文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述鋁絲鍵合的步驟。

鋁絲鍵合常借助超聲楔焊技術(shù)，通過超聲能量實(shí)現(xiàn)鋁絲與焊盤的直接鍵合。由于鍵合所用劈刀工具頭為楔形，使得鍵合點(diǎn)兩端同樣呈楔形，因而該技術(shù)也被叫做楔形壓焊。超聲焊工藝較為復(fù)雜，鍵合劈刀的運(yùn)動(dòng)、線夾動(dòng)作，以及工藝參數(shù)的施加時(shí)序，需相互協(xié)同配合，才能完成單根鋁絲的鍵合過程。在此過程中，劈刀作為傳遞超聲波功率、壓力等關(guān)鍵工藝參數(shù)的媒介，其運(yùn)動(dòng)軌跡還對(duì)線弧的形狀起著決定性作用。

具體步驟

1.穿絲與定位：將鋁絲穿過超聲換能器上的小孔，接著從劈刀尖端穿出，并讓鋁絲伸出劈刀一定長度作為尾絲。隨后，把劈刀調(diào)整到第一鍵合點(diǎn)的正上方。

2.形成第一鍵合點(diǎn)：劈刀向下移動(dòng)，以特定壓力將鋁絲壓在焊盤表面，同時(shí)施加一定時(shí)長的超聲波功率，由此形成第一個(gè)鍵合點(diǎn)。

3.線夾打開與劈刀上升：線夾打開，劈刀上升至預(yù)先設(shè)定的弧線高度。

4.移動(dòng)至第二鍵合點(diǎn)：劈刀移動(dòng)到第二鍵合點(diǎn)的上方。

5.送線準(zhǔn)備：送線電磁螺線管啟動(dòng)，線夾向后移動(dòng)，為壓完第二鍵合點(diǎn)后送出鋁絲，開展下一個(gè)鍵合循環(huán)做準(zhǔn)備。

6.形成第二鍵合點(diǎn)：劈刀再次向下移動(dòng)，將鋁絲壓在焊盤表面，同時(shí)施加超聲能量與壓力，完成第二個(gè)鍵合點(diǎn)的制作。

7.扯斷引線：劈刀壓住已形成的第二個(gè)鍵合點(diǎn)，隨后扯線電磁閥啟動(dòng)，線夾向后移動(dòng)，在第二鍵合點(diǎn)的根部扯斷引線。

8.復(fù)位與循環(huán)準(zhǔn)備：劈刀提升，線夾移至復(fù)位高度，扯線及送線電磁閥斷電，復(fù)位彈簧使線夾回到初始位置，并將線尾送進(jìn)劈刀內(nèi)。重復(fù)上述循環(huán)步驟，進(jìn)行下一根引線的鍵合。

總體來看，在超聲楔焊過程中，鋁絲與焊盤的鍵合界面吸收了由劈刀傳遞的充足超聲能量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)界面間的固態(tài)焊接。首先，楔形劈刀將鋁絲按壓在焊盤上，使鋁絲和焊盤產(chǎn)生初始形變。接著，開啟超聲波能量，產(chǎn)生超聲波振動(dòng)。

經(jīng)過特定時(shí)間，鋁絲與焊盤之間形成高強(qiáng)度焊接，隨后關(guān)閉超聲波能量。之后，劈刀牽引鍵合絲形成線弧，并靠近第二鍵合點(diǎn)，重復(fù)上述鍵合過程，形成第二鍵合點(diǎn)。最后，扯斷鋁絲尾線（若是粗鋁絲，則使用切刀切斷尾線）。通常，鋁絲形成一個(gè)鍵合點(diǎn)僅需10到100ms。

關(guān)鍵參數(shù)

鋁絲超聲鍵合的質(zhì)量與鍵合壓力、鍵合表面溫度、超聲功率及超聲時(shí)間息息相關(guān)。這些關(guān)鍵工藝參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響，呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性關(guān)系。

鍵合壓力主要發(fā)揮兩方面作用：一是確保引線與焊區(qū)緊密接觸，增大兩者接觸面積；二是促使引線發(fā)生塑性變形，破壞表面氧化層以暴露新鮮金屬表面，為形成可靠鍵合點(diǎn)創(chuàng)造條件。在超聲功率恒定的情況下，增大鍵合壓力可提升鍵合質(zhì)量；但壓力過大會(huì)導(dǎo)致引線嚴(yán)重變形，反而降低鍵合強(qiáng)度。

不同的超聲功率，意味著向界面輸入能量的速率有所不同。而改變鍵合時(shí)間，本質(zhì)上也是在改變輸入的能量。當(dāng)施加超聲載荷時(shí)，從宏觀層面來看，會(huì)導(dǎo)致材料軟化以及金屬變形；從微觀層面來講，則會(huì)產(chǎn)生位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，這些都使得界面擴(kuò)散變得更加容易?；U(kuò)散的原子或原子團(tuán)在材料中會(huì)產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效應(yīng)，進(jìn)而促使鍵合強(qiáng)度得以生成。具體而言，在超聲功率較小的情況下，鍵合強(qiáng)度對(duì)鍵合時(shí)間的變化較為敏感；而當(dāng)超聲功率較大時(shí)，鍵合強(qiáng)度對(duì)鍵合時(shí)間的敏感性則會(huì)降低。倘若鍵合參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，常常會(huì)引發(fā)諸如鋁絲鍵合焊點(diǎn)跟部斷裂、焊盤坑陷、起皮以及鍵合脫鍵等不良現(xiàn)象。

超聲時(shí)間指在劈刀上施加鍵合壓力與超聲功率的持續(xù)時(shí)長，用于控制超聲作用產(chǎn)生的能量。適宜的超聲時(shí)間有助于清除鋁絲表面氧化層，增強(qiáng)鍵合效果；時(shí)間過短會(huì)導(dǎo)致鍵合點(diǎn)狹窄或鋁絲剝離，過長則可能造成根部斷裂。

研究發(fā)現(xiàn)，鍵合強(qiáng)度與超聲功率的關(guān)系大致呈開口向下的拋物線：當(dāng)超聲功率較小時(shí)，適當(dāng)增大功率有助于提升鍵合強(qiáng)度，這是因?yàn)榇藭r(shí)的功率條件利于鋁絲軟化、變形，進(jìn)而形成微焊點(diǎn)和鍵合區(qū)；但當(dāng)超聲功率超過一定閾值后，繼續(xù)增大功率反而會(huì)導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度下降，且同一功率條件下不同樣品的鍵合強(qiáng)度離散度也會(huì)增加。其原因在于，過大的超聲功率會(huì)對(duì)鍵合點(diǎn)跟部產(chǎn)生切跟現(xiàn)象，且過量的超聲能量會(huì)破壞鍵合界面，最終造成鍵合強(qiáng)度降低。

鍵合順序通常為首次鍵合至芯片、二次鍵合至基板，即正向鍵合，因其不易受焊線與芯片間邊緣短路的影響。特殊情況下，為降低封裝厚度（需減小線弧高度），可采用反向鍵合。鍵合順序同樣會(huì)對(duì)封裝性能產(chǎn)生影響。

超聲鍵合界面

有研究借助透射電子顯微（TEM）技術(shù)，對(duì)超聲作用前后鋁表面位錯(cuò)的生長情況展開了細(xì)致觀察。發(fā)現(xiàn)超聲作用促使鋁表面產(chǎn)生了大量的新生位錯(cuò)，進(jìn)而形成了位錯(cuò)簇。

依據(jù)擴(kuò)散理論，在較低溫度條件下，固體材料沿著位錯(cuò)的擴(kuò)散系數(shù)要大于沿晶格的擴(kuò)散系數(shù)（即體擴(kuò)散）。位錯(cuò)擴(kuò)散屬于短路擴(kuò)散的范疇，其擴(kuò)散速度遠(yuǎn)比體擴(kuò)散快得多。因此，在鋁絲超聲鍵合的過程中，短路擴(kuò)散起到了主導(dǎo)作用。

在硅基芯片中，焊盤通常采用鋁焊盤。鋁作為一種化學(xué)性質(zhì)較為活潑的金屬，一旦與空氣中的氧氣接觸，便會(huì)迅速發(fā)生氧化反應(yīng)，在其表面形成一層氧化膜。最初生成的氧化膜會(huì)在一定程度上阻礙鋁的進(jìn)一步氧化。倘若鋁層質(zhì)地致密，當(dāng)氧化膜達(dá)到一定厚度后，氧化過程就會(huì)停止。然而，過厚的Al?O?氧化膜會(huì)對(duì)金絲與鋁焊盤之間的鍵合造成嚴(yán)重阻礙，甚至導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)鍵合。所以，在芯片的制作、切片、清洗以及運(yùn)輸?shù)纫幌盗羞^程中，應(yīng)盡可能減少其與空氣的接觸，尤其要避免人為因素導(dǎo)致的額外接觸，因?yàn)檫@些都可能加劇鋁焊盤表面的氧化程度。

針對(duì)鍵合界面的結(jié)合機(jī)制，眾多學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，并由此提出了多種不同的假說。但無論如何，超聲能量的運(yùn)用，顯著降低了鍵合界面原子擴(kuò)散的難度，使得原子擴(kuò)散更易于實(shí)現(xiàn)。