手动引线键合设备夹持台解决方案

纪 伟，刘严庆，刘 丹，夏志伟

(北京中电科电子装备有限公司，北京100176)

引线键合是至今仍广泛使用的焊接技术。引线键合设备能够完成绝大多数封装管脚的连接（90%），是封装工艺环节的重要设备。引线键合以工艺实现简单灵活、成本低廉、试用多种封装形式而在封装互连方式中占主导地位。而手动键合以其适用性更强，使用方法更灵活等优势在键合工艺，尤其是试验及小规模生产中有着广泛的应用。随着半导体技术的发展，键合的器件的种类也不断增加，这就要求手动键合设备针对器件的改变进行相应的变化。

1 夹持台

夹持台是手动键合设备变化最为复杂的部件。针对需要键合器件的不同，夹持台需要进行相应的调整，来满足键合的需要。夹持台需要实现的基本功能是实现器件的牢固装夹，保证在键合过程中器件的牢固，以免影响焊接质量。

根据压焊工艺的不同，夹持台分为热夹持台和冷夹持台两种。热夹持台主要应用于金丝球键合和金丝楔形键合；冷夹持台则主要应用于铝丝楔形键合。因为手动键合设备90%以上应用于金丝键合，所以本文主要介绍热夹持台的解决方案。冷夹持台的设计只需去掉热夹持台的加热装置和隔热装置即可，设计难度也要低于热夹持台。

2 热夹持台基本结构

图1为一个标准的热夹持台结构图。一个标准的夹持台由夹持部分、加热部分和隔热部分构成。夹持部分由按钮、夹片和台面组成。其工作原理为：台面承载器件，由按钮带动夹片来实现器件的装夹和松开。加热部分由加热管和热电偶组成，实现热夹持台的温度控制。隔热层实现热夹持台的隔热，方便用手抓取操作。虽然由于器件的多样性造成热夹持台的结构多种多样，但热夹持台的主要结构都是由这几个基本部分构成，主要的变化都是夹持部分的改变。

图1 夹持台基本结构

2 不同器件的夹持台解决方案

因为半导体器件多种多样，需要键合的器件也各不相同，为了适应器件的多样性，也要求手动键合设备的夹持台做出相应的变化来满足键合的要求。

2.1 DIP器件和混合集成电路夹持台解决方案

DIP封装（Dual In-line Package），也叫双列直插式封装技术，是一种最简单的封装方式。指采用双列直插形式封装的集成电路芯片，绝大多数中小规模集成电路均采用这种封装形式。混合集成电路是由半导体集成工艺与薄（厚）膜工艺结合而制成的集成电路，是在基片上用成膜方法制作厚膜或薄膜元件及其互连线，并在同一基片上将分立的半导体芯片、单片集成电路或微型元件混合组装，再外加封装而成。

对于普通的DIP（双列直插）封装器件，和混合集成电路（如图2）。除了用图1所示夹持台装夹，还可以用图3所示夹持台装夹。由按钮带动夹持爪来实现器件的固定，完成键合。

图2 DIP封装器件和混合集成电路

图3 DIP/混合集成电路夹持台结构

2.2 CQFP器件和SOP器件夹持台解决方案

CQFP（Ceramic Quad Flat Pack）指保护环的四侧引脚扁平封装。SOP（Small Out-Line Package小外形封装）是一种很常见的元器件形式。表面贴装型封装之一，引脚从封装两侧引出呈海鸥翼状(L字形)。材料有塑料和陶瓷两种。

对于CQFP封装和SOP封装的器件（如图4），一般要求从两侧夹持器件管腿，可以用图5所示夹持台进行装夹。

CQFP/SOP封装器件夹持台由按钮1带动压板3开合，实现对器件的装夹。

图4 CQFP封装器件和SOP封装器件

图5 CQFP/SOP封装器件夹持台结构

2.3 LED器件夹持台解决方案

发光二极管（Light-Emitting Diode，简称 LED）是一种能发光的半导体电子元件。发光二极管已被广泛的应用于显示器、电视机采光装饰和照明。贴片式LED框架（如图6）的装夹要求对框架上的每一个LED管壳进行固定。可以用图7所示夹持台实现。

图6 旋转夹持台结构

贴片LED框架夹持台通过按钮带动压板上下运动，实现对贴片LED框架的装夹。

图7 贴片LED框架夹持台结构

图8为一种新型高亮度LED器件，器件前端六棱柱6个面均粘贴高亮度LED芯片，然后键合。这种器件的夹持要求完成6个面的键合工作。

图8所示器件可以用图9所示夹持台装夹完成键合。夹持台由按钮带动旋转轴上的卡扣实现对器件的固定，由旋钮带动旋转轴转动，实现器件的旋转换面，完成器件的键合。

图8 一种新型LED器件

图9 六棱柱LED器件夹持台结构

2.4 TO器件夹持台解决方案

TO封装器件一般可以看成是一边出引脚的器件，有二极管、三极管、场效应管、可控硅、三极稳压IC、基准电压IC和某些专用IC等。手动键合的一大类器件为TO封装器件，如TO5、TO8、TO46和TO56等（如图10所示）。

图10 TO封装器件

图11 TO5封装夹持台结构

对于TO5封装类型的器件，可以用图11所示夹持台装夹。通过按钮带动压板的开合，实现对TO器件的装夹。

对于大批量的TO5封装类型的器件生产，可以采取图12所示自动送料夹持台实现器件的自动送料。自动送料夹持台的工作原理是：把器件装夹于料条上，然后把料条固定于传输机构上；夹持台通过电机带动传输机构实现步进动作，从而完成TO5封装器件的步进送料。

图12 TO5封装自动送料夹持台结构

TO56封装的器件装夹要求比较特殊，它不是要求在器件圆形端面上键合，而是需要横向装夹器件进行键合。可以用图13所示夹持台装夹。由按钮带动夹板开合，实现对TO56的装夹。

图13 TO56封装夹持台结构

图14所示是一种TO25器件，他的键合不但有同一个平面中的键合，还要求在90°的相邻面间进行跨面的键合。这种器件的夹持可以用图15所示TO25双轴旋转夹持台实现。

图14 一种TO25封装器件

图15 TO25夹持双轴旋转夹持台结构

TO25双轴旋转夹持台把器件固定于旋转机构上，分别利用X旋钮和Y旋钮带动旋转机构绕轴和轴旋转，从而实现器件的旋转，利用锁紧销进行器件旋转到位后的固定。

图16所示为一种气体传感器器件，该器件键合之后要求用4根键合丝把芯片悬空连接到器件的4条管脚之间。

图16 一种气体传感器器件

图16所示的气体传感器可以用图17所示夹持台进行装夹。夹持台由按钮同时带动2个夹持爪开合运动来同时夹紧器件及芯片。焊接完成后打开夹持爪就实现了芯片通过键合丝悬空连接到器件的4条管脚之间的要求。

图17 一种气体传感器器件夹持台结构

图18 旋转夹持台结构

2.5 旋转夹持台解决方案

因为楔形键合有方向性，而很多器件要求在各个方向进行键合。这样，如果夹持台能实现旋转功能，将给键合带了方便。图18所示旋转夹持台，就提供了夹持台的旋转功能，满足器件旋转的要求。旋转夹持台通过旋钮带动台面完成旋转功能。

3 夹持台的其他解决方案

根据器件不同要求，夹持台还可以采取真空吸附和电磁方式等进行器件的装夹。根据键合器件的要求等，还可以添加氮气（或其他还原气氛）保护功能和升降功能等。总之，随着半导体器件的日新月异的发展，手动键合设备的夹持台的解决方案也会不断的发展。

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[4]张琦，纪伟，王双江.旋转热台装置[P].国家实用新型专利：CN200991808，2007-12-19.