轻用力拔出为限。在完成间隙调节后重新穿金丝进行键合，通过约100只产品的生产验证，在约60倍放大后观察，金丝表面没有线夹擦伤，也没有出现成球缺陷。图4是线夹间隙调整后第一键合点的外观。

图3 真空送丝系统

图4 第一键合点外观

5 结论

自动键合过程受多种因素的影响，本文对各种影响因素进行了逐条分析验证，最终根据实验结果找出原因，解决了第一键合点成球不良的问题。

线夹对金丝键合过程影响很大，当线夹间隙过大时，线夹不能夹持金丝会造成第一键合点成球缺陷，间隙过小又会造成送丝不畅通，最终确定线夹间隙在0.05 mm 较为合适。

[1]胡蓉，等.微波电路引线键合质量的影响因素分析[J].电子工艺技术，2009，30(2): 92-95.

[2]黄玉财，等.集成电路封装中的引线键合技术[J].电子与封装，2006，6(7): 16-20.

[3]旷仁雄，等.25 μm金丝引线键合正交试验研究[J].半导体技术，2010，35(4): 369-372.

[4]杨利业.引线键合自动送线系统关键技术研究[D].天津大学，2012.