趙喜清，周曉軍

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

0 引言

半導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鍵工序，可實現(xiàn)半導體芯片與芯片間、芯片與封裝基板間的電氣互連，對半導體功率器件電氣性能和可靠性起決定性作用。引線鍵合工藝的質量檢驗通常包括形貌的鏡檢、拉力剪切力的抽檢等。影響引線鍵合質量的因素有很多，加熱臺或劈刀輔助溫度、超聲能量(超聲功率和超聲時間)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，這就對引線鍵合提出了更高的要求：焊點的位置精度、大小的一致性等等。焊點的位置精度主要取決于劈刀和焊盤間的定位精度；焊點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。

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

1 機械結構

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

本文提出一種設計思路，設計一種平行四邊形彈性壓力輸出控制機構，一邊固定于機頭架上，一邊與變幅桿固定架連接，在彈性機構內部安裝有音圈電機，同時配備高分辨率傳感器，可實現(xiàn)測高的靈敏反饋。機頭架固定于Z軸運動部件之上。圖1為鍵合頭測高機構機械示意圖。

圖1 鍵合頭測高機構機械示意圖

Z軸測高機構主要由Z向直線電機及分辨率為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成。該方案設計了一種平行四邊形彈性壓力輸出機構，是因為該機構可以保證劈刀在上下微動時能始終與鍵合面垂直，在許多手動引線鍵合設備中也運用了類似的原理。

2 電氣控制原理

2.1 Z軸測高控制

測高過程的設計思路為：距離傳感器固定不動，劈刀頭隨Z軸電機向下微動，當劈刀接觸到待鍵合芯片或基板的上表面后，位移檢測塊會隨著劈刀Z向繼續(xù)下壓而向上運動，從而使距離傳感器與位移檢測塊產生一定的間隙，根據(jù)距離傳感器的原理，當存在間隙時，會根據(jù)間隙的大小產生0～5V的模擬量電壓輸出，然后通過模擬量I/O卡，由控制器讀取模擬量電壓信號，判斷是否有電壓變化量，如果有電壓變化，則說明劈刀頭已接觸到被測物體，此時停止Z軸電機運動并讀取Z向光柵反饋值，記錄當前Z向坐標值ZH，ZH即為被測物體高度值。Z向測高電氣控制原理圖如下圖2所示。

圖2 Z向測高電氣控制原理圖

Z軸測高的核心電氣器件為測高傳感器和直線光柵反饋系統(tǒng)。高分辨率的測高傳感器和高精度的光柵反饋系統(tǒng)，能夠保證劈刀隨Z軸電機在下降至接觸到焊接面時Z軸電機準確及時停止，從而保證平行四邊形彈性結構初始壓力的一致性。本文定義測高后因平行四邊形彈性結構變形所形成的初始測高壓力為f測高。

2.2 音圈電機力矩控制

音圈電機是直線電機的一種，具有無滯后、高響應、高速度、力特性穩(wěn)定和控制方便等優(yōu)點。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，音圈電機的線圈(及動子)與變幅桿固定架相連，運動控制器向音圈電機放大器發(fā)送模擬電壓，經放大器轉換后將電流輸出到音圈電機線圈，線圈在磁場中產生作用力，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輸出不同的力。本文定義音圈電機施加的力為f音圈。

為了能夠準確控制音圈電機施加力f音圈的大小，必須要通過提前標定音圈電機電流和f音圈之間的關系。而音圈電機電流的大小是由運動控制器的輸出所決定的。運動控制器給出不同的電壓輸出時區(qū)，測試此時劈刀下所對應的壓力就能標定出音圈電機的力控曲線。根據(jù)實際應用需求選擇參數(shù)合適的音圈電機和放大器可以使音圈電機的輸出曲線接近于一條直線，便于計算。音圈電機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

對焊接表面做一個簡單的受力分析，可以看到焊接壓力F為f測高和f音圈的合力，音圈電機的力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的向量計算公式如下：

F=f測高+f音圈.

由2.1Z軸測高控制所述可知，f測高為機械力，是一個恒定值。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。當需要較小的焊接壓力時(焊接壓力F小于f測高)，音圈電機的力為向上方向，而當需要較大的焊接壓力時(焊接壓力F大于f測高)，則需要音圈電機的力方向向下與f測高一致。

3 壓力測試

從兩方面進行壓力測試，一是通過壓力傳感器直接測焊接壓力的輸出值，二是通過觀察引線鍵合后焊點形變的一致性和引線拉斷力的一致性，側面驗證焊接壓力的控制精度。

3.1 實測焊接壓力

首先用標準砝碼對壓力傳感器的放大器進行校準，使壓力傳感器在放大器上的讀數(shù)與實際重量相同，這樣測量精度才能滿足測試要求；然后通過設備中壓力校準功能界面對設備焊接壓力進行標定；最后在界面中設置多個壓力值并通過放大器讀取實際壓力測量值，與設定值比較偏差在1gf之內判定為壓力輸出合格。在測試設備的功能界面，內置一鍵壓力標定和壓力實際輸出測試功能。

表1為隨機抽測的一組壓力測試數(shù)據(jù)?？梢钥闯鏊袎毫崪y值與設定值偏差都小于1gf，證明該壓力控制方法下的焊接壓力精度達到設計要求。

表1 焊接壓力實測數(shù)據(jù) gf

3.2 焊接效果一致性測試

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，通過高倍體式顯微鏡觀察最終的焊接效果，并通過拉力剪切力測試儀對其中部分引線做拉斷破壞測試，如果焊點形貌一致性很好，而且拉斷力分布均勻，就能證明設備參數(shù)的穩(wěn)定性比較好，也就側面驗證了焊接壓力的控制精度。

下面為使用該壓力控制技術后引線鍵合的實物圖。

圖4 引線鍵合實物圖

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

表2 部分引線拉斷力數(shù)據(jù) gf

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

4 結論

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，壓力偏大可能會造成芯片的損傷，壓力偏小會使焊點鍵合強度達不到要求。

本文提出了一種基于Z軸測高和音圈電機合力的壓力控制技術，并將其應用于全自動引線楔焊機QXH-3116中，將控制算法固化到設備操作軟件功能當中。通過該設備相應功能輸出測試壓力和鍵合一組排線兩種方式來驗證壓力控制精度，并通過讀取壓力實測值和使用顯微鏡鏡檢鍵合后引線焊點形貌一致性兩種方法進行壓力控制檢驗，可以證明使用該技術后焊接壓力的控制精度誤差在1gf之內，滿足產線的引線楔焊工藝的需求。