球-楔焊一体机的设计与实现

孟庆嵩，郝立猛，徐品烈，刘丹

（北京中电科电子装备有限公司，北京 100176）

球-楔焊一体机的设计与实现

孟庆嵩，郝立猛，徐品烈，刘丹

（北京中电科电子装备有限公司，北京 100176）

传统引线键合装备，分为球焊设备和楔焊设备，两者使用不同的换能器，不同种类劈刀，不同的焊接形式。通过对两种设备原理以及市场需求分析，设计一种球-楔焊一体机，满足球焊和楔焊两种焊接形式，有利于引线键合技术发展。

超声波换能器；球焊；楔焊；引线键合；球-楔一体机

半导体封装内部芯片和外部管脚以及芯片之间的连接起着确立芯片和外部的电气连接、确保芯片和外界之间的输人/输出畅通的重要作用，是整个后道封装过程中的关键，引线键合（Wire Bonding）作为一种主流的芯片互连技术，是将半导体芯片与电子封装引线框架用金属细丝连接起来的工艺技术。在IC后封装中，90%以上的封装均采用引线键合互连技术[1]。引线键合是以非常细小的金属引线的两端分别与芯片和管脚键合而形成电气连接[2]。

1 引线键合工艺

引线键合有两种基本形式，球键合（球焊）和楔键合（楔焊）[3，4]。这两种引线键合技术的基本步骤包括：形成第一焊点（通常在芯片表面），形成线弧，最后形成第二焊点 （通常在引线框架/基板上）。两种键合的不同之处在于：球键合中在每次焊接循环的开始会形成一个焊球，然后把这个球焊接到焊盘上形成第一焊点，而楔键合则是将引线在加热加压和超声能量下直接焊接到芯片的焊盘上。引线键合过程如图1所示

图1 键合工艺

2 球-楔一体机设计框架

一体机设备控制部分主要包括板卡模块、键合模块、电源模块以及设备子系统。其中板卡模块是系统的控制核心，键合模块是设备的操作核心。板卡模块框图如图2所示。

图2 系统板卡框图

a）主控板：控制整个机器的运行。

b）接口板：驱动螺线管和电机。

c）转接板：用于获取外界接口（传感器、螺线管、触点、电机）信息，转接到主控板或接口板，并从主控板或接口板获取相关指令，传递给相应部件。

d）超声板：超声波锁相电源提供固定电信号，利用压电陶瓷产生一个固定高频超声波使之达到共振点，满足换能器和键合设备之间最佳匹配。

其中主控板、接口板和超声板镶嵌在底板之上，通过底板相互传送和接收数据，以满足系统之间的数据交互。

整个系统通过主控板对每个环节涉及的器件进行逻辑控制，以实现机器的合理有效稳定的运行，也是通过主控程序满足球与楔的焊接方式。

键合模块主要包括换能器、劈刀以及涉及的电机、传感器和螺线管等，通过之间的相互配合，满足键合条件，实施键合。

3 键合模块的设计

3.1 换能器

球焊、楔焊换能器工作原理相似，超声波锁相电源提供固定电信号，利用压电陶瓷产生一个固定高频超声波（＞80 Hz），使换能器变幅杆前后伸缩运动（见图3），其运动幅值可调，幅值越大产生的超声波能量越大。

图3 换能器谐振[5]

3.2 劈刀的区别以及焊接过程分析

球焊劈刀（见图4）通常为陶瓷材料，空心吸管状，前端为锥形，锥角根据型号不同会有变化，尖端是一个平面，出口处会有台阶和倒角，保证键压出匀称的凸点形状，增加根腱处的键合强度。劈刀内外孔处均有适当倒角，保证焊接后凸点的完整性。尖端平面决定凸点大小。

图4 球焊劈刀图形[5]

楔焊劈刀（见图5）为金属材料，主体为圆柱状，但正前方有定位面，保证劈刀尖端始终朝前，尖端为楔状平面，平面后方是一个固定角度的送线孔，金属丝通过送线孔被平面键合成铲状焊点，平面面积决定焊点的大小。

图5 楔焊劈刀图形[5]

由于两种劈刀材料和形状不同，迎合劈刀的换能器就不相同，固定劈刀的螺钉位置就不同，为了方便使用，满足球、楔两种焊接技术要求，设计新型的换能器，如图6所示，在前端和侧端分别有一螺丝钉，当楔焊时，通过前端螺钉定位劈刀，侧面螺钉加紧，而球焊时候不需要定位，只侧面螺钉加紧即可使用，这样就能满足两种劈刀的要求。

4 球-楔焊一体机软件设计与实现

4.1 球-楔焊一体机软件设计思路

首先开机检测传感器等相关信号，一切正常后进入系统，流程如图7所示。然后焊接选择（根据存储模块记忆球楔焊）

图6 球-楔一体机换能器

楔焊：

a）焊接第一线，同时配合螺线管、触点、电机等信号，金属线与芯片表面接触后施加超声、压力，成功后抬起；

b）同第一点焊接第二点；

c）通过设定参数断线；

d）重复以上操作。

球焊：

a）焊接第一线，同时配合螺线管、触点、电机等信号，金属球与芯片表面接触后施加超声、压力，成功后抬起；

b）同第一点焊接第二点；

c）通过设定参数断线；

图7 待焊线思路流程图

d）抬起后打火；

e）重复以上操作。

参数修改：

进入参数修改界面可以修改焊接时候的超声、压力以及断线的长度和打火相关参数。

测试：对I/O信号进行测试，检测是否正常。

焊接完成后返回系统进入等待。

4.2 人机界面

整个系统包括界面由焊接界面、参数修改、测试界面。对于焊接界面和参数修改界面分别由球、楔两种。

焊接界面是对焊接过程的提示界面，主要包括提示焊接第一点、焊接第二点，送线（楔焊）或者打火（球焊）。

参数修改界面是对焊接的参数进行设置。包括功率、时间、压力、线尾、球焊的球径或者楔焊的短线等，在这个界面就可以进行球、楔转换，设置完毕后，按键退出即可进入焊接界面，准备焊接，如图8所示。

测试界面主要是针对机器的重要IO进行自检测试。

6 总 结

经过实验测试，本机器可以通过选择切换球焊-楔焊，可以实现球-楔焊一体，使单一设备满足传统两种设备的功能，达到客户要求，节约用户成本。

：

[1]杨利业.引线键合自动送线系统关键技术研究[D].天津：天津大学，2012.

[2]晁宇晴，杨兆建，乔海灵.引线键合技术进展[J].电子工艺技术，2007，28（4）：205-210.

[3]邱颖霞.微波多芯片组件中的微连接[J].电子工艺技术，2005，26（11）：319-322．

[4]黄玉财.集成电路封装中的引线键合技术[J].电子与封装，2006，6（7）：16-20．

[5]美国.SPT公司劈刀样本[Z].20112008，158:53-60.

The Design and Implementation of Ball-Wedge Bonding Machine

MENG Qingsong，HAO Limeng，XU Pinlie，LIU Dan
（Beijing Electronic Equipment Ltd，Beijing 100176，China）

Abstract:There are two different devices which using different Ultrasonic Transducers,Bonding Tools and Bonding Processes in the traditional wire bonding technology.They are ball bonding and wedge bonding equipment.In this paper，with the analyzes of the two devices and market demand,Design a ball-wedge bonding machine to meet the ball and wedge boding forms.And it is conducive to the development of Wire bonding technology.

Keywords:Ultrasonic transducer；Ball bonding；Wedge bonding；Wire bonding；Ball-wedge bonding Machine

TG439.1

B

1004-4507（2013）12-0010-04

2013-11-13