第四章 铜线超波球焊工艺的几个重要因素
第三章 超声波球焊设备的结构和作用
3.1 引言
金丝球焊机，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。它的功能主要在封装前，用金丝连接芯片内部电路或将内部电路与管脚连接。
3.2 KS公司球焊机介绍
1、了解球焊机器上的设备原理。
下图3.1所示设备是KS公司生产的球焊设备。该设备广泛应用于各半导体公司的焊线工序，一般来说包括以下几个部分：
图3.1 KS公司球焊机 Fig 3.1 wire bonding of KS
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图3.2 KS公司球焊机结构 Fig 3.2 structure of wire bonding machine
（1）电源控制台
包括电源供应器、资料存储系统、电路控制以及散热系统。 （2）XY工作台（XY Table）
包括有二个线性伺服马达以驱动整个工作台到达定点位置。
（3）焊线头（Bond Head）：位于XY工作台上，主要是完成产品的焊线动作。 (4)影像处理系统：将产品的影像进行辨认工作并将影像传送到屏幕，包含有两个改良扫描的镜头、直斜灯装置、透镜与反射镜与影像控制板，主要作用为辨识及搜寻芯片与引线框架，控制影像的亮度以及提供软件与硬件所支援影像和图像的使用界面。
（5）送线系统：提供焊线到焊线头以进行焊线动作，送线系统控制板处理光学感
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第四章 铜线超波球焊工艺的几个重要因素
应器的讯号驱动。12英寸直径的线轴，提供充足的焊线完成送线的动作。并且提供真空清洁焊线，另外还有侦测焊线的质量的功能。
（6）进料系统：将待焊线产品从进料区导入焊线工作区以及完成的产品退料到成品区，包含有进料升降机构、工作台和退料升降机构。
（7）紧急停止按钮：在紧急状态下，停止机台的电源供应。 （8）人机界面：提供操作者与机台的沟通界面。
（9）显微镜：在调试机器时，观察机器的各个动作是否正常。
（10）信号灯塔：设置的各个信号灯的控制和显示，主要是在正常工作时能及时起到提示操作人员和维修员便捷的知道机器的状态。
（11）蜂鸣器：与信号灯塔一起工作，提示该机台处于何种状态下。 （12）工作灯：起到照明作用。
（13）屏幕：人机交互界面，输入输出工作设置和机台的参数与状态。[1]
3.3 本章小结
本章主要介绍了KS公司的球焊机的设备构成，包括总体架构和关键的结构两部
分，介绍了各个部分构成和功能。
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第四章 铜线超声球焊工艺的几个重要因素
4.1 引言
铜线超声球焊工艺是在金线球焊工艺的基础上进行的，但由于铜线与金线的物理性质的区别，所以，需要对各项工艺因素进行优化和改进。如果只是按照金线球焊的设备和工艺参数进行铜线球焊工艺，会对产品造成很严重的影响。因此，需要先了解有哪些重要的材料和参数需要优化，做什么样的优化，从而才能对铜线超声球焊工艺试行批量性的生产。本章针对铜丝球焊技术的键合因素，包括劈刀、工艺参数（超声能量、压力、温度）以及铜丝、焊盘制造工艺等几个方面开展了一系列研究工作。
4.2 铜线超声球焊的劈刀
铜丝球焊中所使用的键合设备与金丝球焊大致相同。为解决形球过程中铜球易氧化的问题，研究人员研制出铜丝球焊形球防氧化保护装置，如Kulicke&Sofa开发的“Copper Kit”。该装置在形球过程中引入纯氮或氮氢混合气体，对铜球进行保护以防氧化物的形成。铜丝键合技术对键合工具劈刀的设计也提出了新的要求。劈刀的主要结构特征有内腔、劈刀嘴部外圆直径、面角度、劈刀嘴部表面抛光度、中心角等。
与金丝球焊用劈刀相似，铜丝球焊用劈刀设计主要考虑因素有焊盘间距、焊盘窗口尺寸以及金属丝直径等。铜丝球焊技术对劈刀面角度以及劈刀嘴部外圆直径要求更高，合适的面角度与外圆直径匹配能够键合出理想的第一、二焊点，并有效提高焊点可靠性。铜丝球焊中劈刀的面角度适用范围为0~11O度。另外，由于铜球、铜丝硬度较高，铜丝球焊用劈刀需要进行表面耐磨处理，选择更耐磨的陶瓷作为劈刀材料，以
提高铜丝球焊用劈刀的使用寿命。随着塑封材料的发展，无卤化物环保型塑封料成功取代传统塑封料，封装后铜丝易受腐蚀的问题得到有效缓解。球焊所使用的劈刀外形与焊线过程的位置如下图4.1所示。
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第四章 铜线超波球焊工艺的几个重要因素
图4.1焊线劈刀的外形与焊线过程的位置 Fig 4.1 shape of capillary and position for bonding
4.3 键合的工艺参数
4.3.1 键合超声能量
键合超声能量是焊点质量的主要影响因素。超声能量的作用包括增加金属球的变形，挤压焊盘上金属层，增加金属原子的迁移率和晶格位错密度，减小金属材料的屈服强度以利于金属间的扩散连接。铜丝球焊中由于铜丝、焊盘表面附着氧化物、污染物，必须依靠超声能量去除它们以改善可焊性能。超声能量过大将导致焊点疲劳，降低其连接强度；能量过小，去除污染物不充分，导致焊点连接失败或形成虚焊。针对这一矛盾，Nguyen等人提出采用两阶段的超声施加方式，第一阶段能量主要用来去除污染物和氧化物，第二阶段能量主要用于连接，第二阶段超声能量为第一阶段的30％~50％。研究结果表明这种超声能量施加方法可以提高铜球焊点连接强度。另外，结果还显示铜球焊点的连接强度与第一阶段的超声能量大小有直接关系，与第二阶段关系不大。研究发现超声振动方向对第二焊点的抗拉强度有着较大的影响，当振动方向平行于线弧方向时，低温铜氧化物会直接影响到第二焊点与引线框架的连接质量。研究发现超声振动方向对焊点尺寸也有较大的影响，在金焊盘或陶瓷焊盘上，振动方向平行于线弧方向的第一焊点的直径要大于垂直方向的焊点直径。超声振动频率对键合质量也有一定影响。目前，丝球焊中使用的超声频率多为60~140 kHz。研究发现在金焊盘上和铝焊盘上，采用100 kHz超声频率获得的焊点剪切强度要远大于60 kHz超声频率下的焊点。尽管采用超声振动频率为60 kHz后所获得的工艺参数窗口要大于超声振动频率为100 kHz的工艺参数窗口，但100 kHz超声振动的显著优点是使键合时间降
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