基于某型号键合机打火异常问题的研究

宋昊

（中电科仪器仪表有限公司，山东青岛，266555）

0 引言

在电子封装技术不断趋于成熟的当下，对电子封装技术、材料、设备等方面的细节的研究显得尤为重要，在细节上的提升、原理方面的探索是电子封装技术继续提高、进步的渠道。键合作为电子封装技术的关键工序，其工艺复杂、影响因素多。健合工序依据键合方式分成了球型键合和楔型键合、其主要区别在于键合点的形状。球健合第一点形状为球状，是由键合机烧球后形成。因此球键合的影响因素更为复杂，多了打火成球的步骤，因此如何控制成球是球键合可靠性控制的第一步，本文主要以打火参数为重点，探讨成球的设备因素，并探究其根本原理。

1 球键合机烧球原理

如图1所示，打火杆距离劈刀尾端约1.1mm,尾丝长度约0.9mm,球键合机烧球，是由打火杆放电，高压击穿空气，使得金丝尾端熔化成金球。

图1 打火杆与劈刀位置关系

2 问题描述

此问题出现于键合工序，在模块键合过程中，操作人员反馈键合机频繁出现打火异常，平均每键合3根线出现一次，打火后劈刀下方没有金球，并且设备无法向下送丝，只能把金丝扯出劈刀后重新穿丝。

3 问题分析

根据可能导致此问题的几个因素画出鱼骨图分析。

■3.1 操作人员问题

操作人员都是工作了10年以上的员工，操作经验丰富，可能会有马虎现象，但此问题不会频繁发生；同时，此问题各个时间段都会出现，换人操作问题并未改善。因此与员工操作无关。

图2

■3.2 物料耗材问题

所使用的金丝规格不变，保存环境良好，温湿度均符合金丝储存条件，一直未出现问题，更换金丝后，问题也没有改善。

■3.3 工艺问题

工艺方法和工艺流程都未改变，之前同样的模块以此工艺方法和流程操作没有问题，因此基本排除工艺因素的影响。

■3.4 机器设备问题

排查设备故障发现设备机械功能、设置程序功能正常，电气供应正常，因此排除设备故障；推测设备参数导致的打火异常。而影响打火的参数因素主要有：第二点键合功率、尾丝设置、劈刀与打火杆的位置关系、打火功率和打火时间设置。

4 实验验证

在与生产条件相同的情况下，使用此型号键合机在实验电路上进行键合实验。

实验设计:首先调节键合的超声参数，探索是否由键合超声参数导致;调节键合时间参数，排除键合时间的影响;调整尾丝参数和劈刀与打火杆的距离，确定因为尾丝不合适导致的打火异常;最后调整打火电源的参数，最终确定导致此次问题的因素。

■4.1 降低第二点超声功率

第二点功率太大会导致金丝粘在劈刀上，无法正常送丝，打火失败，但在此实验过程中，打火电源显示打火成功，并观测到如图3所示的金球。

如图3所示，打火之后尾丝了金球，但是金球尺寸偏小，为24.71μm。因此会导致金球卡在劈刀孔里，并非键合功率的问题。

■4.2 调整尾丝和劈刀与打火杆距离

由图3推测可能是尾丝不够长或者劈刀离打火杆太远导致虽然打火成功，但是打火不良。实验过程调整打火杆位置和尾丝长度，作用不大。但发现了如图4的问题。

图4

在打火杆上偶然发现一个掉落的金球，由此分析掉落金球可能是由于打火参数过大导致，而掉落金球的同时，金丝尾端还带有一个小的不规则金球（如图3），推测是由于打火功率大，烧球时间长导致烧球后，因时间过长，烧成的金球不能冷却，从而滴落下来，而长时间的打火电流通过，又形成了一个不规则的小金球。

■4.3 降低打火时间和打火功率

调整打火电源参数，打火功率降低1.6，打火时间降低2，重新穿线调整尾丝后进行键合。在实验板上键合200根金丝后未发生打火异常现象。操作人员恢复生产，在产品上进行操作，恢复正常。因此推断4.2中掉落金球并二次烧球是由于打火参数偏大导致的推测是正确的。

5 问题原理

由原理图可知，长时间打火，导致熔化的金球在重力作用下掉落，电流的持续通过导致形成二次熔球，当打火结束后，金丝回抽，二次熔球的金球很小，但是会卡在劈刀口上，从而导致虽然打火成功，但是键合时发现没有金球，送丝也送不下来的情况。

图5 二次烧球原理

6 结论

通过以上分析，降低打火参数，如图6所示。

图6 打火参数调整

由打火参数调整前（图6(a)）和打火参数调整后（图6(b)）对比，打火功率由5.5调到3.9，打火时间由4.9调到2.9，解决问题。因此得出结论键合机打火异常的影响因素除了尾丝长短、第二点键合参数之外，与打火参数也有很大关系，打火参数过小会导致无法成球，打火参数过大会导致二次烧球。

球键合中，打火成球是保证球键合可靠性的第一步，是非常重要的一个环节。影响成球的因素有很多:金丝质量、尾丝长度、劈刀与打火杆之间的距离、第二点键合参数、打火杆表面的氧化程度和打火参数。而此次打火异常的主要影响因素是打火参数，经过试验得出的结论是:打火参数偏大，主要是打火时间长，导致尾丝熔化成球后滴落，此时依然处于打火状态，但处于打火状态接近结束的时候，因此又形成了一个不规则的小金球，打火结束后，线夹带着金丝回抽，尺寸较小的金球卡在了劈刀口上，这就导致了键合时发现没有球，再打火时没有尾丝、不成球的现象。