手動(dòng)引線鍵合設(shè)備夾持臺(tái)解決方案

紀(jì) 偉，劉嚴(yán)慶，劉 丹，夏志偉

(北京中電科電子裝備有限公司，北京100176)

引線鍵合是至今仍廣泛使用的焊接技術(shù)。引線鍵合設(shè)備能夠完成絕大多數(shù)封裝管腳的連接（90%），是封裝工藝環(huán)節(jié)的重要設(shè)備。引線鍵合以工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單靈活、成本低廉、試用多種封裝形式而在封裝互連方式中占主導(dǎo)地位。而手動(dòng)鍵合以其適用性更強(qiáng)，使用方法更靈活等優(yōu)勢(shì)在鍵合工藝，尤其是試驗(yàn)及小規(guī)模生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，鍵合的器件的種類也不斷增加，這就要求手動(dòng)鍵合設(shè)備針對(duì)器件的改變進(jìn)行相應(yīng)的變化。

1 夾持臺(tái)

夾持臺(tái)是手動(dòng)鍵合設(shè)備變化最為復(fù)雜的部件。針對(duì)需要鍵合器件的不同，夾持臺(tái)需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，來(lái)滿足鍵合的需要。夾持臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)的基本功能是實(shí)現(xiàn)器件的牢固裝夾，保證在鍵合過(guò)程中器件的牢固，以免影響焊接質(zhì)量。

根據(jù)壓焊工藝的不同，夾持臺(tái)分為熱夾持臺(tái)和冷夾持臺(tái)兩種。熱夾持臺(tái)主要應(yīng)用于金絲球鍵合和金絲楔形鍵合；冷夾持臺(tái)則主要應(yīng)用于鋁絲楔形鍵合。因?yàn)槭謩?dòng)鍵合設(shè)備90%以上應(yīng)用于金絲鍵合，所以本文主要介紹熱夾持臺(tái)的解決方案。冷夾持臺(tái)的設(shè)計(jì)只需去掉熱夾持臺(tái)的加熱裝置和隔熱裝置即可，設(shè)計(jì)難度也要低于熱夾持臺(tái)。

2 熱夾持臺(tái)基本結(jié)構(gòu)

圖1為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的熱夾持臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的夾持臺(tái)由夾持部分、加熱部分和隔熱部分構(gòu)成。夾持部分由按鈕、夾片和臺(tái)面組成。其工作原理為：臺(tái)面承載器件，由按鈕帶動(dòng)夾片來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的裝夾和松開(kāi)。加熱部分由加熱管和熱電偶組成，實(shí)現(xiàn)熱夾持臺(tái)的溫度控制。隔熱層實(shí)現(xiàn)熱夾持臺(tái)的隔熱，方便用手抓取操作。雖然由于器件的多樣性造成熱夾持臺(tái)的結(jié)構(gòu)多種多樣，但熱夾持臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)都是由這幾個(gè)基本部分構(gòu)成，主要的變化都是夾持部分的改變。

圖1 夾持臺(tái)基本結(jié)構(gòu)

2 不同器件的夾持臺(tái)解決方案

因?yàn)榘雽?dǎo)體器件多種多樣，需要鍵合的器件也各不相同，為了適應(yīng)器件的多樣性，也要求手動(dòng)鍵合設(shè)備的夾持臺(tái)做出相應(yīng)的變化來(lái)滿足鍵合的要求。

2.1 DIP器件和混合集成電路夾持臺(tái)解決方案

DIP封裝（Dual In-line Package），也叫雙列直插式封裝技術(shù)，是一種最簡(jiǎn)單的封裝方式。指采用雙列直插形式封裝的集成電路芯片，絕大多數(shù)中小規(guī)模集成電路均采用這種封裝形式。混合集成電路是由半導(dǎo)體集成工藝與?。ê瘢┠すに嚱Y(jié)合而制成的集成電路，是在基片上用成膜方法制作厚膜或薄膜元件及其互連線，并在同一基片上將分立的半導(dǎo)體芯片、單片集成電路或微型元件混合組裝，再外加封裝而成。

對(duì)于普通的DIP（雙列直插）封裝器件，和混合集成電路（如圖2）。除了用圖1所示夾持臺(tái)裝夾，還可以用圖3所示夾持臺(tái)裝夾。由按鈕帶動(dòng)夾持爪來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的固定，完成鍵合。

圖2 DIP封裝器件和混合集成電路

圖3 DIP/混合集成電路夾持臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.2 CQFP器件和SOP器件夾持臺(tái)解決方案

CQFP（Ceramic Quad Flat Pack）指保護(hù)環(huán)的四側(cè)引腳扁平封裝。SOP（Small Out-Line Package小外形封裝）是一種很常見(jiàn)的元器件形式。表面貼裝型封裝之一，引腳從封裝兩側(cè)引出呈海鷗翼狀(L字形)。材料有塑料和陶瓷兩種。

對(duì)于CQFP封裝和SOP封裝的器件（如圖4），一般要求從兩側(cè)夾持器件管腿，可以用圖5所示夾持臺(tái)進(jìn)行裝夾。

CQFP/SOP封裝器件夾持臺(tái)由按鈕1帶動(dòng)壓板3開(kāi)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的裝夾。

圖4 CQFP封裝器件和SOP封裝器件

圖5 CQFP/SOP封裝器件夾持臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.3 LED器件夾持臺(tái)解決方案

發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，簡(jiǎn)稱 LED）是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件。發(fā)光二極管已被廣泛的應(yīng)用于顯示器、電視機(jī)采光裝飾和照明。貼片式LED框架（如圖6）的裝夾要求對(duì)框架上的每一個(gè)LED管殼進(jìn)行固定?？梢杂脠D7所示夾持臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

圖6 旋轉(zhuǎn)夾持臺(tái)結(jié)構(gòu)

貼片LED框架夾持臺(tái)通過(guò)按鈕帶動(dòng)壓板上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)貼片LED框架的裝夾。

圖7 貼片LED框架夾持臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖8為一種新型高亮度LED器件，器件前端六棱柱6個(gè)面均粘貼高亮度LED芯片，然后鍵合。這種器件的夾持要求完成6個(gè)面的鍵合工作。

圖8所示器件可以用圖9所示夾持臺(tái)裝夾完成鍵合。夾持臺(tái)由按鈕帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸上的卡扣實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的固定，由旋鈕帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)器件的旋轉(zhuǎn)換面，完成器件的鍵合。

圖8 一種新型LED器件

圖9 六棱柱LED器件夾持臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.4 TO器件夾持臺(tái)解決方案

TO封裝器件一般可以看成是一邊出引腳的器件，有二極管、三極管、場(chǎng)效應(yīng)管、可控硅、三極穩(wěn)壓IC、基準(zhǔn)電壓IC和某些專用IC等。手動(dòng)鍵合的一大類器件為T(mén)O封裝器件，如TO5、TO8、TO46和TO56等（如圖10所示）。

圖10 TO封裝器件

圖11 TO5封裝夾持臺(tái)結(jié)構(gòu)

對(duì)于TO5封裝類型的器件，可以用圖11所示夾持臺(tái)裝夾。通過(guò)按鈕帶動(dòng)壓板的開(kāi)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)TO器件的裝夾。

對(duì)于大批量的TO5封裝類型的器件生產(chǎn)，可以采取圖12所示自動(dòng)送料夾持臺(tái)實(shí)現(xiàn)器件的自動(dòng)送料。自動(dòng)送料夾持臺(tái)的工作原理是：把器件裝夾于料條上，然后把料條固定于傳輸機(jī)構(gòu)上；夾持臺(tái)通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)傳輸機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)動(dòng)作，從而完成TO5封裝器件的步進(jìn)送料。

圖12 TO5封裝自動(dòng)送料夾持臺(tái)結(jié)構(gòu)

TO56封裝的器件裝夾要求比較特殊，它不是要求在器件圓形端面上鍵合，而是需要橫向裝夾器件進(jìn)行鍵合?？梢杂脠D13所示夾持臺(tái)裝夾。由按鈕帶動(dòng)夾板開(kāi)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)TO56的裝夾。

圖13 TO56封裝夾持臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖14所示是一種TO25器件，他的鍵合不但有同一個(gè)平面中的鍵合，還要求在90°的相鄰面間進(jìn)行跨面的鍵合。這種器件的夾持可以用圖15所示TO25雙軸旋轉(zhuǎn)夾持臺(tái)實(shí)現(xiàn)。

圖14 一種TO25封裝器件

圖15 TO25夾持雙軸旋轉(zhuǎn)夾持臺(tái)結(jié)構(gòu)

TO25雙軸旋轉(zhuǎn)夾持臺(tái)把器件固定于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，分別利用X旋鈕和Y旋鈕帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)繞軸和軸旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)器件的旋轉(zhuǎn)，利用鎖緊銷進(jìn)行器件旋轉(zhuǎn)到位后的固定。

圖16所示為一種氣體傳感器器件，該器件鍵合之后要求用4根鍵合絲把芯片懸空連接到器件的4條管腳之間。

圖16 一種氣體傳感器器件

圖16所示的氣體傳感器可以用圖17所示夾持臺(tái)進(jìn)行裝夾。夾持臺(tái)由按鈕同時(shí)帶動(dòng)2個(gè)夾持爪開(kāi)合運(yùn)動(dòng)來(lái)同時(shí)夾緊器件及芯片。焊接完成后打開(kāi)夾持爪就實(shí)現(xiàn)了芯片通過(guò)鍵合絲懸空連接到器件的4條管腳之間的要求。

圖17 一種氣體傳感器器件夾持臺(tái)結(jié)構(gòu)

圖18 旋轉(zhuǎn)夾持臺(tái)結(jié)構(gòu)

2.5 旋轉(zhuǎn)夾持臺(tái)解決方案

因?yàn)樾ㄐ捂I合有方向性，而很多器件要求在各個(gè)方向進(jìn)行鍵合。這樣，如果夾持臺(tái)能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)功能，將給鍵合帶了方便。圖18所示旋轉(zhuǎn)夾持臺(tái)，就提供了夾持臺(tái)的旋轉(zhuǎn)功能，滿足器件旋轉(zhuǎn)的要求。旋轉(zhuǎn)夾持臺(tái)通過(guò)旋鈕帶動(dòng)臺(tái)面完成旋轉(zhuǎn)功能。

3 夾持臺(tái)的其他解決方案

根據(jù)器件不同要求，夾持臺(tái)還可以采取真空吸附和電磁方式等進(jìn)行器件的裝夾。根據(jù)鍵合器件的要求等，還可以添加氮?dú)猓ɑ蚱渌€原氣氛）保護(hù)功能和升降功能等?？傊?，隨著半導(dǎo)體器件的日新月異的發(fā)展，手動(dòng)鍵合設(shè)備的夾持臺(tái)的解決方案也會(huì)不斷的發(fā)展。

[1]Rao R.Tummala，Eugene J.Rymaszewski，Alan G.Klopfenstein，等.微電子封裝手冊(cè)(第二版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2001.

[2]中國(guó)電子學(xué)會(huì)電子制造與封裝技術(shù)分會(huì)，電子封裝技術(shù)叢書(shū)編輯委員會(huì).電子封裝工藝設(shè)備[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3]何田.引線鍵合技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2004，33(10)：12-14.

[4]張琦，紀(jì)偉，王雙江.旋轉(zhuǎn)熱臺(tái)裝置[P].國(guó)家實(shí)用新型專利：CN200991808，2007-12-19.