基于某型號鍵合機打火異常問題的研究

宋昊

（中電科儀器儀表有限公司，山東青島，266555）

0 引言

在電子封裝技術不斷趨于成熟的當下，對電子封裝技術、材料、設備等方面的細節的研究顯得尤為重要，在細節上的提升、原理方面的探索是電子封裝技術繼續提高、進步的渠道。鍵合作為電子封裝技術的關鍵工序，其工藝復雜、影響因素多。健合工序依據鍵合方式分成了球型鍵合和楔型鍵合、其主要區別在于鍵合點的形狀。球健合第一點形狀為球狀，是由鍵合機燒球后形成。因此球鍵合的影響因素更為復雜，多了打火成球的步驟，因此如何控制成球是球鍵合可靠性控制的第一步，本文主要以打火參數為重點，探討成球的設備因素，并探究其根本原理。

1 球鍵合機燒球原理

如圖1所示，打火桿距離劈刀尾端約1.1mm,尾絲長度約0.9mm,球鍵合機燒球，是由打火桿放電，高壓擊穿空氣，使得金絲尾端熔化成金球。

圖1 打火桿與劈刀位置關系

2 問題描述

此問題出現于鍵合工序，在模塊鍵合過程中，操作人員反饋鍵合機頻繁出現打火異常，平均每鍵合3根線出現一次，打火后劈刀下方沒有金球，并且設備無法向下送絲，只能把金絲扯出劈刀后重新穿絲。

3 問題分析

根據可能導致此問題的幾個因素畫出魚骨圖分析。

■3.1 操作人員問題

操作人員都是工作了10年以上的員工，操作經驗豐富，可能會有馬虎現象，但此問題不會頻繁發生；同時，此問題各個時間段都會出現，換人操作問題并未改善。因此與員工操作無關。

圖2

■3.2 物料耗材問題

所使用的金絲規格不變，保存環境良好，溫濕度均符合金絲儲存條件，一直未出現問題，更換金絲后，問題也沒有改善。

■3.3 工藝問題

工藝方法和工藝流程都未改變，之前同樣的模塊以此工藝方法和流程操作沒有問題，因此基本排除工藝因素的影響。

■3.4 機器設備問題

排查設備故障發現設備機械功能、設置程序功能正常，電氣供應正常，因此排除設備故障；推測設備參數導致的打火異常。而影響打火的參數因素主要有：第二點鍵合功率、尾絲設置、劈刀與打火桿的位置關系、打火功率和打火時間設置。

4 實驗驗證

在與生產條件相同的情況下，使用此型號鍵合機在實驗電路上進行鍵合實驗。

實驗設計:首先調節鍵合的超聲參數，探索是否由鍵合超聲參數導致;調節鍵合時間參數，排除鍵合時間的影響;調整尾絲參數和劈刀與打火桿的距離，確定因為尾絲不合適導致的打火異常;最后調整打火電源的參數，最終確定導致此次問題的因素。

■4.1 降低第二點超聲功率

第二點功率太大會導致金絲粘在劈刀上，無法正常送絲，打火失敗，但在此實驗過程中，打火電源顯示打火成功，并觀測到如圖3所示的金球。

如圖3所示，打火之后尾絲了金球，但是金球尺寸偏小，為24.71μm。因此會導致金球卡在劈刀孔里，并非鍵合功率的問題。

■4.2 調整尾絲和劈刀與打火桿距離

由圖3推測可能是尾絲不夠長或者劈刀離打火桿太遠導致雖然打火成功，但是打火不良。實驗過程調整打火桿位置和尾絲長度，作用不大。但發現了如圖4的問題。

圖4

在打火桿上偶然發現一個掉落的金球，由此分析掉落金球可能是由于打火參數過大導致，而掉落金球的同時，金絲尾端還帶有一個小的不規則金球（如圖3），推測是由于打火功率大，燒球時間長導致燒球后，因時間過長，燒成的金球不能冷卻，從而滴落下來，而長時間的打火電流通過，又形成了一個不規則的小金球。

■4.3 降低打火時間和打火功率

調整打火電源參數，打火功率降低1.6，打火時間降低2，重新穿線調整尾絲后進行鍵合。在實驗板上鍵合200根金絲后未發生打火異常現象。操作人員恢復生產，在產品上進行操作，恢復正常。因此推斷4.2中掉落金球并二次燒球是由于打火參數偏大導致的推測是正確的。

5 問題原理

由原理圖可知，長時間打火，導致熔化的金球在重力作用下掉落，電流的持續通過導致形成二次熔球，當打火結束后，金絲回抽，二次熔球的金球很小，但是會卡在劈刀口上，從而導致雖然打火成功，但是鍵合時發現沒有金球，送絲也送不下來的情況。

圖5 二次燒球原理

6 結論

通過以上分析，降低打火參數，如圖6所示。

圖6 打火參數調整

由打火參數調整前（圖6(a)）和打火參數調整后（圖6(b)）對比，打火功率由5.5調到3.9，打火時間由4.9調到2.9，解決問題。因此得出結論鍵合機打火異常的影響因素除了尾絲長短、第二點鍵合參數之外，與打火參數也有很大關系，打火參數過小會導致無法成球，打火參數過大會導致二次燒球。

球鍵合中，打火成球是保證球鍵合可靠性的第一步，是非常重要的一個環節。影響成球的因素有很多:金絲質量、尾絲長度、劈刀與打火桿之間的距離、第二點鍵合參數、打火桿表面的氧化程度和打火參數。而此次打火異常的主要影響因素是打火參數，經過試驗得出的結論是:打火參數偏大，主要是打火時間長，導致尾絲熔化成球后滴落，此時依然處于打火狀態，但處于打火狀態接近結束的時候，因此又形成了一個不規則的小金球，打火結束后，線夾帶著金絲回抽，尺寸較小的金球卡在了劈刀口上，這就導致了鍵合時發現沒有球，再打火時沒有尾絲、不成球的現象。