马杨
（安徽博微长安电子有限公司 安徽六安 237010）
摘要：键合工序在微组装中属于关键工序，要实现高效率、高一致性的批量化生产，自动化键合是必不可少的。在微波组件中，常用金丝键合来实现芯片与基板、基板与基板之间的互连。全自动金丝球焊是互连方法的一种，本文主要针对量产过程中出现的安全球偏移问题展开分析，即键合机的机械震动、安全球参数设置不当、劈刀和金丝的选型、主线的线弧参数设置不当等。本文通过在Palomar 8000i全自动金丝球焊机上进行系列试验验证，主线的线弧参数设置不当是造成安全球偏移的主要原因，并提出相应的改进措施。
关键词： 全自动金丝球焊；安全球偏移；线弧参数
1 引言
在微电子封装中，常用的芯片互连工艺[1]主要有引线键合（WB）、载带自动焊（TAB）、倒装微互联（FCB）。 引线键合技术[2]是一种使用细金属线，利用热、压力、超声波能量，通过特殊的键合工具（劈刀或楔）将金属线键合到芯片或基板上相应的焊区位置，以此实现电气互连，具有成本低、工艺成熟、可靠性高等优点。其中，金丝球焊通常会在其第二点鱼尾处再键合一个金球，即安全球，来提高了键合的可靠性。若安全球发生偏移，则会降低第二点的可靠性，甚至会导致第二键合点脱落。键合金丝[3]是一种具备优异电气、导热、机械性能以及化学稳定性极好的内引线材料，通常在半导体器件中作为内引线用于各种电子元器件的封装处理。
2 引线键合原理
引线键合是金属与金属间的键合，即外力的作用下，金属产生局部塑性变形而紧密结合成为一体。最常用的引线键合工艺是热压超声波键合[4]，在超声波能量的作用下，劈刀带着金属丝产生机械振动，破坏了焊区表面氧化膜，使其露出洁净的界面，同时又加热加压，使两种金属在界面处产生塑性变形而紧密接触，生成具有一定强度的金属间化合物，故而形成焊点，使得金属引线与焊区互连，保证电路能可靠的工作，键合强度来源于金属间化合物的化学键力和分子间作用力。
金丝球焊[4]是引线键合的一种，金丝经过导线管和丝夹，进入劈刀(空心瓷嘴)中，并从劈刀尖伸出来适当的长度(即尾丝)，打火杆产生电火花，将尾丝熔化成球，球的大小和形状由烧球参数(功率和时间)决定，球的直径一般是金丝直径的2～5倍，球的厚度应大于球径的1/6且小于球径的1/3，且不得大于2倍线径。键合时，加热待键合基板，劈刀下降并向金球施加一定压力，同时施加超声振动，将金球焊在焊区上，即完成第一点键合，然后劈刀抬起一定高度，移动到第二焊点的位置完成焊接，移动过程中会按照设定的弧形参数拱出相应的弧形。第二焊点是鱼尾形，为了提高第二焊点的可靠性，通常会在第二焊点上再键合一个金球，即安全球。
3 安全球偏移现象描述与分析
在生产某型号T/R组件时，由于该组件装配密度大，需要键合的金丝数有1567根，手动键合工作量太大，故采用自动键合工艺，其中金丝球焊的自动化率达到100%。
在自动金丝球焊的过程中发现安全球容易偏离主线，具体表现为安全球中心与主线不在一条直线上，这种情况不符合内部目检要求，也降低了第二焊点的可靠性，所以针对安全球偏移这个问题作了如下原因分析：
（1）自动键合机设备的机械振动，包括各个轴的移动速度和加速度、键合时邦头的移动速度等；
（2）安全球参数设置不合理，包括键合压力、超声功率、超声时间、加球模式、加球位置X1值等参数的设置；
（3）劈刀和金丝的选型不合理，包括劈刀孔径大小、金丝延展率；
（4）主线的线弧参数设置不合理，即线弧太松，金丝在劈刀中转动，造成第二点鱼尾缺陷，导致安全球偏移。
4 试验设计
针对原因（1），邦头移动过程中会明显感受到机器震动，故认为键合过程中的震动可能使安全球偏离设定位置，也可能使已键合完毕的金丝发生倾斜，于是将各个轴的移动速度和加速度减小，可以直观感受到轴的移动变得平缓，不再有明显的震动，同时也将键合速度从60%降低到30%，提高了键合的稳定性。但对于安全球偏移问题没有改善，且键合完好的金丝也无任何倾斜，故排除原因（1）。
针对原因（2），加球时的键合压力、超声功率和时间太小会导致安全球虚焊，即浮球，太大会导致安全球形变量太大，以致不符合目检要求，加球模式一般选择先打下第二点再加球，目检发现球形正常，故排除键合压力、超声功率和时间的影响。加球位置应在第二点的鱼尾与主线交界点处，参数X1值越大，安全球越靠近第一点，因此认为安全球偏移的原因可能是X1值太大，在加球时劈刀碰到主线，同时存在超声振动，导致金球滑移，故在原有参数上加10 ms超声延迟，保证超声稳定性，现针对加球位置X1值设计试验，将X1值分别设置为1、1.2、1.4、1.6、1.8、2六个不同的值，安全球偏移问题没有改善，因此排除原因（2）。
针对原因（3），键合所用金丝直径为25μm，劈刀孔径太大会导致金丝在劈刀中转动，键合时易造成焊点缺陷，反之，劈刀孔径太小会导致送丝不畅，我们所用劈刀孔径为38μm，经查阅，孔径为38μm的劈刀建议使用直径为23-28μm的金丝，故劈刀选型没有问题。金丝延展率太大易使键合丝扭曲，太小会增加键合难度，故金丝的延展率要求在2%-7%，我们所用金丝延展率均值为4.01%，故金丝选型也没有问题，所以排除原因（3）。
针对原因（4），线弧模式一般选用标准模式，弧形受控于A、B、C、Max Height、XY Pretrigger、PZ Adjust六个参数，其中A、B、C、Max Height四个参数起主要作用，A为劈刀垂直方向抬起的高度，B为反向移动距离，Max Height 间接影响弧高，C值越大，线弧越松，线弧松容易导致金丝歪斜使其在劈刀中转动，金丝转动后键合的第二点鱼尾存在缺陷，即鱼尾偏离主线，而以鱼尾处为中心，移动X1距离处的位置即为安全球位置，若鱼尾处偏移则会导致安全球偏移。通过优化主线线弧参数，使弧形平滑，无松弛歪斜等现象，安全球偏移问题得到明显改善。以某型号T/R组件为例，所有芯片和电容的Max Height、XY Pretrigger、PZ Adjust值均在3-5之间，芯片高出基板100μm以内，建议用A、B两值控制弧形，可不设置C值，芯片高出基板400μm以内，C值设置在10-35之间为宜，针对于与基板高度差较大的连接器一类的金丝球焊，需增大Max Height值，建议其值为15-20之间，C值在20-35之间为宜。
5结论
全自动金丝键合过程是一个复杂的过程，多种细节都会导致键合不畅，甚至造成键合失效，其中，弧形参数对于键合丝一致性和可靠性都有影响，它的设置要结合芯片与基板的高度差来考虑，弧形太低会使键合丝碰到芯片边缘，弧形太高或太松则键合丝容易歪斜、安全球容易偏移。本文针对于自动键合工艺中安全球的偏移问题提出几种影响因素，并通过试验一一验证，最终解决该问题。
参考文献：
[1] 张满. 微电子封装技术的发展现状[J].焊接技术，2009，38(11):1-5.
[2] 宗飞，等.电子封装中的固相焊接:引线键合[J].电子工业专用设备，2011，7（198）34-39.
[3] 陈永泰，等.贵金属键合丝材料的研究进展[J].贵金属，2014，35(3):66-70.
[4] 余斋，等.热压超声球引线键合机理的探讨[J].电子工艺技术，2009，30(4):190-195.
作者简介：马杨（1992—），女，安徽六安人，硕士，毕业于合肥工业大学，工程师，主要从事微电子组装工艺研究工作。