關(guān)鍵詞：引線鍵合；引線形態(tài)；工藝參數(shù)

中圖分類號：TP212；TH702 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

硅壓阻式壓力傳感器芯片與管腿通過引線鍵合相連接，其中引線形態(tài)對傳感器性能的影響較大。引線形態(tài)的形成主要通過鍵合機的既定程序，控制引線機頭帶動引線劈刀進(jìn)行引線鍵合。鍵合機設(shè)定的程序通過調(diào)節(jié)不同的工藝參數(shù)，改變劈刀的運行軌跡，得到所需要的引線形態(tài)[1]。

在引線形態(tài)形成過程中，劈刀運行軌跡的每個拐點位置和拐點的角度都是關(guān)鍵因素。劈刀運行過程中引線在拐點處的外層是塑性變形，內(nèi)層是彈性變形，引線在焊完第一鍵合點后，劈刀在向上運動的過程中，完成拐點的位置和角度動作；劈刀在向下運動到第二鍵合點時，引線會根據(jù)劈刀在向上運動過程中完成的拐點的位置和角度發(fā)生變形，進(jìn)而形成引線最終的形狀和輪廓[2]。本文通過分析研究引線鍵合工藝參數(shù)，確定引線形態(tài)的最佳參數(shù)。

1 硅壓阻式壓力傳感器工作原理

硅壓阻式壓力傳感器采用充灌隔離介質(zhì)結(jié)構(gòu)，芯體通過隔離膜片感知外部壓力，再通過充灌保護(hù)液體將外部壓力傳遞到敏感芯片。硅壓阻式壓力傳感器基于硅壓阻效應(yīng)，核心部分是敏感芯片上的4 個電阻組成的惠斯通電橋，敏感芯片在感受壓力的變化時，電橋中的電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生電信號輸出。

鍵合引線作為芯片與傳感器管腿連接的橋梁，是傳感器輸出信號的關(guān)鍵。引線形態(tài)對傳感器性能具有較大的影響?，F(xiàn)階段，硅壓阻式壓力傳感器的工作溫域廣，能達(dá)到-55～150℃。鍵合引線時，金絲長度過短，會導(dǎo)致傳感器在低溫工作時，引線發(fā)生收縮，甚至出現(xiàn)引線斷裂或焊點處脫落的情況；金絲長度過長，會導(dǎo)致引線高度過高，當(dāng)發(fā)生振動等工況時，引線會發(fā)生傾倒甚至斷裂。在低溫條件下，硅油由于液體的熱脹冷縮作用，會向內(nèi)收縮，由于傳感器腔的內(nèi)外壓差作用，膜片會向內(nèi)凹陷，如果引線形態(tài)不當(dāng)，膜片向內(nèi)凹陷至最低點時，會與引線相接觸，進(jìn)而影響傳感器溫度漂移等性能。引線形態(tài)也不能過于緊繃，否則引線容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在振動、沖擊等惡劣環(huán)境中易發(fā)生斷裂。

2 工藝參數(shù)優(yōu)化試驗

2.1 試驗準(zhǔn)備

引線鍵合工藝從最初的高溫、壓力二者作用的鍵合方式，到現(xiàn)在的高溫、超聲、壓力3 個條件共同作用的鍵合方式，可以分為熱壓鍵合、超聲鍵合和超聲熱壓鍵合[3]。目前應(yīng)用最為廣泛的是超聲熱壓鍵合，超聲熱壓鍵合是在高溫、超聲、壓力3 個條件下，使金屬引線與焊盤緊密焊合，實現(xiàn)芯片與管腿間的電氣互連，從而產(chǎn)生信號輸出。

引線鍵合參數(shù)分為焊接參數(shù)和工藝參數(shù)，其中，焊接參數(shù)為鍵合時間、鍵合壓力、超聲功率，其作用主要為調(diào)整鍵合強度。如圖1 所示，工藝參數(shù)分別為弧高（loop）、轉(zhuǎn)折點高度（kink）、引線反向移動（reverse，即工作臺前進(jìn)的距離）和引線正向移動（step，即工作臺后移距離），這些工藝參數(shù)的作用主要為調(diào)整引線形態(tài)。

本文通過調(diào)整loop、kink、reverse、step 4個工藝參數(shù)來優(yōu)化引線形態(tài)，保證引線的弧高低于陶瓷溝槽高度的2/3、引線不與陶瓷相貼合且引線形態(tài)松弛不緊繃。

本文運用MPP iBond 5000球—楔焊機進(jìn)行超聲熱壓鍵合，采用雙球焊接，引線材料選用純度為99.99% 的金絲進(jìn)行鍵合，芯片選用高溫芯片，燒結(jié)管座選用直徑為19 mm 的管座進(jìn)行試驗，并且芯片焊盤為鋁點、管腿焊盤為金點。鍵合過程是從芯片上的鋁點鍵合到管腿上的金點。首選的鋁點鍵合處在鋁點的右方，金點鍵合處在管腿與鋁點最近的端點處，控制兩鍵合點間的距離保持一致，從而保證試驗變量的唯一性。

2.2 工藝參數(shù)對引線形態(tài)的影響

采用控制變量法依次對工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，判斷各個工藝參數(shù)對弧形的影響。根據(jù)經(jīng)驗確定loop參數(shù)范圍為4.56 ～ 4.72，間隔為0.04；kink 參數(shù)范圍為2.8 ～ 3.2，間隔為0.1；reverse參數(shù)范圍為0.8 ～ 2.4，間隔為0.4；step 參數(shù)范圍為0.8 ～ 1.2，間隔為0.1。表1 為試驗鍵合工藝參數(shù)。

如圖2 所示，隨著kink 和reverse 的增加，其引線形態(tài)弧高變高，且弧高的最高點位置向第二焊點靠近，即引線形態(tài)與第一焊盤之間的傾角變??；隨著step 和loop 的增加，其引線形態(tài)弧高變高，且弧高的最高點位置向第一焊點靠近，即引線形態(tài)與第一焊盤之間的傾角變大。

2.3 正交試驗

正交試驗適用于檢驗多個因素和水平的場景?；谡恍?，在整個過程中選擇具有均勻分散、齊整可比等特性的代表點進(jìn)行測試。為方便試驗，將step 設(shè)為固定量，其他3 個工藝參數(shù)的取值范圍與2.2 節(jié)中一致。

對工藝參數(shù)調(diào)整進(jìn)行三因素、四水平正交試驗，如果將每個因素排列的試驗全部做完，需要完成64組試驗，花費大量的時間精力，因此選用正交試驗對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。每組試驗參數(shù)鍵合6 根引線，保證試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，不會出現(xiàn)偶發(fā)現(xiàn)象，進(jìn)行形態(tài)比對。如表2 所示，各組工藝參數(shù)對應(yīng)的引線形態(tài)。

根據(jù)試驗結(jié)果， 選取loop=4.64、kink=2.8、reverse=1.6、step=1.0 作為最優(yōu)工藝參數(shù)，其是引線形態(tài)最優(yōu)結(jié)果。如圖3 所示，引線形態(tài)松弛不緊繃，引線形態(tài)的弧高最高點低于陶瓷溝槽高度的2/3，引線與陶瓷之間留有間隙。因此，最優(yōu)工藝參數(shù)符合引線鍵合工藝中對引線形態(tài)的要求。

3 結(jié)論

硅壓阻式壓力傳感器的封裝過程中，引線鍵合為關(guān)鍵過程，引線形態(tài)對傳感器性能起著關(guān)鍵作用，本文根據(jù)引線鍵合機制，通過研究loop、kink、reverse、step 等參數(shù)對引線形態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著kink 和reverse 的增加，其引線形態(tài)弧高變高，且弧高的最高點位置向第二焊點靠近，即引線形態(tài)與第一焊盤之間的傾角變??；隨著step 和loop 的增加，其引線形態(tài)弧高變高，且弧高的最高點位置向第一焊點靠近，即引線形態(tài)與第一焊盤之間的傾角變大；根據(jù)正交試驗結(jié)果，確定最優(yōu)工藝參數(shù)：loop=4.64、kink=2.8、reverse=1.6、step=1.0。該參數(shù)滿足引線鍵合工藝對引線形態(tài)的要求。