超声键合的基本原理及过程分析

图8.1 键合到Au基板上的Au丝球焊点

在一个典型的热压超声丝球焊工艺中，一条直径为25μm的Au线将被键合到芯片的Al合金焊盘上和引线框架的Ag焊盘上。图8.1所示为键合到Au基板上的Au丝球焊点，图8.2所示为一卷直径为25μm的Au线。键合过程中将利用热能和超声能量来完成焊点的键合。键合劈刀一般由Al₂O₃陶瓷材料制成，在键合过程中对焊点施加键合压力。如图8.3所示，劈刀将被装夹到变幅杆上，在变幅杆的底部安有一个层叠的压电式换能片组，用来产生超声振动，有关细节将在8.3.1小节进行讨论。超声产生后沿着变幅杆长度方向以纵波形式进行传播，沿着劈刀以横波形式进行传播，如图8.4所示。振动节点将出现在变幅杆或劈刀上。振动节点的数量和位置取决于超声振动频率和劈刀的几何形状。经过变幅杆和劈刀的传递，在劈刀的嘴部将出现振荡的切向位移运动。在装夹芯片和基板（或引线框架）的平台上装有加热底座，由它来提供键合过程中所需要的热量。

图8.2 自动键合机上装载的25_μmAu线线轴

图8.3 自动键合机结构示意图以及键合头部分的实物照片

（下图为焊头的光学照片）

丝球焊键合工艺可借助图8.5进行描述，主要步骤如下：

1）伸出劈刀嘴部的金属丝末端在空气气氛下形成金属球（Free Air Ball，FAB）。利用电火花放电法（Electrical Flame Off，EFO）产生一个电弧，将伸出劈刀嘴部的金属线末端部分熔化，在表面张力作用下，熔融金属在金属丝末端形成一个金属球。金属球凝固后，利用空气吸力将金属线抬升，由于劈刀嘴部直径比金属球直径小，因此劈刀嘴部将阻止金属球进一步向上提升。随后，劈刀将带动金属球移动到球焊点键合位置上。(www.xing528.com)

图8.4 超声振动沿变幅杆以及劈刀传播示意图

图8.5 丝球焊键合过程示意图

2）在键合压力作用下，劈刀带动金属球作用于焊盘上，金属球开始受力变形。数毫秒后，焊机开始起动超声振动并保持一段时间，将金属球键合到焊盘上。整个键合时间一般为5～20ms之间。

3）劈刀抬升，球焊点（第一焊点）将保留在焊盘上，金属线穿过劈刀孔，随劈刀移动。

4）劈刀移动到楔焊点的位置上，穿出劈刀孔的金属线将形成具有特定轨迹的丝弧。

5）劈刀带动金属线降落到焊盘上，采用与球焊点类似的键合参数组合进行楔焊点键合。由于焊点结构不同，这些参数值可能与球焊点的参数值有较大差别。

6）楔焊点完成后，劈刀抬升到一个指定的高度，线夹开始关闭并夹持住金属线，随后线夹开始抬升，金属线将被迫断裂并形成具有一定长度的尾丝，断裂位置一般在楔焊点附近。