金絲球焊制作焊接凸點的工藝參數(shù)分析

田知玲，夏志偉，閆啟亮

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京 100176)

金絲球焊機（見圖1）是一種打點連線的設(shè)備，應(yīng)用于芯片與外部的引線連接。利用凸點同時實現(xiàn)電氣和機械連接。金絲球焊機可以制作凸點以起到固定連線的目的，而且凸點的直徑大小可以調(diào)節(jié)。利用金絲球焊機生產(chǎn)的凸點作為倒裝焊的凸點，將其制作在功率型LED的基板上，既減少了傳統(tǒng)制作凸點方法中復(fù)雜的技術(shù)過程，又增強了焊接的靈活性和精度[1]。生產(chǎn)周期縮短，而質(zhì)量不會降低，增加倒裝焊的競爭力，使這項技術(shù)更富有生命力。

1 凸點制作

圖1 金絲球焊機

金絲球焊可以根據(jù)焊接芯片，進行打點設(shè)計，完全按照已有的模型自由靈活地制作凸點?？梢愿鶕?jù)具體產(chǎn)品設(shè)計凸點制作模式，分配凸點的個數(shù)、密度、距離、大小，既保證器件焊接后的電學特性和機械強度，又節(jié)省了材料，減輕了工作量。

功率型LED采用的是6倍線徑的凸點，利用金絲球焊機進行凸點制作（見表1，其中δ是一常量，其固定值為δ=3.14μm），將基板放在熱臺上，打開氣閥，使基板固定，在參數(shù)控制模塊選擇測試觸發(fā)，按住搖桿上的觸發(fā)鍵，移動劈刀到要焊凸點部位的上方，測試劈刀高度，這一步驟是為了避免損壞劈刀。退出程序進行打點，線夾開關(guān)打開，金線下送，打火桿產(chǎn)生瞬間高電壓，使金絲成球，按住觸發(fā)鍵，移到要打點的部位上方松開，在熱超聲的作用下，凸點焊接在基板上，劈刀水平移動，產(chǎn)生一個橫向切力，使金線在凸點尾部斷開，完成打點（過程見圖2）。設(shè)備本身有熱臺，但是要靠超聲的幫助完成打點過程，在一瞬間產(chǎn)生高電壓，使金線熔化，然后加熱超聲使其粘在基板上。金絲球焊機參數(shù)設(shè)置可調(diào)，凸點直徑可調(diào)，滿足不同芯片的要求。

表1 金絲球焊機參數(shù)設(shè)置

圖2 金絲球焊的過程

2 工藝參數(shù)分析

金絲球焊制作凸點的關(guān)鍵是參數(shù)的設(shè)置，由于設(shè)備的傳動累積誤差會造成凸點尾線過長，甚至有拖線現(xiàn)象，即在尾線的上面仍有一段線體存在，這易造成焊接不牢固，甚至產(chǎn)生短路現(xiàn)象，使得封裝失敗，造成LED芯片損壞。所以需要反復(fù)測試具體參數(shù)[2]，從中選擇最佳焊接值完成焊接。制作凸點時工藝規(guī)格通常包括凸點高度、線尾長度、超聲功率、超聲時間、焊接壓力、熱臺溫度等。

2.1 凸點高度

顯示在凸點高度參數(shù)不同時，凸點的大小形狀也不同，參數(shù)設(shè)置如2表所示，可見凸點高度的變化決定尾線的長短，即凸點的形狀，當達不到一定高度時（<10δ），凸點不出現(xiàn)尾線，呈扁平狀分布，平塌在基板上，（如圖3a所示）。當設(shè)定的凸點高度超過一定值（>20δ），雖然尾線出現(xiàn)，但是有明顯的拖線情況，（如圖3c所示）。最佳選擇應(yīng)是凸點高度在20δ附近，這時出現(xiàn)尾線，凸點成規(guī)則狀，達到一定強度，又不至于拖線過長（如圖3b所示），凸點高度參數(shù)改變實測凸點數(shù)值如表3所示。

凸點高度設(shè)置低，則金線送出量過少，在尾線沒有出現(xiàn)時，金線劈刀在水平移動時產(chǎn)生的橫向切力就使得金線斷開，造成整個凸點不具有明顯的立體形狀，在焊接過程中，這種扁平的凸點焊接力弱，可靠性差，起不到連接作用；凸點高度設(shè)置過高，金線送出多，劈刀抬起慢，金線不能及時拉斷，平移時產(chǎn)生的尾線過長，凸點有可能出現(xiàn)拖線現(xiàn)象，焊接時造成短路，降低了器件的可靠性。

表2 凸點高度參數(shù)選擇

表3 凸點高度參數(shù)實測凸點數(shù)值

2.2 線尾長度

不同的尾線長度也決定凸點形狀。參數(shù)設(shè)置表如4所示，當尾線長度設(shè)定過短（<20δ），則金線供給量不足，凸點的底座將出現(xiàn)薄厚不均，劈刀的橫向移動使尾線受力不均，可能出現(xiàn)拖線現(xiàn)象（如圖4a所示）。尾線超過一定值（>30δ），金線長劈刀抬起過晚，則出現(xiàn)嚴重拖線情況（如圖4c所示）。正常情況下，尾線長度選擇25δ附近，此時凸點底座均勻且尾線不拖線，凸點成球狀，（如圖4b所示），實測數(shù)據(jù)如表5所示。

尾線長度若設(shè)置過小，劈刀送線時間短，送線量少，高電壓下凸點成球小且扁平，這樣凸點在焊接時焊接力不夠，機械強度低，可靠性差，焊接效果不佳，同時由于送線量少，劈刀過早抬起，尾線橫向切力不均勻，造成尾線長短不一，不規(guī)則，出線拖線現(xiàn)象。拖線的出現(xiàn)，一是使封裝可能出現(xiàn)短路現(xiàn)象，封裝不可靠；二是LED芯片焊接不牢固，降低封裝強度。

圖3 凸點高度改變時凸點的形狀

若尾線設(shè)置過長劈刀抬起慢，高電壓下金線成球大，不均勻，尾線過長，甚至嚴重拖線，使封裝失敗。

表4 線尾長度參數(shù)選擇

表5 線尾長度參數(shù)改變實測凸點數(shù)值

圖4 線尾長度改變時凸點的形狀

2.3 超聲功率

由于熱臺的溫度不可能無限升高，而一般金的熔點在1000℃以上，金點的焊接時是靠加超聲將金點熔化。參數(shù)設(shè)置如表6所示，超聲功率的大小也決定凸點形狀。超聲的功率低于一定值（<50mW），超聲作用不明顯，已經(jīng)在高電壓下成球的金點熔化慢，在基板上形成的凸點較小，粘合不牢固，不能形成較明顯的尾線，但形狀相對規(guī)則（圖5a所示）。當功率超過一定值時（>150mW），由于功率過大，使得金點熔化過塊，在基板上形成的凸點過大，且凸點扁平，不凸起，呈一平面平鋪在基板上，尾線不規(guī)則，（圖5c所示）。功率恒定在100mW，此時在基板上形成的凸點大小適宜，成明顯立體狀，且尾線均勻，規(guī)則分布，（圖5b所示），超聲功率參數(shù)改變實測如表7所示。

超聲功率小，金點在焊接到基板上時熔化少，此時在基板上形成的純金凸點的直徑過小，焊接時焊接強度低，LED芯片焊接的可靠性差，使用壽命減少；設(shè)置大功率超聲波，超聲波造成金分子快速運動，球狀金點熔化速度加快，在超聲壓力作用下，金點成餅狀粘在基板上，這樣的凸點進行倒裝焊接時，焊接機械強度低，可靠性差。由于金點熔化量增加，金線在超聲作用下，形狀和延展性發(fā)生變化，不再是均勻的線體。斷線時尾線不規(guī)則，可能出現(xiàn)拖線現(xiàn)象，這會使LED焊接時出現(xiàn)短路情況。

表6 超聲功率參數(shù)選擇

表7 超聲功率參數(shù)改變實測凸點數(shù)值

圖5 超聲功率改變時凸點的形狀

2.4 超聲時間

金線的熔點很高，熱臺的溫度不可能加熱到1000℃以上，在瞬間的高電壓下，金線被制成金點，只有同時加超聲作用，使分子運動加速，凸點才很容易焊在基板上，超聲時間的作用是使在高電壓下形成的金點快速熔化，最終牢固地焊接到基板上。超聲時間參數(shù)選擇表如8所示：加超聲時間過短（<20ms），金點熔化較少，在基板上形成的凸點較小，焊接力低，焊接時機械強度差，尾線不易斷，出現(xiàn)長拖線，（圖 6a所示）。時間過長（>60ms），金點迅速、大量熔化，基板上形成的凸點過平，呈扁球狀平鋪，面積大，不凸起，，不易焊接，焊接時機械強度低，不能體現(xiàn)出很好的電學特性（圖6c所示）。當恒定超聲時間在30ms時，基板上形成的凸點為規(guī)則球狀，而且很少拖線，（圖6b所示）。超聲時間參數(shù)實測凸點數(shù)值如表9所示。

表8 超聲時間參數(shù)選擇

表9 超聲時間參數(shù)改變實測凸點數(shù)值

2.5 焊接壓力

焊接壓力是在金線形成金點后，焊在基板形成為純金凸點的過程時，外加一個向下的力，可以使純金凸點更牢固地粘合在基板上。焊接壓力參數(shù)選擇如表10所示：當壓力過?。?0.2MPa），外界給力不夠，而且本身粘合力小，凸點不能很好地粘在基板上，但相對均勻（圖7a所示）。當壓力過大（>0.6MPa），凸點被壓得扁平，完全平鋪在基板上（圖7c所示）。正常情況選擇0.4MPa壓力，這是的凸點大小合適，既保證了粘合力，有使凸點呈球狀，便于焊接（見圖7b所示）。參數(shù)實測凸點數(shù)值如表11所示：焊接壓力過低，純金凸點在基板上的粘力不夠，雖然產(chǎn)生的凸點形狀均勻，但焊接強度低，在封裝時可能造成凸點脫落；焊接壓力過大，金點將被壓平，焊接后可靠性下降。

圖6 超聲時間改變時凸點的形狀

表10 焊接壓力參數(shù)選擇

表11 焊接壓力參數(shù)改變實測凸點數(shù)值

圖7 焊接壓力改變時凸點的形狀

2.6 熱臺溫度

熱臺溫度和拖線情況有密切聯(lián)系（圖8，a、b、c所示）。參數(shù)設(shè)置如表12所示：當熱臺溫度越高，拖線情況越明顯。當熱臺溫度升高時，金線變得更軟，延展性更好，所以當溫度升高時，由于劈刀本身精度不高，當劈刀水平移動時，劈刀不能很快地將延展性很好的金線割斷，造成尾線拖線嚴重。溫度過低（<100℃），劈刀上金點焊在基板上形成凸點過小，不易焊接。我們通常采用100℃左右的熱臺溫度。

表12 熱臺溫度參數(shù)選擇

表13 熱臺溫度參數(shù)改變實測凸點數(shù)值

圖8 熱臺溫度改變時凸點的形狀

凸點的形狀與凸點制作的參數(shù)有密切的關(guān)系，必須對工藝參數(shù)建立有效的控制手段，只有準確地設(shè)置參數(shù)，才能在基板上制成更完美的凸點，保證最后的焊接質(zhì)量。如果參數(shù)設(shè)定不合適，可能使尾線過長出現(xiàn)拖線情況，或者凸點過小不能保證焊接強度，使封裝失敗。只有提高凸點質(zhì)量，保證凸點大小形狀規(guī)則，才能保證封裝的可靠性，提高封裝的質(zhì)量[3]。

3 結(jié)束語

本文著重介紹了金絲球焊接技術(shù)的關(guān)鍵—凸點的制作工藝實驗分析，通過固定參數(shù)的實驗分析，得出利用這種方法制作凸點一系列最佳參數(shù)：凸點高度、線尾長度、超聲功率、超聲時間、焊接壓力以及熱臺溫度等參數(shù)，利用這些參數(shù)在基板上制作出的凸點，完成引線鍵合，實現(xiàn)功率型LED焊接有更高的可靠性，更佳的電和熱傳導率，更大機械強度。

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[1]張如明.凸點實現(xiàn)的倒裝焊推進微電子封裝技術(shù)的發(fā)展.微電子，2002，11：39-41.

[2]張彩云，霍灼琴，高敏，張晨曦.采用熱壓焊工藝實現(xiàn)金凸點芯片的倒裝焊接.電子工藝技術(shù)，2008，29（1）：27-29.

[3]王水弟，蔡堅，譚智敏，等.用于圓片級封裝的金凸點研制.半導體技術(shù)，2004，29（4）：27-31.