趙喜清，周曉軍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

半導(dǎo)體后道封裝工藝包括貼片、引線鍵合和封蓋三大工序。其中貼片包括點(diǎn)膠貼片和共晶貼片兩種工藝；引線鍵合包括球焊和楔焊兩種工藝；封蓋包括平行縫焊和激光縫焊兩種工藝。

引線鍵合是微組裝封裝工藝中的一道關(guān)鍵工序，可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體芯片與芯片間、芯片與封裝基板間的電氣互連，對(duì)半導(dǎo)體功率器件電氣性能和可靠性起決定性作用。引線鍵合工藝的質(zhì)量檢驗(yàn)通常包括形貌的鏡檢、拉力剪切力的抽檢等。影響引線鍵合質(zhì)量的因素有很多，加熱臺(tái)或劈刀輔助溫度、超聲能量(超聲功率和超聲時(shí)間)和焊接壓力等。

引線鍵合工藝朝著焊盤小型化、焊盤窄間距的方向發(fā)展，這就對(duì)引線鍵合提出了更高的要求：焊點(diǎn)的位置精度、大小的一致性等等。焊點(diǎn)的位置精度主要取決于劈刀和焊盤間的定位精度；焊點(diǎn)大小的一致性則取決于焊接壓力和超聲能量輸出的一致性。

本文主要討論自動(dòng)引線楔焊機(jī)的一種壓力控制方式：通過(guò)Z軸測(cè)高和音圈電機(jī)的合力最終實(shí)現(xiàn)焊接壓力精確控制，保證焊點(diǎn)大小的一致性，滿足楔焊工藝的使用需求。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

在引線鍵合工藝中，Z軸測(cè)高是必不可少的環(huán)節(jié)，只有知道準(zhǔn)確的鍵合點(diǎn)高度，劈刀才能夠精準(zhǔn)快速地到達(dá)鍵合點(diǎn)，并配合音圈電機(jī)準(zhǔn)確輸出焊接壓力進(jìn)行引線鍵合，從而實(shí)現(xiàn)高效的鍵合速度及理想的鍵合效果。

本文提出一種設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)一種平行四邊形彈性壓力輸出控制機(jī)構(gòu)，一邊固定于機(jī)頭架上，一邊與變幅桿固定架連接，在彈性機(jī)構(gòu)內(nèi)部安裝有音圈電機(jī)，同時(shí)配備高分辨率傳感器，可實(shí)現(xiàn)測(cè)高的靈敏反饋。機(jī)頭架固定于Z軸運(yùn)動(dòng)部件之上。圖1為鍵合頭測(cè)高機(jī)構(gòu)機(jī)械示意圖。

圖1 鍵合頭測(cè)高機(jī)構(gòu)機(jī)械示意圖

Z軸測(cè)高機(jī)構(gòu)主要由Z向直線電機(jī)及分辨率為0.1μm的直線光柵反饋系統(tǒng)、模擬量式距離傳感器等幾部分構(gòu)成。該方案設(shè)計(jì)了一種平行四邊形彈性壓力輸出機(jī)構(gòu)，是因?yàn)樵摍C(jī)構(gòu)可以保證劈刀在上下微動(dòng)時(shí)能始終與鍵合面垂直，在許多手動(dòng)引線鍵合設(shè)備中也運(yùn)用了類似的原理。

2 電氣控制原理

2.1 Z軸測(cè)高控制

測(cè)高過(guò)程的設(shè)計(jì)思路為：距離傳感器固定不動(dòng)，劈刀頭隨Z軸電機(jī)向下微動(dòng)，當(dāng)劈刀接觸到待鍵合芯片或基板的上表面后，位移檢測(cè)塊會(huì)隨著劈刀Z向繼續(xù)下壓而向上運(yùn)動(dòng)，從而使距離傳感器與位移檢測(cè)塊產(chǎn)生一定的間隙，根據(jù)距離傳感器的原理，當(dāng)存在間隙時(shí)，會(huì)根據(jù)間隙的大小產(chǎn)生0～5V的模擬量電壓輸出，然后通過(guò)模擬量I/O卡，由控制器讀取模擬量電壓信號(hào)，判斷是否有電壓變化量，如果有電壓變化，則說(shuō)明劈刀頭已接觸到被測(cè)物體，此時(shí)停止Z軸電機(jī)運(yùn)動(dòng)并讀取Z向光柵反饋值，記錄當(dāng)前Z向坐標(biāo)值ZH，ZH即為被測(cè)物體高度值。Z向測(cè)高電氣控制原理圖如下圖2所示。

圖2 Z向測(cè)高電氣控制原理圖

Z軸測(cè)高的核心電氣器件為測(cè)高傳感器和直線光柵反饋系統(tǒng)。高分辨率的測(cè)高傳感器和高精度的光柵反饋系統(tǒng)，能夠保證劈刀隨Z軸電機(jī)在下降至接觸到焊接面時(shí)Z軸電機(jī)準(zhǔn)確及時(shí)停止，從而保證平行四邊形彈性結(jié)構(gòu)初始?jí)毫Φ囊恢滦浴１疚亩x測(cè)高后因平行四邊形彈性結(jié)構(gòu)變形所形成的初始測(cè)高壓力為f測(cè)高。

2.2 音圈電機(jī)力矩控制

音圈電機(jī)是直線電機(jī)的一種，具有無(wú)滯后、高響應(yīng)、高速度、力特性穩(wěn)定和控制方便等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)不同的使用需求可以做位置控制和力矩控制。本文中使用的是力矩控制模式，音圈電機(jī)的線圈(及動(dòng)子)與變幅桿固定架相連，運(yùn)動(dòng)控制器向音圈電機(jī)放大器發(fā)送模擬電壓，經(jīng)放大器轉(zhuǎn)換后將電流輸出到音圈電機(jī)線圈，線圈在磁場(chǎng)中產(chǎn)生作用力，該力最終反饋到劈刀，改變電流的大小和方向就能使音圈電機(jī)輸出不同的力。本文定義音圈電機(jī)施加的力為f音圈。

為了能夠準(zhǔn)確控制音圈電機(jī)施加力f音圈的大小，必須要通過(guò)提前標(biāo)定音圈電機(jī)電流和f音圈之間的關(guān)系。而音圈電機(jī)電流的大小是由運(yùn)動(dòng)控制器的輸出所決定的。運(yùn)動(dòng)控制器給出不同的電壓輸出時(shí)區(qū)，測(cè)試此時(shí)劈刀下所對(duì)應(yīng)的壓力就能標(biāo)定出音圈電機(jī)的力控曲線。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求選擇參數(shù)合適的音圈電機(jī)和放大器可以使音圈電機(jī)的輸出曲線接近于一條直線，便于計(jì)算。音圈電機(jī)的選型需要注意持續(xù)推力、峰值推力和電壓電流等，本文不做贅述。

2.3 焊接壓力

對(duì)焊接表面做一個(gè)簡(jiǎn)單的受力分析，可以看到焊接壓力F為f測(cè)高和f音圈的合力，音圈電機(jī)的力f音圈可以改變方向，圖中都有體現(xiàn)。

圖3 焊接表面受力分析

由上面的受力分析可知，焊接壓力F的向量計(jì)算公式如下：

F=f測(cè)高+f音圈.

由2.1Z軸測(cè)高控制所述可知，f測(cè)高為機(jī)械力，是一個(gè)恒定值。那么要控制焊接壓力F的大小只要改變f音圈即可。要保證F的精確控制只需要精確控制f音圈的大小和方向即可。當(dāng)需要較小的焊接壓力時(shí)(焊接壓力F小于f測(cè)高)，音圈電機(jī)的力為向上方向，而當(dāng)需要較大的焊接壓力時(shí)(焊接壓力F大于f測(cè)高)，則需要音圈電機(jī)的力方向向下與f測(cè)高一致。

3 壓力測(cè)試

從兩方面進(jìn)行壓力測(cè)試，一是通過(guò)壓力傳感器直接測(cè)焊接壓力的輸出值，二是通過(guò)觀察引線鍵合后焊點(diǎn)形變的一致性和引線拉斷力的一致性，側(cè)面驗(yàn)證焊接壓力的控制精度。

3.1 實(shí)測(cè)焊接壓力

首先用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)壓力傳感器的放大器進(jìn)行校準(zhǔn)，使壓力傳感器在放大器上的讀數(shù)與實(shí)際重量相同，這樣測(cè)量精度才能滿足測(cè)試要求；然后通過(guò)設(shè)備中壓力校準(zhǔn)功能界面對(duì)設(shè)備焊接壓力進(jìn)行標(biāo)定；最后在界面中設(shè)置多個(gè)壓力值并通過(guò)放大器讀取實(shí)際壓力測(cè)量值，與設(shè)定值比較偏差在1gf之內(nèi)判定為壓力輸出合格。在測(cè)試設(shè)備的功能界面，內(nèi)置一鍵壓力標(biāo)定和壓力實(shí)際輸出測(cè)試功能。

表1為隨機(jī)抽測(cè)的一組壓力測(cè)試數(shù)據(jù)。可以看出所有壓力實(shí)測(cè)值與設(shè)定值偏差都小于1gf，證明該壓力控制方法下的焊接壓力精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

表1 焊接壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù) gf

3.2 焊接效果一致性測(cè)試

在超聲引線鍵合工藝中，焊接壓力是影響最終焊接效果的因素之一，超聲能量的穩(wěn)定性同樣對(duì)焊接效果有影響，二者相輔相成。鍵合一組焊接參數(shù)完全相同的排線，通過(guò)高倍體式顯微鏡觀察最終的焊接效果，并通過(guò)拉力剪切力測(cè)試儀對(duì)其中部分引線做拉斷破壞測(cè)試，如果焊點(diǎn)形貌一致性很好，而且拉斷力分布均勻，就能證明設(shè)備參數(shù)的穩(wěn)定性比較好，也就側(cè)面驗(yàn)證了焊接壓力的控制精度。

下面為使用該壓力控制技術(shù)后引線鍵合的實(shí)物圖。

圖4 引線鍵合實(shí)物圖

表2為圖4引線使用Dage4000拉力剪切力測(cè)試儀測(cè)試的部分引線的拉斷力數(shù)據(jù)。共測(cè)試引線拉力數(shù)據(jù)20個(gè)，平均拉力為16.888g，標(biāo)準(zhǔn)方差為0.394g。

表2 部分引線拉斷力數(shù)據(jù) gf

從圖4,表2可以看出測(cè)試的引線焊點(diǎn)形變一致性很好，拉力測(cè)試分布均勻。從側(cè)面證明焊接壓力的控制精度完全滿足楔焊生產(chǎn)工藝要求。

4 結(jié)論

在引線鍵合工藝中，壓力的精確控制是獲得良好鍵合的重要保證，壓力偏大可能會(huì)造成芯片的損傷，壓力偏小會(huì)使焊點(diǎn)鍵合強(qiáng)度達(dá)不到要求。

本文提出了一種基于Z軸測(cè)高和音圈電機(jī)合力的壓力控制技術(shù)，并將其應(yīng)用于全自動(dòng)引線楔焊機(jī)QXH-3116中，將控制算法固化到設(shè)備操作軟件功能當(dāng)中。通過(guò)該設(shè)備相應(yīng)功能輸出測(cè)試壓力和鍵合一組排線兩種方式來(lái)驗(yàn)證壓力控制精度，并通過(guò)讀取壓力實(shí)測(cè)值和使用顯微鏡鏡檢鍵合后引線焊點(diǎn)形貌一致性兩種方法進(jìn)行壓力控制檢驗(yàn)，可以證明使用該技術(shù)后焊接壓力的控制精度誤差在1gf之內(nèi)，滿足產(chǎn)線的引線楔焊工藝的需求。