集成电路封装压焊机劈刀应用工艺研究

李彦林

（甘肃林业职业技术学院， 甘肃 天水 741020）

0 引言

集成电路封装又称电子封装，在集成电路芯片的生产过程中，它是一道必不可少的工序，是电子器件成为电子系统的一个重要桥梁。它不仅起到连接电路、保护芯片和增强器件导热性能的作用，更重要的是将晶圆芯片上的铝垫焊接点用金丝（或铜丝）连接到引线框架内引脚上，从而产生各种电路效果。劈刀是集成电路测试过程中压焊工艺引线键合的重要工具，它能高效地切断金丝（或铜丝）与内引脚之间焊接产生的焊头，保证集成电路生产的高效性、可靠性和稳定性。

1 引线键合工艺

在集成电路封装测试过程中，引线键合是一道关键的工艺。引线键合工艺质量的好坏，对整个封装器件的电学性能、稳定性、可靠性等都会产生至关重要的影响。在导致半导体元器件失效的原因中，30%左右的失效都是由芯片互连存在问题而导致的，因此，芯片引线键合焊接的牢固与否，对半导体元器件的可靠性有很大的影响[1-2]。

1.1 引线键合方式

将芯片固定于金属导线架上，采用引线键合工艺，依序将细金属线与芯片及导线架相连接，即可完成键合。引线键合焊接通过采用加热、加压、超声等方式破坏被焊物体表面的氧化层，使其产生塑性变形，从而使引线与被焊面实现非常紧密的接触，进而形成焊接点。引线键合的方式中，热压键合、超声键合和热声键合三种方式比较常用[3-4]。

1.2 引线键合工艺流程

1.2.1 球形键合工艺

球形键合工艺流程为：将键合引线垂直插入柱状劈刀工具中，引线在电火花的作用下，受热熔化成液态，由于液体表面存在张力形成球状，劈刀下降对焊球加压，使焊球和集成块铝垫结合，完成焊接过程。之后劈刀抬起，沿着预定轨道移动，到达内引脚位置时，利用压力和超声能量完成焊接，形成焊点[5-6]。

1.2.2 楔形键合工艺

楔形键合工艺流程为：将金属丝穿入楔形劈刀背面的预设小孔，使金属丝与键合区平面呈30°～60°夹角。之后楔形劈刀下降，到达焊盘键合区域时，将金属丝压在焊区表面，采用超声焊或热声焊方式完成键合焊。之后劈刀抬起，按预定轨道移动，到达内引脚位置时，利用压力和超声能量完成焊接，形成焊点[7]。

2 劈刀的作用及选用方法

2.1 劈刀的作用

劈刀是半导体封装设备中的关键部件之一，其通常使用陶瓷材料或陶瓷复合材料制作，包括刀体、锥芯孔（也称为垂直方向孔）和位于刀体前端顶部的尖嘴（刀嘴），刀体和尖嘴是以锥芯孔的中轴线为对称轴的旋转体。锥芯孔的作用是为了让焊线穿过，在锥芯孔的前端开口处，锥芯孔的直径逐渐扩大，亦即锥芯孔的前端开口处呈喇叭形，从而形成锥芯孔的倒角，也称为内切面角度，其作用是便于卡合焊线时所用的金属球。此外，尖嘴前端纵切面两侧的切线呈弧形，从而与工作面之间形成一定的角度，即工作面角度[8-10]。

劈刀主要参数有劈刀孔径、内倒角、头部直径等见图1。

图1 劈刀的主要参数

劈刀主要以封装技术工艺为依据进行分类见表1，在球形键合过程中常用柱状劈刀见图1，在楔形键合中使用楔形劈刀见图2。

表1 劈刀的分类

图2 柱状劈刀

图3 楔形劈刀

2.2 劈刀的选用方法

劈刀的选用方面，应综合金线线径、铝垫尺寸、铝垫间距、相邻弧高等因素，综合考虑进行选择。

1）根据金线线径，选用劈刀孔径（H）。估算公式为孔径（H）=金丝线径+经验值（0.5～0.8 mil）。

2）根据铝垫尺寸选用内倒角直径（DC）大小。估算公式为内倒角直径（DC）=铝垫尺寸- 经验值0.8～0.9 mil。

3）根据铝垫间距选用劈刀头部直径（Dt）的大小。估算公式为头部直径（Dt）=2×铝垫间距- 平均金球直径。

4）根据相邻弧高和相邻间距选用劈刀头部形状。

2.3 劈刀与金丝直径对照

劈刀与金丝直径对照，如表2 所示。

表2 劈刀与金丝直径对照

3 劈刀更换工艺（以ASM--AB339 压焊机为例）

3.1 卸载旧劈刀

按ASM-AB339 压焊机“ChgCap”键，用扭力扳手按逆时针方向旋转劈刀螺丝1～2 圈，取下旧劈刀。

3.2 装载新劈刀

1）ASM-AB339 压焊机屏幕显示装载信息，用镊子夹住待换上去的劈刀中间，将劈刀上端塞进孔中，使劈刀上端与上表面相平，用扳手顺时针调整到1.8～2 N 扭力上紧劈刀螺丝。

2）连续2 次选择ASM-AB339 压焊机机台“Enter”键。

3）ASM-AB339 压焊机进入超声波自动检测。

4）连续2次选择ASM-AB339压焊机机台“Stop”键。

5）选择ASM-AB339 压焊机机台“Enter”键，Press 1 to reset capiliary stats（按1 清除劈刀计数），Press enter to continue（按输入继续），按“1”清除劈刀计数。

6）选择ASM-AB339 压焊机机台“Enter”键，将十字线对准管脚（L/F），再按“Enter”使劈刀在管脚上打1个印记，移动操纵盘使十字线与已打印记中心重合。

7）Auto tch fir lvl 自动调整打火杆与劈刀水平距离（打火杆高度）：

按“A”显示：“Adjust fir lvl”调整打火杆与劈刀水平距离，按上下箭头键，使劈刀头部（尖）与打火杆头部（尖）水平后按“Enter-→Stop”退出。

8）按Shift+CtctSr/EFO 进行测高。

4 结语

通过对ASM-AB339 压焊机劈刀的选用及更换工艺进行研究，提出一套有效的劈刀选用方法和ASM-AB339 压焊机及同类型压焊机劈刀更换工艺标准规范，对提高压焊设备和劈刀的使用寿命具有很大的实际意义。