1 研究背景
金丝引线键合始于1957 年，是运用韶光最早、运用范围最广的键合办法之一[1]。金丝引线键合分为球焊和楔焊两种。球焊的难度较低，拉线灵巧，适宜键合高度差和线长变革大的产品，由于球点的存在，弧高无法做得足够低，对应的电路指标也会降落，适宜低频电路，一样平常用于直流偏置线和接地线的键合。楔焊的焊点小且弧高可以对称渐变地掌握在75 μm 以内，电路指标特性好，一样平常运用于通路的电路互连。
键合的实质是两种材料之间形成原子间的相互领悟和可靠连接。想要实现两种材料原子间的相互领悟连接，须要增加额外的能量驱动，从而使得两种材料之间形成键合形成层。
如图1 所示，经由超声热压的键合浸染，材料1和材料2 在打仗面形成了稳定的键合形成层，从而可靠地连接在一起。键合点的拉力测试和剪切力测试也是为了测试键合形成层的强度，如何担保键合形成层的可靠性是金丝引线键合技能的关键。
2 金丝引线键合的影响成分探究
对全体键合过程进行研究剖析，金丝引线键合有7 个紧张影响成分：键合设备调试、劈刀选型、超声、温度、压力、劈刀洗濯和产品的可键合性。
2.1 键合设备调试
手动球焊机调试的关键点是打火杆与劈刀的间距、尾丝长度、打火电流和打火韶光。打火杆与劈刀的间距应在1 mm 旁边，间距过大会导致送丝参数和打火参数的数值设置偏大，键合过程中的不稳定性增加。尾丝长度应得当，太小会导致球点偏小、送丝不稳定，太大会使金丝碰触打火杆导致打火失落败。打火电流和打火韶光应有得当的区间，太小会导致球点偏小、球不成型，太大会导致球点偏大、根部伤线。类似于Westbond 机型的键合机通过凸轮带动线夹的机器往来来往运动进行送丝，会存在凸轮复位点偏移导致送丝量变革的问题。针对这一问题，可以在凸轮上画线标记复位点，如果涌现复位点偏移可以手动进行规复。
自动球焊机对送丝的哀求更高，其通过气控送线和真空回吸的共同浸染进行线控，设备整体输入气压不能太大，太大会导致整体线控不稳定，同时回吸真空量设置应得当，能够始终使金丝在键合过程中呈现直线送丝状态。
楔焊机调试最主要的是劈刀的垂直度调试和断丝参数的设置。楔焊难度大，对劈刀垂直度的哀求极高，如果劈刀键合面与产品被键合面之间打仗不充分，会严重影响键合效果。断丝参数的设置应以只管即便形成最完全的焊点，同时又不会导致第二焊点后非常断线和跳线为宜。
2.2 劈刀选型
球焊一样平常选用陶瓷劈刀，劈刀选型的关键是劈刀前真个形状。如图2 所示，球焊劈刀根据前真个形状变革分为很多种。对付键合效果来说，劈刀前真个整体形状变革越剧烈，键合稳定性越差。因此，没有深腔近壁键合需求的产品可首选常规款的劈刀。
楔焊劈刀根据材料的不同也分为多种：硬金属陶瓷劈刀、软金属陶瓷劈刀、碳化钛劈刀、碳化钨劈刀及其他类合金钢劈刀。不同材质的劈刀键合特性也不同，工艺职员须要根据自身产品有针对性地进行选型。一样平常来说硬金属陶瓷劈刀耐脏、耐磨，但是键合效果差，适宜可键合性高的产品；碳化钛和碳化钨劈刀性能相对均衡，适宜大多数产品；其他类合金钢劈刀根据材料的不同会有各自不同的键合特性。工艺职员须要以产品的实际键合效果为选型依据，选择最适宜自身产品的劈刀。如果自身产品的可键合性差，可以考试测验采取某些分外材质的劈刀。例如，深圳市海志亿半导体工具有限公司生产的一款国产合金钢劈刀，在应对某些可键合性差的镀层时，其键得当配特性就表现得非常精良。
2.3 超声对键合的影响
键合设备最核心的部分是超声功能，包括超声触发和超声通报。
如图3 所示，超声板中进行特定频率电压的发生与转化，终极形成互换电压浸染到压电陶瓷换能器；压电陶瓷换能器经由互换电压的勉励后，会根据电压幅度的变革产生前后的伸缩振动；前后的伸缩振动再通过劈刀浸染到键合面，从而实现超声能量的通报，过程中能量的转化是电能转化为机器能[2]。
键合机的超声发生器一样平常分为3 种：65 kHz 的低频超声发生器、110 kHz 的高频超声发生器和自动楔焊机用的140 kHz 超声发生器，不同频率的超声发生器匹配不同的换能器。频率低的键合机通用广泛性更高、稳定性更强，指标窗口范围更广；频率越高的键合机指标窗口范围越窄，须要更强的阻抗匹配、劈刀选型和机器调试。
对付球焊来说，低频键合机在针对一些分外的长柱状构造面的键合时，存在超声损耗的问题，须要采取高频的球焊机进行办理。除分外情形外，球焊和楔焊都应在知足自身产品键合哀求的情形下，只管即便选择低频键合机，以降落利用难度。
2.4 温度对键合的影响
温度是金丝引线键合过程中主要的外加能量驱动，特殊是对楔焊来说，键合机环形加热丝可以加热软化金丝，加热台可以加热活化产品键合面，均有利于产品的键合。须要把稳的是，键合机加热丝的温度设置不能太高，太高会影响换能器的性能，而且加热丝不能碰触劈刀，否则将会影响超声的键合浸染。
加热台的温度设置须要根据产品内部实际情形、锡焊的耐受温度以及各种器件的耐受温度等进行综合考量，在楔焊过程中只管即便提高键合温度。此外，加热台须要定期进行测试，当显示温度和实际测试温度差异较大时，须要进行温度补偿校准。
2.5 压力对键合的影响
压力在键合过程中用于将劈刀的超声能量、加热丝和加热台热能进行综合驱动。影响压力效果的成分有机器构造稳定性和劈刀垂直度两个方面。如果是纯挚采取机器弹簧进行手动调节压力，则应定期检讨压力的稳定性和准确性；如果是电子校准的压力系统则须通过键合前的压力校准进行确认。其余，键合压力与键合超声功率之间有得当的匹配区间，并不是固定不变的。键合压力过大会影响超声的运动，键合压力过小会导致超声浸染不稳定，因此，工艺职员须要根据劈刀特性和终极的键合点情形综合考量设置得当的键合压力。在实际利用中常常犯的缺点便是针对所有劈刀采取同样的固定键合压力，在键合过程中只是调节键合功率和键合时间的大小，此方法明显未考虑到不同材质的劈刀具有不同的键合特性。
键合过程中一定要担保劈刀的前端键合面与产品的被键合面充分打仗、摩擦，以充分进行超声能量的通报。实际操作过程中可以在实验板上进行不穿线的空打，调节键合功率的大小并不雅观察键合印迹的变革，如果键合印迹与劈刀端面的形状不符合，则剖断劈刀垂直度有问题。
如图4 所示，键合时的劈刀垂直度不良，会影响焊点的形状和可靠性。如果是设备的机器轴垂直度不良，可以用直角规进行换能器垂直度的调节；如果是劈刀本身的缘故原由，则应改换合格的劈刀。经由实际履历验证，采购的劈刀会有一定比例存在垂直度不良的问题，工艺职员可以根据实际情形，对采购的劈刀进行入库前的考验筛选。
2.6 劈刀洗濯
楔焊劈刀和球焊劈刀在利用一定韶光后，前端键合面均会涌现污染物和氧化膜层，在显微镜下不雅观察表现为发黑、发灰。
如图5 所示，球焊劈刀在利用一段韶光后前端键合面粘污严重，进行洗濯后又规复到干净的状态。劈刀键合面涌现污染物和氧化膜层会导致键合过程中抓线不牢，劈刀与线的相对滑动增大，有效浸染到焊点上的超声能量减少，可能会涌现打不上、打不牢、焊点不全等各种非常征象。对付楔焊来说这一问题则更加明显，劈刀粘污严重会直接导致无法键合。因此，劈刀利用一段韶光后须要根据实际情形采取专门的劈刀洗濯液进行洗濯。劈刀洗濯液分为碱性和酸性两种，目的都是去除劈刀键合面的污染物和氧化膜层。应根据劈刀的材质选择得当的洗濯方法，洗濯不当可能会导致劈刀堕落。其余，劈刀有利用寿命限定，如果在显微镜下不雅观察到劈刀端面磨损严重，则应及时做废弃处理，磨损严重的劈刀不能反复洗濯利用。
2.7 提升产品的可键合性
产品的可键合性紧张表示在镀层的加工掌握、组装过程中的镀层污染掌握、键合前的等离子洗濯3个方面。
镀层的加工掌握是提升可键合性最关键的方法：得当的电镀电流可以担保键合时镀层表面的附着力；得当的镀层厚度可以改进键合的指标；纯净单一的电镀槽环境可以改进镀层的软硬度，防止涌现多种离子的电镀污染，使镀层光滑坚硬。当然，对全体电镀过程进行完备有效的掌握非常困难，产品镀层难免会涌现批次性的颠簸，因此对电镀产出品及时进行有效的可键合性测试跟踪非常有必要。
镀层在组装过程中须要经历焊接、胶粘、高温固化等各种工艺。个中，在掌握组装过程中防止镀层表面的污染非常主要，须要根据各自的产品特点对组装过程加以掌握。焊接完成后应有效打消镀层表面的松喷鼻香等污染物，以及在胶粘过程中掌握胶水印的污染。此外，在高温固化过程中选择厌氧清洁型烘箱，可减少镀层在高温下的氧化污染。
键合前的等离子洗濯可以提高键合点的黏接力，增强键合可靠性。等离子洗濯机一样平常有中频等离子洗濯机和射频等离子洗濯机两种。中频等离子洗濯机单颗离子的能量大，整体密度低，更适宜宏不雅观的粗洗；射频等离子洗濯机单颗离子的能量和整体密度都相对适中，更适宜微不雅观的改性洗濯，一样平常运用于键合前镀层表面的洗濯。
其余，也要重视键合金丝的存储，建议采取专用的氮气柜进行厌氧干燥环境下的密封保存。产品的可键合性提升属于微不雅观观点，涉及的范围非常广，任何眇小环节的改进都会对产品的可键合性起到提升效果。如果所有前真个过程均不加以有效掌握，全部累积到末了的键合工序，那么键合难度会非常大，问题会难以办理。
3 键合生产过程中的管理问题
键合哀求高，难度大，属于关键掌握工序，键合生产过程中的管理问题同样须要引起高度重视，紧张表示在以下4 个方面。
（1）冗长繁杂的过程记录。一味追求书面的严谨性将导致实际生产过程很难操作，书面的过程记录韶光占比太大，在终极操作层面得到的结果每每是失落真的。
（2）操作职员缺少对键合实质和键合设备事理的根本认知。虽然实际生产过程受制于追求职员低本钱和产品赶进度等现实哀求，但是想办法提高操作员对付键合实质和键合设备事理的根本认知水平也有较高收益率，可以提高产品的质量水平和正向勉励操作效率。
（3）键合设备混用。基于现实考量，键合设备每每是多人混用，很随意马虎造成键合设备管理的混乱和失落控，因此应设立键合设备专人专用制度。
（4）键合质量问题的处理方法。键合出问题可能是多个方面导致的，不进行充分的剖析和预防方法的改进，而只是一味地惩罚操作职员或者是重复进行产品返工，每每会导致操作职员创造问题后担心被惩罚或者增加个人事情量而不敢上报，终极导致很多隐性子量问题的发生。
键合生产过程中的管理问题最随意马虎被忽略，隐秘性更强，对键合生产的实际影响也较大。相较于管理职员纯挚催生产进度的模式，采取键合综合能力强的职员进行专管的有效性会更强。
4 结论
金丝引线键合已经深入运用到电子组装类的各个行业，由金丝引线键互助为根本，又延伸出了金带键合、铝丝键合和铜丝键合等多种办法[3]。键合效果的影响成分浩瀚，在实际利用过程中不能有思维定式，如果大略直接地引用国外或者其他单位的干系工艺，很可能会存在不适用的情形。工艺职员须要以各自的实际情形为出发点，从细节上进行全面的剖析处理。在半导体家当链国产化的趋势下，建议工艺职员优先选择国产干系键合设备与国产干系耗材，并在国产技能支持下，探寻更加有利于自身键合工艺研究和发展的道路。
来源：刘凤华 半导体封装工程师之家
半导体工程师半导体履历分享，半导体成果互换，半导体信息发布。半导体行业动态，半导体从业者职业方案，芯片工程师发展进程。190篇原创内容"大众年夜众号
