金絲引線鍵合的影響因素探究

劉鳳華

摘要：鍵合對設備性能和人員技能的要求極高，屬于關鍵控制工序，鍵合質量的好壞直接影響電路的可靠性。工藝人員需對鍵合的影響因素進行整體把控，有針對性地控制好各個關鍵點，提升產品鍵合的質量和可靠性。通過對金絲引線鍵合整個生產過程的全面深入研究，分析了鍵合設備調試、劈刀選型、超聲、溫度、壓力、劈刀清洗和產品的可鍵合性7 個主要影響因素，并且通過實際經驗針對各個影響因素給出了合理的改善建議。

關鍵詞：金絲引線鍵合；影響因素；改善建議

中圖分類號：TN405.96 文獻標識碼：A

1 研究背景

金絲引線鍵合始于1957 年，是應用時間最早、應用范圍最廣的鍵合方式之一[1]。金絲引線鍵合分為球焊和楔焊兩種。球焊的難度較低，拉線靈活，適合鍵合高度差和線長變化大的產品，由于球點的存在，弧高無法做得足夠低，對應的電路指標也會降低，適合低頻電路，一般用于直流偏置線和接地線的鍵合。楔焊的焊點小且弧高可以對稱漸變地控制在75 μm 以內，電路指標特性好，一般應用于通路的電路互連。

鍵合的本質是兩種材料之間形成原子間的相互融合和可靠連接。想要實現兩種材料原子間的相互融合連接，需要增加額外的能量驅動，從而使得兩種材料之間形成鍵合形成層。

如圖1 所示，經過超聲熱壓的鍵合作用，材料1和材料2 在接觸面形成了牢固的鍵合形成層，從而可靠地連接在一起。鍵合點的拉力測試和剪切力測試也是為了測試鍵合形成層的強度，如何保證鍵合形成層的可靠性是金絲引線鍵合技術的關鍵。

2 金絲引線鍵合的影響因素探究

對整個鍵合過程進行研究分析，金絲引線鍵合有7 個主要影響因素：鍵合設備調試、劈刀選型、超聲、溫度、壓力、劈刀清洗和產品的可鍵合性。

2.1 鍵合設備調試

手動球焊機調試的關鍵點是打火桿與劈刀的間距、尾絲長度、打火電流和打火時間。打火桿與劈刀的間距應在1 mm 左右，間距過大會導致送絲參數和打火參數的數值設置偏大，鍵合過程中的不穩定性增加。尾絲長度應合適，太小會導致球點偏小、送絲不穩定，太大會使金絲碰觸打火桿導致打火失敗。打火電流和打火時間應有合適的區間，太小會導致球點偏小、球不成型，太大會導致球點偏大、根部傷線。類似于Westbond 機型的鍵合機通過凸輪帶動線夾的機械往復運動進行送絲，會存在凸輪復位點偏移導致送絲量變化的問題。針對這一問題，可以在凸輪上畫線標記復位點，如果出現復位點偏移可以手動進行恢復。

自動球焊機對送絲的要求更高，其通過氣控送線和真空回吸的共同作用進行線控，設備整體輸入氣壓不能太大，太大會導致整體線控不穩定，同時回吸真空量設置應合適，能夠始終使金絲在鍵合過程中呈現直線送絲狀態。

楔焊機調試最重要的是劈刀的垂直度調試和斷絲參數的設置。楔焊難度大，對劈刀垂直度的要求極高，如果劈刀鍵合面與產品被鍵合面之間接觸不充分，會嚴重影響鍵合效果。斷絲參數的設置應以盡量形成最完整的焊點，同時又不會導致第二焊點后異常斷線和跳線為宜。

2.2 劈刀選型

球焊一般選用陶瓷劈刀，劈刀選型的關鍵是劈刀前端的形狀。如圖2 所示，球焊劈刀根據前端的形狀變化分為很多種。對于鍵合效果來說，劈刀前端的整體形狀變化越劇烈，鍵合穩定性越差。因此，沒有深腔近壁鍵合需求的產品可首選常規款的劈刀。

楔焊劈刀根據材料的不同也分為多種：硬金屬陶瓷劈刀、軟金屬陶瓷劈刀、碳化鈦劈刀、碳化鎢劈刀及其他類合金鋼劈刀。不同材質的劈刀鍵合特性也不同，工藝人員需要根據自身產品有針對性地進行選型。一般來說硬金屬陶瓷劈刀耐臟、耐磨，但是鍵合效果差，適合可鍵合性高的產品；碳化鈦和碳化鎢劈刀性能相對均衡，適合大多數產品；其他類合金鋼劈刀根據材料的不同會有各自不同的鍵合特性。工藝人員需要以產品的實際鍵合效果為選型依據，選擇最適合自身產品的劈刀。如果自身產品的可鍵合性差，可以嘗試采用某些特殊材質的劈刀。例如，深圳市海志億半導體工具有限公司生產的一款國產合金鋼劈刀，在應對某些可鍵合性差的鍍層時，其鍵合適配特性就表現得非常優異。

2.3 超聲對鍵合的影響

鍵合設備最核心的部分是超聲功能，包括超聲觸發和超聲傳遞。

如圖3 所示，超聲板中進行特定頻率電壓的發生與轉化，最終形成交流電壓作用到壓電陶瓷換能器；壓電陶瓷換能器經過交流電壓的激勵后，會根據電壓幅度的變化產生前后的伸縮振動；前后的伸縮振動再通過劈刀作用到鍵合面，從而實現超聲能量的傳遞，過程中能量的轉化是電能轉化為機械能[2]。

鍵合機的超聲發生器一般分為3 種：65 kHz 的低頻超聲發生器、110 kHz 的高頻超聲發生器和自動楔焊機用的140 kHz 超聲發生器，不同頻率的超聲發生器匹配不同的換能器。頻率低的鍵合機通用廣泛性更高、穩定性更強，指標窗口范圍更廣；頻率越高的鍵合機指標窗口范圍越窄，需要更強的阻抗匹配、劈刀選型和機械調試。

對于球焊來說，低頻鍵合機在針對一些特殊的長柱狀結構面的鍵合時，存在超聲損耗的問題，需要采用高頻的球焊機進行解決。除特殊情況外，球焊和楔焊都應在滿足自身產品鍵合要求的情況下，盡量選擇低頻鍵合機，以降低使用難度。

2.4 溫度對鍵合的影響

溫度是金絲引線鍵合過程中重要的外加能量驅動，特別是對楔焊來說，鍵合機環形加熱絲可以加熱軟化金絲，加熱臺可以加熱活化產品鍵合面，均有利于產品的鍵合。需要注意的是，鍵合機加熱絲的溫度設置不能太高，太高會影響換能器的性能，而且加熱絲不能碰觸劈刀，否則將會影響超聲的鍵合作用。

加熱臺的溫度設置需要根據產品內部實際情況、錫焊的耐受溫度以及各種器件的耐受溫度等進行綜合考量，在楔焊過程中盡量提高鍵合溫度。此外，加熱臺需要定期進行測試，當顯示溫度和實際測試溫度差異較大時，需要進行溫度補償校準。

2.5 壓力對鍵合的影響

壓力在鍵合過程中用于將劈刀的超聲能量、加熱絲和加熱臺熱能進行綜合驅動。影響壓力效果的因素有機械結構穩定性和劈刀垂直度兩個方面。如果是單純采用機械彈簧進行手動調節壓力，則應定期檢查壓力的穩定性和準確性；如果是電子校準的壓力系統則須通過鍵合前的壓力校準進行確認。另外，鍵合壓力與鍵合超聲功率之間有合適的匹配區間，并不是固定不變的。鍵合壓力過大會影響超聲的運動，鍵合壓力過小會導致超聲作用不穩定，因此，工藝人員需要根據劈刀特性和最終的鍵合點情況綜合考量設置合適的鍵合壓力。在實際運用中經常犯的錯誤就是針對所有劈刀采用同樣的固定鍵合壓力，在鍵合過程中只是調節鍵合功率和鍵合時間的大小，此方法明顯未考慮到不同材質的劈刀具有不同的鍵合特性。

鍵合過程中一定要保證劈刀的前端鍵合面與產品的被鍵合面充分接觸、摩擦，以充分進行超聲能量的傳遞。實際操作過程中可以在實驗板上進行不穿線的空打，調節鍵合功率的大小并觀察鍵合印跡的變化，如果鍵合印跡與劈刀端面的形狀不相符，則判定劈刀垂直度有問題。

如圖4 所示，鍵合時的劈刀垂直度不良，會影響焊點的形狀和可靠性。如果是設備的機械軸垂直度不良，可以用直角規進行換能器垂直度的調節；如果是劈刀本身的原因，則應更換合格的劈刀。經過實際經驗驗證，采購的劈刀會有一定比例存在垂直度不良的問題，工藝人員可以根據實際情況，對采購的劈刀進行入庫前的檢驗篩選。

2.6 劈刀清洗

楔焊劈刀和球焊劈刀在使用一定時間后，前端鍵合面均會出現污染物和氧化膜層，在顯微鏡下觀察表現為發黑、發灰。

如圖5 所示，球焊劈刀在使用一段時間后前端鍵合面粘污嚴重，進行清洗后又恢復到干凈的狀態。劈刀鍵合面出現污染物和氧化膜層會導致鍵合過程中抓線不牢，劈刀與線的相對滑動增大，有效作用到焊點上的超聲能量減少，可能會出現打不上、打不牢、焊點不全等各種異?，F象。對于楔焊來說這一問題則更加明顯，劈刀粘污嚴重會直接導致無法鍵合。因此，劈刀使用一段時間后需要根據實際情況采用專門的劈刀清洗液進行清洗。劈刀清洗液分為堿性和酸性兩種，目的都是去除劈刀鍵合面的污染物和氧化膜層。應根據劈刀的材質選擇合適的清洗方法，清洗不當可能會導致劈刀腐蝕。另外，劈刀有使用壽命限制，如果在顯微鏡下觀察到劈刀端面磨損嚴重，則應及時做廢棄處理，磨損嚴重的劈刀不能反復清洗使用。

2.7 提升產品的可鍵合性

產品的可鍵合性主要體現在鍍層的加工控制、組裝過程中的鍍層污染控制、鍵合前的等離子清洗3 個方面。

鍍層的加工控制是提升可鍵合性最關鍵的措施：合適的電鍍電流可以保證鍵合時鍍層表面的附著力；合適的鍍層厚度可以改善鍵合的指標；純凈單一的電鍍槽環境可以改善鍍層的軟硬度，防止出現多種離子的電鍍污染，使鍍層光滑堅硬。當然，對整個電鍍過程進行完全有效的控制非常困難，產品鍍層難免會出現批次性的波動，因此對電鍍產出品及時進行有效的可鍵合性測試跟蹤非常有必要。

鍍層在組裝過程中需要經歷焊接、膠粘、高溫固化等各種工藝。其中，在控制組裝過程中防止鍍層表面的污染非常重要，需要根據各自的產品特點對組裝過程加以控制。焊接完成后應有效清除鍍層表面的松香等污染物，以及在膠粘過程中控制膠水印的污染。此外，在高溫固化過程中選擇厭氧潔凈型烘箱，可減少鍍層在高溫下的氧化污染。

鍵合前的等離子清洗可以提高鍵合點的黏接力，增強鍵合可靠性。等離子清洗機一般有中頻等離子清洗機和射頻等離子清洗機兩種。中頻等離子清洗機單顆離子的能量大，整體密度低，更適合宏觀的粗洗；射頻等離子清洗機單顆離子的能量和整體密度都相對適中，更適合微觀的改性清洗，一般應用于鍵合前鍍層表面的清洗。

另外，也要重視鍵合金絲的存儲，建議采用專用的氮氣柜進行厭氧干燥環境下的密封保存。產品的可鍵合性提升屬于微觀概念，涉及的范圍非常廣，任何細小環節的改善都會對產品的可鍵合性起到提升效果。如果所有前端的過程均不加以有效控制，全部累積到最后的鍵合工序，那么鍵合難度會非常大，問題會難以解決。

3 鍵合生產過程中的管理問題

鍵合要求高，難度大，屬于關鍵控制工序，鍵合生產過程中的管理問題同樣需要引起高度重視，主要體現在以下4 個方面。

（1）冗長繁雜的過程記錄。一味追求書面的嚴謹性將導致實際生產過程很難操作，書面的過程記錄時間占比太大，在最終操作層面得到的結果往往是失真的。

（2）操作人員缺乏對鍵合本質和鍵合設備原理的基礎認知。雖然實際生產過程受制于追求人員低成本和產品趕進度等現實要求，但是想辦法提高操作員對于鍵合本質和鍵合設備原理的基礎認知水平也有較高收益率，可以提高產品的質量水平和正向激勵操作效率。

（3）鍵合設備混用?；诂F實考量，鍵合設備往往是多人混用，很容易造成鍵合設備管理的混亂和失控，因此應設立鍵合設備專人專用制度。

（4）鍵合質量問題的處理措施。鍵合出問題可能是多個方面導致的，不進行充分的分析和預防措施的改進，而只是一味地處罰操作人員或者是重復進行產品返工，往往會導致操作人員發現問題后擔心被處罰或者增加個人工作量而不敢上報，最終導致很多隱性質量問題的發生。

鍵合生產過程中的管理問題最容易被忽視，隱秘性更強，對鍵合生產的實際影響也較大。相較于管理人員單純催生產進度的模式，采用鍵合綜合能力強的人員進行專管的有效性會更強。

4 結論

金絲引線鍵合已經深入應用到電子組裝類的各個行業，由金絲引線鍵合作為基礎，又延伸出了金帶鍵合、鋁絲鍵合和銅絲鍵合等多種方式[3]。鍵合效果的影響因素眾多，在實際運用過程中不能有思維定式，如果簡單直接地引用國外或者其他單位的相關工藝，很可能會存在不適用的情況。工藝人員需要以各自的實際情況為出發點，從細節上進行全面的分析處理。在半導體產業鏈國產化的趨勢下，建議工藝人員優先選擇國產相關鍵合設備與國產相關耗材，并在國產技術支持下，探尋更加有利于自身鍵合工藝研究和發展的道路。

參考文獻

[1] 吳茜茜. 金絲球鍵合工藝影響因素分析及模型建立[D]. 蘇州：蘇州大學，2014.

[2] 哈曼. 微電子引線鍵合：原書第三版[M]. 羅建強，周文艷，肖慶，等譯. 北京：機械工業出版社，2022：121-122.

[3] 劉哲，付紅志. 現代電子裝聯工藝學[M]. 北京：電子工業出版社，2016：80.