鍵合機(jī)熱臺(tái)溫度研究

柴 亮，孫永超

(中國電子科技集團(tuán)第四十五研究所，北京101601)

鍵合機(jī)是利用超聲熱壓原理將半導(dǎo)體芯片與管腳進(jìn)行電氣連接的一種封裝設(shè)備，又稱焊線機(jī)，其中超聲波、壓力和溫度是其工作必備的條件。它是半導(dǎo)體后封裝過程中主要的生產(chǎn)設(shè)備，其焊線速度快、精度高、工藝復(fù)雜，連接芯片和管腳的金線直徑僅有15～75μm，運(yùn)動(dòng)最大加速度達(dá)到100 g以上，焊線精度達(dá)到±3μm。鍵合機(jī)主要模塊有：上下機(jī)架、上下料、夾持臺(tái)、xy平臺(tái)和鍵合頭，其中熱臺(tái)屬于夾持臺(tái)模塊，它的主要功能是把芯片和管腳加熱到焊線所需的溫度。圖1是鍵合機(jī)主要模塊的示意圖。

1 熱臺(tái)性能

鍵合機(jī)連接芯片和管腳時(shí)不僅要求芯片和管腳達(dá)到一定的溫度，而且要保證焊接范圍內(nèi)的所有芯片和管腳的最大溫差不超過某一值，否則芯片和管腳之間不能被成功連接或者連接質(zhì)量不穩(wěn)定。在實(shí)際工作時(shí)首先對(duì)熱臺(tái)進(jìn)行加熱，待熱臺(tái)上升到要求的溫度，使芯片和管腳與熱臺(tái)緊貼，熱量從熱臺(tái)傳到芯片和管腳，從而使芯片和管腳溫度達(dá)到一定值。這要求在對(duì)熱臺(tái)進(jìn)行加熱時(shí)不僅要使其溫度達(dá)到指定值，而且要保證其最大溫差不能超過要求。根據(jù)工藝需要，熱臺(tái)的溫度在達(dá)到240℃時(shí)，其最大溫差要小于±5℃。為了使熱臺(tái)溫度達(dá)到這一要求，在設(shè)計(jì)熱臺(tái)時(shí)，我們首先采用ANSYS對(duì)其分析優(yōu)化，然后用實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證，最終找出影響熱臺(tái)溫度及均勻性的因素。

圖1 鍵合機(jī)主要模塊

熱臺(tái)模塊如圖2所示。通過加熱棒對(duì)模塊加熱，熱電偶作為溫度的反饋，可以保證熱臺(tái)達(dá)到設(shè)定的溫度。熱量是從熱臺(tái)模塊的壓板向芯片與管腳進(jìn)行傳導(dǎo)。即對(duì)熱臺(tái)溫度的研究轉(zhuǎn)化為對(duì)熱臺(tái)模塊中壓板的溫度研究。

圖2 熱臺(tái)模塊

2 熱臺(tái)熱穩(wěn)態(tài)傳熱過程

加熱棒對(duì)加熱塊加熱使熱臺(tái)的壓板最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡，即壓板的溫度只隨位置變化而變化，不隨時(shí)間的變化而改變。此時(shí)系統(tǒng)的凈熱流率為0，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)生成的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量,即：

q流入+q生成-q流出=0，穩(wěn)態(tài)熱分析的能量平衡方程為：

式中：[K]是傳導(dǎo)矩陣，包括導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)流系數(shù)及輻射率；{T}是節(jié)點(diǎn)溫度向量；{Q}節(jié)點(diǎn)熱流率向量。根據(jù)傳熱機(jī)理的不同，傳熱的基本方式有熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射3種。

2.1 熱傳導(dǎo)

當(dāng)物體的內(nèi)部或兩個(gè)直接接觸的物體之間存在著溫度差時(shí)，熱量就從溫度較高的區(qū)域向溫度較低區(qū)域傳遞，或者從溫度較高的物體向溫度較低的物體傳遞。這一過程稱為熱傳導(dǎo)，其基本規(guī)律為（傅里葉定律）：

2.2 對(duì)流

對(duì)流是指由于流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，使流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，冷熱流體相互摻混所引起的熱量傳遞過程，對(duì)流的同時(shí)必伴隨有導(dǎo)熱現(xiàn)象。對(duì)流換熱的基本規(guī)律（牛頓冷卻公式）為：

式中：ts和tf分別為表面溫度和流體溫度；h為對(duì)流熱換系數(shù)，表示單位溫差時(shí)通過單位面積的熱流量，對(duì)流換熱系數(shù)越大，導(dǎo)熱越劇烈。

2.3 輻射

輻射是通過電磁波來傳遞能量，因溫度而發(fā)出輻射能量的現(xiàn)象稱為熱輻射。自然界的物體都在不停的向空間發(fā)出熱輻射，同時(shí)又不斷的吸收其他物體輻射的熱。輻射是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，當(dāng)物體與周圍環(huán)境溫度處于熱平衡時(shí)，輻射交換的熱量為零，但輻射和吸收過程仍在進(jìn)行，只是輻射出的熱量和吸收的熱量相等。

物體輻射熱流量可根據(jù)玻爾茲曼定律求得：

其中：T為黑體的熱力學(xué)溫度；σ為玻爾茲曼常數(shù)，A為輻射表面積。其中Q為物體向外輻射的熱流量，而不是輻射換熱量；ε是物體的發(fā)射率，其大小與物體的種類及表面狀態(tài)有關(guān)[1]。

3 熱臺(tái)模塊有限元分析

為了設(shè)計(jì)出符合工藝要求的熱臺(tái)，首先用ANSYS對(duì)其進(jìn)行分析。熱臺(tái)模塊由4個(gè)零件組成，在有限元分析時(shí)，要考慮以下邊界條件的設(shè)置：第一、對(duì)流散熱系數(shù)和輻射系數(shù)，這兩個(gè)參數(shù)主要與熱臺(tái)模塊的溫度和周圍環(huán)境溫度以及熱臺(tái)形狀有關(guān)。第二、加熱棒的設(shè)置溫度。第三、裝配體之間的接觸熱阻。在對(duì)裝配體進(jìn)行有限元分析時(shí)，系統(tǒng)在零件與零件之間自動(dòng)生成綁定類型的接觸對(duì)，該接觸對(duì)沒有溫度差，但實(shí)際工作中接觸面之間存在接觸熱阻，即接觸對(duì)之間存在溫度差，這一參數(shù)和兩接觸表面的平面度、接觸壓力、表面溫度以及導(dǎo)熱脂的使用有關(guān)[2]。

熱臺(tái)三維模型如圖3所示，首先根據(jù)熱臺(tái)的長度、體積以及需要的溫度選用合適的加熱棒和熱電偶。然后將三維模型生成有限元模型，如圖4所示。

圖3 熱臺(tái)三維模型

圖4 熱臺(tái)有限元模型

有限元分析設(shè)置條件如下：加熱棒溫度：300℃；加熱棒長度：50.8mm。分析結(jié)果如圖5所示，從溫度分布圖可知壓板最大溫差為±12℃。該溫差值超過工藝要求，同時(shí)從溫度分布結(jié)果還可看出選用加熱棒的加熱范圍在長度方向不能覆蓋熱臺(tái)，所以導(dǎo)致熱臺(tái)溫度均勻性達(dá)不到工藝要求。

圖5 熱臺(tái)分析結(jié)果

為了解決之一問題，應(yīng)該增加加熱棒的長度，使加熱區(qū)域在長度方向可以覆蓋熱臺(tái)。選用長度為76.2 mm加熱棒，再次對(duì)加熱臺(tái)模塊進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示，從溫度分布結(jié)果可知最大溫差仍然超過要求，而且左端溫度高于右端，接下來需要修改熱臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化：在溫度高的區(qū)域增加散熱孔，同時(shí)將加熱棒安裝位置靠近壓板。

圖6 長加熱棒分析結(jié)果

圖7 加長熱棒優(yōu)化結(jié)果

圖7是優(yōu)化后的分析結(jié)果，從溫度分布結(jié)果可知此時(shí)壓板溫度已經(jīng)趨近均勻，但是要想得到準(zhǔn)確的溫度值及最大溫差，需要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。熱臺(tái)模塊優(yōu)化后達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)時(shí)輻射、對(duì)流和溫度的熱流率為：

即Q溫度＋Q輻射＋Q對(duì)流＝0，可見在達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)時(shí)系統(tǒng)吸收和發(fā)出的熱量相等。

4 熱臺(tái)溫度均勻性實(shí)驗(yàn)分析

在有限元分析的基礎(chǔ)上，需要通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證熱臺(tái)溫度。

實(shí)驗(yàn)條件：加熱棒設(shè)置溫度300℃，加熱棒長度：76.5mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示：測(cè)量10個(gè)點(diǎn)的平均溫度為245.4℃，最大溫差為5℃，這一結(jié)果滿足工藝要求。

圖8 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)該熱臺(tái)選用同一規(guī)格不同的加熱棒進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)設(shè)置的條件和上述一樣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：平均溫度都能達(dá)到240℃，且最大溫差都在±5℃以內(nèi)，說明該熱臺(tái)模塊符合設(shè)計(jì)要求。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

通過對(duì)熱臺(tái)有限元分析優(yōu)化，以及進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)出影響熱臺(tái)溫度及均勻性與熱臺(tái)結(jié)構(gòu)、選用的加熱棒長度及安裝位置有關(guān)，并最終使熱臺(tái)溫度滿足工藝要求。

[1]沈維道，童鈞耕.工程熱力學(xué)[M].北京：高等教育學(xué)，2009.

[2]湛麗華，李曉謙，胡仕成.界面接觸熱阻影響因素的實(shí)驗(yàn)研究[J].輕合金加工技術(shù)，2002，30(9):40-43.