引線鍵合的基礎(chǔ)知識

引線鍵合

引線鍵合，又稱壓焊，是半導體封裝工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對封裝的可靠性和最終產(chǎn)品的測試良率具有決定性影響。

以下是對引線鍵合的分述：

引線鍵合概述

引線鍵合設(shè)備

引線鍵合方法

1

引線鍵合概述

引線鍵合是一種將裸芯片的焊墊與封裝框架的引腳或基板上的金屬布線焊區(qū)通過金屬引線（如金線、銅線、鋁線等）進行連接的工藝。

這一步驟確保了芯片與外部電路的有效電氣連接和信號傳輸。

鍵合前的等離子體清洗

在引線鍵合之前，通常需要進行等離子體清洗。這一步驟的目的是清除鍵合區(qū)上的光刻膠、引線框架的氧化膜以及制程中產(chǎn)生的有機污染物等，從而提高鍵合的強度并減少鍵合分離的風險。等離子體清洗通過高頻交變電場在真空狀態(tài)下形成等離子體，利用活性等離子的化學反應(yīng)和物理轟擊作用，將芯片表面的雜質(zhì)轉(zhuǎn)化為離子或氣態(tài)物質(zhì)并排出腔體。

引線鍵合過程

引線鍵合過程通常包括：

第一焊點鍵合：將金屬引線的一端焊接到芯片的焊墊上，作為第一焊點。

線弧走線：按照機器設(shè)定的線弧算法，將引線拉至封裝框架或基板上的第二焊點位置。

第二焊點鍵合：將引線的另一端焊接到第二焊點上，完成芯片與外部電路的電氣連接。

重復操作：依次完成芯片其他位置的點到點的引線鍵合。

自動引線鍵合工藝

自動引線鍵合工藝通過分步循環(huán)動作實現(xiàn)芯片的電氣連接和信號傳輸。這些步驟包括自動搜索焊墊位置、第一焊點鍵合、線弧走線、第二焊點鍵合、線尾形成以及線夾提升和打火等。這一工藝確保了引線鍵合的高效性和準確性。

引線鍵合作為半導體封裝工藝中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量和可靠性對最終產(chǎn)品的性能具有重要影響。通過合理的等離子體清洗、精確的引線鍵合過程以及嚴格的控制三要素（超聲功率與鍵合壓力、鍵合時間、鍵合溫度），可以確保引線鍵合的高質(zhì)量完成。

2

引線鍵合設(shè)備

引線鍵合設(shè)備是半導體封裝工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，其結(jié)構(gòu)基本相同

主要包括以下幾個關(guān)鍵部分：

設(shè)備結(jié)構(gòu)

金線轉(zhuǎn)軸：用于安放鍵合過程中所需的金屬引線，如金線。

XY馬達：驅(qū)動焊接工作臺在前后、左右方向移動，以實現(xiàn)精確的定位。

左/右升降臺：用于調(diào)整工作臺的高度，以適應(yīng)不同尺寸的芯片和封裝需求。

氣體氣壓指示表：顯示設(shè)備內(nèi)部的氣體壓力和狀態(tài)，確保設(shè)備在安全的條件下運行。

焊頭：關(guān)鍵的工作主單元，包含劈刀和工作臺，負責完成實際的鍵合操作。

電腦主機、電源和控制系統(tǒng)：提供設(shè)備的動力和控制，確保設(shè)備的穩(wěn)定運行和精確控制。

主要系統(tǒng)

影像識別系統(tǒng)：用于精確識別和定位焊墊的位置，確保鍵合的準確性。

焊頭系統(tǒng)：包含劈刀和相關(guān)的驅(qū)動機構(gòu)，負責將金屬引線焊接到焊墊上。

材料傳送系統(tǒng)：負責將待加工的芯片和已完成的封裝產(chǎn)品送入和送出設(shè)備。

控制系統(tǒng)：負責設(shè)備的整體控制和操作，包括運動控制、參數(shù)設(shè)置和故障診斷等。

機臺操作界面：提供用戶與設(shè)備交互的界面，方便用戶進行操作和監(jiān)控。

機器特性參數(shù)：包括設(shè)備的精度、速度、功率等關(guān)鍵參數(shù)，決定了設(shè)備的性能和適用范圍。

關(guān)鍵工藝點

線弧張緊：在第一焊點完成超聲波焊接并拉出線弧的過程中，劈刀內(nèi)部的金屬引線需要處于張緊狀態(tài)，以確保線弧按照程控設(shè)定的軌跡形成彎曲。

送線順暢：確保進給的啟?？煽?，以避免鍵合過程中的故障。

實時監(jiān)測：避免因金屬引線斷裂而造成鍵合損失。

送線一致性：送線及金屬引線尾絲的長短一致性要求高，以確保鍵合質(zhì)量和穩(wěn)定性。

劈刀與材料

劈刀的主要參數(shù)：包括內(nèi)徑尺寸（H）、內(nèi)錐面開口孔徑（CD）和內(nèi)錐面開口角度（ICA）。內(nèi)徑尺寸通常選擇焊線直徑的1.5倍，內(nèi)錐面開口孔徑的選擇需要考慮焊球的直徑和芯片焊盤區(qū)域的大小。

劈刀的類型：按照焊球形成的不同形狀，劈刀分為毛細管劈刀和楔形劈刀。

劈刀材料：常見的劈刀材料有碳化鎢、碳化鈦和陶瓷等。碳化鎢抗破損能力強，但機械加工困難且導熱率高；碳化鈦材料密度低且更柔韌，超聲波傳遞效果好；陶瓷因具有光滑、致密、無孔隙和化學性質(zhì)穩(wěn)定的優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于劈刀的制作。

陶瓷劈刀的優(yōu)勢：陶瓷劈刀具有優(yōu)異的力學性能和耐磨損能力，壽命長且易于清潔。通過添加氧化鋯、氧化鉻等成分，可以進一步提高陶瓷劈刀的硬度和耐磨性。

3

引線鍵合方法

引線鍵合是半導體封裝中的關(guān)鍵工藝之一，常用方法包括熱壓焊、超聲波焊和熱超聲焊。

以下是這三種方法的詳細介紹：

熱壓焊鍵合

熱壓焊鍵合是通過加壓和加熱的方式，使金屬引線與焊區(qū)接觸面的原子之間達到原子引力范圍，從而實現(xiàn)鍵合。這種方法的具體過程如下：

準備金屬引線：金屬引線的一端成球形，另一端成楔形。

鍵合過程：鍵合頭將金球下壓在已預熱到150~250℃的第一焊點，進行球形鍵合。在鍵合時，金球因受壓力而略微變形，以增加鍵合面積、降低鍵合面粗糙度對鍵合的影響，并穿破金屬表面氧化層等阻礙鍵合的因素，形成緊密的鍵合。

焊點形狀：熱壓焊鍵合完成后，會形成兩個焊點，第一焊點呈球形，第二焊點即金屬引線鍵合結(jié)束時的焊點，呈楔形。

超聲波焊鍵合

超聲波焊鍵合是利用超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的超聲波振動，使金屬引線與焊區(qū)金屬表面迅速摩擦，從而實現(xiàn)鍵合。

這種方法的具體過程如下：

超聲波發(fā)生器：使劈刀發(fā)生水平方向的彈性振動，同時施加向下的壓力。

鍵合過程：劈刀在超聲波振動和壓力的作用下，使金屬引線在焊區(qū)金屬表面迅速摩擦，發(fā)生變形，與芯片鍵合區(qū)鍵合完成焊接。

焊點定位：超聲壓頭將金屬引線定位到第一焊點（芯片焊墊）的位置，然后超聲振動并施加一定的壓力到焊點，完成第一焊點的鍵合。接下來，超聲壓頭將引線定位到第二焊點（基板焊墊），同時超聲振動施加一定的壓力到焊點，完成第二焊點的鍵合。

焊點形狀：超聲波焊鍵合完成后，形成的第一焊點和第二焊點的形狀都是楔形。

熱超聲焊鍵合

熱超聲焊鍵合是結(jié)合熱壓焊和超聲波焊的優(yōu)點，這種方法的具體過程與熱壓焊類似，但有以下區(qū)別：

加熱引線框架：在熱超聲焊鍵合中，引線框架需要加熱到200~260℃。

超聲波作用：與熱壓焊不同，熱超聲焊鍵合過程中使用了超聲波振動。

鍵合效果：由于高溫和超聲波的共同作用，熱超聲焊鍵合能夠?qū)崿F(xiàn)更緊密的鍵合，提高鍵合的可靠性和穩(wěn)定性。