金丝球焊过程及工艺磋商

姚飞闪

（厦门华联电子有限公司）

择要：

通过金丝球焊接在生产实践的利用履历，阐述了金丝球焊工艺在利用中的特性和金丝球焊工艺过程以及工艺过程中可能会涌现的问题，通过工艺问题的阐述，可辅导读者办理实际事情中的问题。

在半导体器件的生产中，为了实现内外引线的连接，生产中利用通过导电引线将芯片电极与器件的引脚连接（图1），使芯片与产品引脚形成良好的电性能。
在大规模生产中大量利用了自动化焊线机。

1 金丝球焊工艺过程

在引线的连接中一样平常采取3种办法：热超声球焊、超声楔型焊接、热压焊。
而焊点通过热、超声、压力的共同浸染形成， 90%的半导体器件是采取该种办法焊线的，且这种焊线采取的连接材料大部分为金丝，该工艺简称热超声金丝球焊。

热超声金丝球焊的特点：采取金线连接，工具为毛细管陶瓷劈刀，键合过程须要加热，键合前须要EFO进行烧球，须要线轴赞助，键合无方向限定。
知足器件利用的可靠性哀求。
超声球焊过程如图2所示。

热超声金丝球焊的的事理：焊线过程使电极与引出线相互连接，使芯片和器件引出脚实现电性能的连接。
当两种金属如：Au和Al在热、撞击压力和超声能量的浸染下相互打仗，表面软化形成相互嵌合的合金，担保了可靠的电性能的联接。
超声过程的示意图如图3所示。

2 金丝球焊工艺影响成分

在生产实践中总结每个过程的参数设定对焊线工艺的影响如下：（1） 影响第一焊点成分。
对第一焊点的工艺哀求有：焊球形状（尺寸、高度）；焊球剥离强度；球茎部中央位置；焊接位置。
而影响这些工艺质量的成分紧张有：焊线设备设定的焊接韶光、焊接功率、焊接压力、焊接温度；芯片电极选用的材料或电极表面状况；毛细管劈刀的设计选型；焊线机图像识别系统的精度。
影响拱丝成分和对拱丝的工艺哀求有：拱丝的高度；拱丝的角度；拱丝的外不雅观形状；考虑到通报注塑封装对拱丝的影响，哀求拱丝波折的方向。
而影响拱丝工艺质量的成分紧张有：焊线的尺寸；劈刀选型设计（劈刀内壁与焊线间隙）；设备的送线系统；线轴的构造。
（2）影响第二焊点成分。
对第二焊点的工艺哀求有：第二焊点的形状、尺寸；第二焊点的剥离强度。
而影响这些工艺质量的成分紧张有：焊线设备设定的焊接韶光、焊接功率、焊接压力、焊接温度；引线框架表面的电镀层状况；压框与引线框架的匹配性；毛细管劈刀的设计选型。
（3）影响烧球的成分。
对烧球的工艺哀求有：烧出球的尺寸、形状（太小的球随意马虎堵塞劈刀，太大的球随意马虎使第一焊点超出电极的范围）。
而影响烧球的成分紧张有：露出线尾的长度；设备上焊球直径的设定、电流设定、浸染韶光设定；EFP的位置；金线的品质。

第一焊点与第二焊点浸染图，如图4所示。

浸染压力、超声功率、键合温度、超声浸染韶光和引线框架表面状况对球焊工艺影响十分大，在生产中通过大量的数据得出了以下结论：

（1）浸染压力对球焊工艺的影响：掌握球或线在固定的位置准备进行能量的通报；通过压力的浸染将焊线与焊接位置紧密；毁坏焊接面表面的污染面，使之得当焊线；在超声能量、温度的共同浸染下形成合金焊点。

（2）超声功率对球焊工艺的浸染和影响：使焊线和焊接面松软；产生热能；形身分子相互嵌合合金；改变球型尺寸。

（3）键合温度对球焊工艺的浸染和影响：帮助移除表面污染物，如：潮气、油、水蒸气等；增加分子的生动程度，有利于合金的形成。

（4）超声浸染韶光对球焊工艺的浸染：超声韶光是掌握超声能量浸染的韶光；一样平常焊线机韶光掌握在1~255 ms；太短的焊线韶光无法形成良好的合金；焊线韶光过大将导致焊线拉力不良或芯片电极损伤。

（5）引线框架表面状况对球焊工艺的浸染：一样平常影响第二焊点；不平随意马虎导致焊接过程中能量丢失，焊点不对称、虚焊或压不上；电镀质量不良导致黏结性变差，直接表示在焊接后拉力不良等；表面不良（清洁度、氧化），当焊线的几个参数无法毁坏表面污染层将影响焊线质量。

其余，从生产实践中可知，在球焊中利用的劈刀选型对形成的焊线第一焊点、第二焊点、拱丝等工艺影响十分大，根据剖析和比拟，详细情形如表1所示。

劈刀在利用过程中还应把稳寿命情形，每款劈刀在键合不同材料的产品均有不同的寿命，通过显微镜不雅观察键合后的焊点可以理解劈刀的利用次数对焊点质量的影响，图6、图7、图8显示劈刀的利用次数与焊点质量的关系。

H、CD、CA、FA、OR、T为劈刀紧张参数，示意图如图5所示。

从图6、图7中可以创造，劈刀随着利用次数越来越多，第一焊点和第二焊点的工艺质量会越来越差，涌现该征象的紧张缘故原由是劈刀口由于与焊接面多次撞击后磨损。
如图8、图9所示。
从图8、图9中可知，在热超声金丝球焊工艺管理事情中应充分合理地考虑劈刀在利用中的寿命和焊点之间的关系。

金丝作为一个主要的原材料，对球焊工艺的影响也是十分大的，它必须具备有几个主要的特性：良好的机器性能和导电性能；得当的破断力；选择精确的尺寸；表面清洁无污染无损伤，不随意马虎氧化变性。

在工厂中对金丝物料品质哀求该当是：破断力符合哀求；外不雅观的清洁无污染破损；在线轴上缠绕精确，出丝顺畅。

常规金丝破断力参考如表2所示。

在实际键合生产中，有时还会主不雅观创造金丝有太硬或太软的征象：太软的金丝在键合过程紧张表现：拱丝下垂；球形不稳定；球颈部随意马虎紧缩；断裂；封装过程冲线；太硬的金丝在键合过程紧张表现：将芯片电极打出坑；颈部断裂；形成合金困难；拱丝掌握困难。

3 金丝球焊工艺质量评估

一样平常情形下有5种方法评估球焊工艺质量：在显微镜下目检成形一样平常外不雅观；通过推力测试仪器测试第一焊点剪切强度；采取测力计从拱丝最高点测试拉力；采取测力计测试第二焊点的剥离力；化学方法剖析焊球与电极结合情形（形成共晶情形）。
显微镜下目检成形一样平常外不雅观，目检的内容为：焊点的外不雅观形状；连线方向；连线状况，是否有断线、压不上等情形；第一焊点焊球尺寸；第一焊点焊球的压扁高度；拱丝高度；第二焊点尺寸；压焊位置。

通过推力测试仪器测试第一焊点剪切强度，剪切强度是一种毁坏性的测试，是考察焊线工艺主要的测试项目，是目前封装厂普遍采取的评估项目。
一样平常须要分外的推力测试仪器，推刀间隔焊球底部2~3 m，水平匀速推焊球，测试将焊球推掉的力，一样平常情形该力的大小与焊球和电极打仗面积有关。
良好的工艺该当在推球后焊球剥离，有少于25%的金残留在电极上，电极无缺，推力≈焊球面积5.5 g/mil2采取测力计从拱丝最高点测试拉力，该拉力测试是一种毁坏性的测试，是考察焊线工艺主要的测试项目，是目前封装厂普遍采取的评估项目。
须要拉力测试仪，一样平常的做法是从拱丝的最高点垂直、匀速向中计金丝，测试金丝断掉时所用的最大拉力。
掌握拉力的大小与金丝的直径有关。

采取测力计测试第二焊点的剥离力，该测试是一种毁坏性的测试，是考察第二焊点工艺的测试项目，但是在比较少利用。
用测试仪器的拉钩靠近第二焊点的根部，向上测试垂直、匀速拉。

采取化学剖析方法，一样平常是通过化学堕落（通过NaOH溶液堕落掉焊点或通过加热的浓硫酸堕落掉焊点）剖析焊点下部合金、电极下部情形。
工程职员一样平常在新的芯片、新的劈刀、新的机器、新的焊线等批量利用提高行剖析。

4 结语

总之，在器件生产中的金丝球焊工艺过程，是一个繁芜的掌握过程，只有在细节上进行多方面全方位的掌握才能担保产品的质量，确保知足利用的可靠性。