引線鍵合中劈刀安裝高度對振幅影響的研究

張永聰，馬生生，趙喜清，郝艷鵬

( 中國電子科技集團公司第二研究所， 山西 太原030024)

引線鍵合是在IC 芯片和封裝之間實現電氣互連的工藝技術。目前主要有熱超聲球焊、超聲楔形焊和熱壓球焊等3 種鍵合工藝[1]。不論哪種鍵合工藝，其最終目的都是通過機械作用實現引線與焊盤兩端金屬的相互擴散，形成牢固的連接。鍵合工藝的可靠性在鍵合過程中主要依賴鍵合力、超聲時間、超聲能量和溫度等參數。其中超聲能量的有效傳遞受到換能器、超聲波發(fā)生器、劈刀及其固定方式的影響。

本文以超聲楔形焊劈刀為研究對象，利用F&K 光電位移測量系統(tǒng)，研究在同一換能系統(tǒng)條件下，不同長度劈刀在不同安裝高度時劈刀尖部振幅的變化，通過實驗數據分析對比，為鍵合工藝可靠性分析提供數據和理論基礎。

1 劈刀

劈刀，作為鍵合工具，其材料、形狀、長度及安裝方式都是影響引線鍵合成功的重要因素。常用的劈刀材料有碳化鎢、碳化鈦和陶瓷等幾種。

碳化鎢是一種硬質合金，機械加工難度較大，加工可靠性低，抗破損能力較強，被推薦用于頂部直徑小于0.127 μm 的劈刀[1]。碳化鈦與碳化鎢相比較，材料密度低，柔韌性好。陶瓷材料具有低熱導率，耐磨損等優(yōu)點。

劈刀形狀的選擇取決于鍵合焊盤尺寸、間距、引線類型和直徑及周圍影響因素等，如圖1 所示。劈刀長度的選擇主要取決于鍵合器件腔體深度。在換能系統(tǒng)（換能器和超聲波發(fā)生器）不變的情況下，劈刀長度的改變及安裝高度均會對焊點變形產生影響。

圖1 部分劈刀類型形狀示意圖

更換劈刀時，固定劈刀頂絲的松緊度可以利用扭矩扳手保證一致性，但劈刀安裝高度一致性只能通過專業(yè)設計的安裝夾具保證。

2 換能系統(tǒng)

換能系統(tǒng)是通過壓電陶瓷換能器把超聲能量由電能變換為機械能，其轉換效率決定鍵合質量。分析換能系統(tǒng)的性能，需要從換能器內在和外在兩個變量分析。

2.1 內在變量

內在變量是指換能器使用的材料。低阻抗換能器可以在較短的時間鍵合高質量的焊點。

2.2 外在變量

外在變量主要包含以下四個方面：

（1）換能器的設計；

（2）換能器上緊固劈刀頂絲的扭矩；

（3）劈刀的材料；

在使用相同超聲換能器及相同劈刀結構的情況下，超聲波傳遞到碳化鈦劈刀產生的刀頭振幅比碳化鎢劈刀大20%[2]；

（4）劈刀的長度；

楔焊劈刀長度常用的有19.05 mm、25.4 mm和30.48 mm 等幾種型號。

3 實驗與結果

實驗涉及到的工具及儀器如表1 所示。

表1 實驗用工具及儀器

儀器之間連接如圖2 所示，劈刀安裝高度如圖3 所示。

圖2 實驗工具及儀器連接示意圖

圖3 劈刀安裝高度示意圖

實驗步驟：

（1）把換能器固定在夾具上，并與超聲波發(fā)生器（test level 設置為50%，fullscale 設置為0.1 W）連接；

（2）把19.05 mm 劈刀用扭矩扳手（15 cN·m）通過頂絲緊固在換能器上（H=0 mm）；

（3）把ODS-20 光電位移測量系統(tǒng)測量頭放置在劈刀頭部下方，按超聲波發(fā)生器“Test”按鍵，在軟件中獲取劈刀的振幅曲線；

（4）分別設置超聲波發(fā)生器“fullscale”參數為0.2 W 和0.4 W，按超聲波發(fā)生器“Test”按鍵，在軟件中獲取劈刀的振幅曲線；

（5）依次調節(jié)19.05 mm 劈刀在換能器上（H=-1 mm，-0.5 mm，0.5 mm，1 mm，1.5 mm，2 mm）的位置并重復以上步驟；

（6）更換25.4 mm 劈刀并重復以上步驟。

實驗獲得部分劈刀振幅曲線如圖4 和圖5所示。

圖4 19.05mm 劈刀振幅曲線

圖5 25.4 mm 劈刀振幅曲線

19.05 mm 劈刀和25.4 mm 劈刀分別在不同安裝高度和不同超聲功率下的振幅分布圖如圖6和圖7 所示。

圖6 19.05 mm 劈刀振幅分布圖

圖7 工作平臺設計

圖7 25.4mm 劈刀振幅分布圖

4 結 論

（1）針對19.05 mm 劈刀當劈刀高度處于0 mm≤H≤1.5 mm 范圍內微調時，劈刀振幅變化不大，說明此換能系統(tǒng)針對19.05 mm 劈刀的耦合性較好。

（2）針對25.4 mm 劈刀不論劈刀高度微調時其振幅變化較大，當劈刀高度處于1 mm≤H≤1.5 mm 范圍時其振幅幾乎為零，說明此換能系統(tǒng)針對25.4 mm 劈刀的耦合性較差。

（3）若此換能系統(tǒng)針對深腔器件使用25.4 mm劈刀時，只能在劈刀高度-1≤H≤0 時，調節(jié)工藝參數，如超聲功率和時間，保證鍵合效果。

（4）此實驗充分驗證了在換能器的初始設計時要保證鍵合工具和換能器的耦合性，必須充分考慮鍵合工具尺寸的變化。