江苏科技大学工程硕士学位论文
的原始交界面处几乎接近原子力的范围，两种金属原子产生相互扩散，形成牢固的焊接。超声波键合不加热(通常是室温)，是在施加压力的同时，在被焊件之间产生超声频率的弹性振动，破坏被焊件之间界面上的氧化层，并产生热量，使两固态金属牢固键合。这种特殊的固相焊接方法可简单地描述为：在焊接开始时，金属材料在摩擦力作用下发生强烈的塑性流动，为纯净金属表面间的接触创造了条件。而接头区的温升以及高频振动，又进一步造成了金属品格上原子的受激活状态。因此，当有共价键性质的金属原子互相接近到以纳米级的距离时，就有可能通过公共电子形成了原子间的电子桥，即实现了所谓金属“键合”过程[5]。超声波焊接时不需加电流、焊剂和焊料，对被焊件的理化性能无影响，也不会形成任何化合物而影响焊接强度，且具有焊接参数调节灵活，焊接范围较广等优点。热压超声波键合工艺包括热压键合与超声波键合两种形式的组合。就是在超声波键合的基础上，采用对加热台和劈刀同时加热的方式，加热温度较低(大约150℃)，加热增强了金属间原始交界面的原子相互扩散和分子(原子)间作用力，金属的扩散在整个界面上进行，实现金属线的高质量焊接。热压超声波键合因其可降低加热温度、提高键合强度、有利于器件可靠性而取代热压键合和超声波键合成为引线键合的主流。引线键合有两种基本形式：球形键合与楔形键合。这两种引线键合技术的基本步骤包括：形成第一焊点(通常在芯片表面)，形成线弧，最后形成第二焊点(通常在引线框架／基板上)。两种键合形式的不同之处在于：球形键合中在每次焊接循环的开始会形成一个焊球，然后把这个球焊接到焊盘上形成第一焊点，而楔形键合则是将引线在加热加压和超声能量下直接焊接到芯片的焊盘上[7]。
2.4 超声波球焊的原理
球形键合时将金属线穿过键合机毛细管劈刀(capillary)，到达其顶部，利用氢氧焰或电气放电系统产生电火花以熔化金属线在劈刀外的伸出部分，在表面张力作用下熔融金属凝固形成标准的球形(Free Air Ball，FAB)，球直径一般是线径的2～3倍，紧接着降下劈刀，在适当的压力和定好的时间内将金属球压在电极或芯片上。键合过程中，通过劈刀向金属球施加压力， 同时促进引线金属和下面的芯片电极金属发生塑性变形和原子间相互扩散，并完成第一焊点，然后劈刀运动到第二点位置，第二点焊接包括楔形键合、扯线和送线，通过劈刀外壁对金属线施加压力以楔形键合方式完成第二焊点，之后扯线使金属线断裂，劈刀升高到合适的高度送线达到要求尾线长度，然后劈刀上升到成球的高度。成球的过程是通过离子化空气间隙的打火成球过程实现的。球形键合是一种全方位的工艺(即第二焊点可相对第一焊点360o任意角度)，球形键合一般采用直径75 m以下的细金丝，因为其在高温受压状态下容易变形、抗氧化性能好、成球性好，一般用于焊盘间距大于100 m的情况下。球形键合工艺设计原则：(1)焊球的初始直径为金属线直径的2～3倍。应用于精细间距时为1．5倍，焊盘较大
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第二章 半导体封装中引线键合的基本原理
时为3～4倍；(2)最终成球尺寸不超过焊盘尺寸的3／4，是金属线直径的2．5～5倍；(3)线弧高度一般为150 um，取决于金属线直径及具体应用；(4)线弧长度不应超过金属线直径的100倍；(5)线弧不允许有垂直方向的下垂和水平方向的摇摆。
2.5 超声波球焊的过程
焊丝球焊机是一款利用超声波焊线技术，在压力和超声波能量共同作用下，用细小的金线连接IC芯片电极与框架上的焊盘，从而实现封装前的芯片(硅片)内部引线焊接的高科技机电一体化设备。主要应用于发光二极管、中小型功率三极管、集成电路及一些特殊半导体器件等内部引线的焊接。首先对焊线机的动作过程作适当了解。
在焊线前，必须先做好准备工作，包括机器的自检、劈刀的安装、劈刀穿线，调整尾丝长度，手动打火烧球一次，将尾丝烧制成一个金丝直径2-～5倍的金球。焊线机焊一条线的动作流程如下图所示，主要包括以下动作：
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图2.2 球焊示意图 Fig2.2 bonding sketch map
2.5.1 初始位置
开机或复位后劈刀停留的位置，或者每次第二焊点焊接完成后，劈刀上升回到的位置称为初始位置。一般要求在初始位置时，劈刀尖到焊接面距离要大于5且小于7mm，此时劈刀下应有前一次焊接动作完毕时烧成的金球，或者重新穿线后手动按下烧球按钮烧成的金球，并且线夹处于夹紧状态。
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第二章 半导体封装中引线键合的基本原理
2.5.2 第一焊接检查
焊头架开始下降，线夹张开，劈刀下降把金丝拉至劈刀尖端，同时拉下金丝，当劈刀尖下降至焊件一定距离时停止，该距离调整为2倍金球高度，这一位置称第一焊接检查位置，此时线夹处于张开状态，在此位置可检查焊点与劈刀是否对准，如果劈刀未对准焊打，可移动工作台，对准焊点位置。 2.5.3 第一焊接
第一焊接检查完成后，劈刀慢速下移，劈刀碰到被焊面，使变幅杆前端上抬，焊头尾部检测触打断开，焊头停止下移，此时第一焊接压力、第一超声功率通过劈刀施加于焊件上，进行第一打焊接，并计时。此时，劈刀在焊件上停留的时间称为第一焊接时间，第一焊接时间结束后，超声功率输出结束，此时金球焊于IC芯片内部相应的焊盘上。 2.5.4 拉线位置
第一焊接时间结束后(即第一焊接完毕后)，焊头架快速回升，此时线夹张开，金丝处于释放状态，劈刀上升至预定位置，这一位置称拉线位置，也叫拱丝位置。 2.5.5 第二焊接瞄准
移动工作台，用聚光点瞄准第二焊打，此时线夹处于张开状态，焊丝拉移一定角度，第二焊点移至劈刀下。 2.5.6 第二焊接检查位置
在第二焊接瞄准位置，焊头架下降至焊件一定距离停下，该距离应调整为2倍金丝高度，此位置称第二焊接检查位置，可进行检查和调整。 2.5.7 第二焊接
第二焊接检查完成后，劈刀慢速下移，劈刀碰到被焊面，使变幅杆前端上抬，焊头尾部检测触打断开，焊头停止下移，此时第二焊接压力、第二超声功率通过劈刀施加于焊件上，进行第二打焊接，并计时。此时，劈刀在焊件上停留的时间称为第二焊接时间，第二焊接时间结束后，超声功率输出结束，此时金线焊于IC芯片内部相应的焊盘上。 2.5.8 扯丝
第二焊接完成后，焊头快速上升，线夹夹紧金线并将其扯断。
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2.5.9 成球位置
金线被扯断的瞬间，打火杆尖对金线高压放电，将劈刀尖下的金线烧成金球，(10)回到初始位置
打火烧球工序完成后，焊头回到初始位置，完成一条焊线的焊接。
2.6 本章小结
本章主要介绍了半导体封装和其中焊接工艺的概念和特点，从中可以知道，超声球焊工艺在半导体封装中起到举足轻重的作用，因此，要将传统的金丝球焊改成铜丝球焊，就必须从设备、材料、工艺、性能等方面进行研究和验证，保证产品的性能和可靠性，从而提高半导体器件的性能价格比。
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