影响光子引线键合质量的因素

光子引线键合是一种使用细金属线，利用热、压力、超声波能量为使金属引线与基板焊盘紧密焊合。

影响光子引线键合质量的因素：

1)压力:理想的键合压力应是使劈刀的横向振动(超声振动)，最 大限度的传递到焊接界面。当超声波输出功率及键合时间一-定时， 压力过小，铝丝与铝层之间磨擦不够，塑性变形不够，焊按不牢，有时还会造成铝丝与劈刀的枯连:压力过人，铝丝形变人，铝丝在焊点根部损伤严重，使键合强度降低。(说明:压力的施加是一个由零到设定压力之问逐渐增加的过程。当劈刀和芯片压点尚没按触时，压力为零:当劈刀与压点逐渐接触，压力逐渐上升，铝丝与压点接触逐渐紧密，造成超声作:用时的阻尼逐步提高，使更多的超声能量成为键合过程的有效能量，它主要用于对铝丝和压点间氧化层的去除;压力继续升高，氧化层去除更完全，铝丝与压点距离更近，能量传递损失减小，键合质量上升:当压力达最 佳点时，氧化层去除完全，键合质量最   好。但此时若压力继续增加，由于氧化层已完全去除，额外添加的能量会造成键合点的硬化裂纹及疲劳破坏。有实验验证，对直径300μm的铝丝，当压力在0- 16.1N区间内，随压力增大,键合强度逐渐上升，当压力在16. 1-18.8N范围，随压力上升，键合强度逐渐下降，最 佳键合点出现在14.2-17. 5N之间)

2)超声波输出:它决定劈刀水平方向震动的频率和幅度。当键合压力和时间一定时，功率过小，劈刀振动幅度小( 换能系统的输出位移随输入电压的增加而增大)，为键合提供的能量小，键合强度低:功率过大，铝丝损伤严重，降低了引线和键合点强度。

3)信号发生器的频率:改变信号发生器的频率，使其远离换能系统的谐振频率时，换能系统输出位移较小或接近于零，当其与换能系统的谐振频率相等或接近时，换能系统输出位移最 大。

4)键合时间:时间过长，引线过分磨擦，会造成键合不牢，同时会使键合点局部升温过高(300-350C)，对Au-Al系统，易产生“紫斑”;时间过短，提供能量不够，键合不牢。键合时间部分取决于功率，通常认为，高功率短时间的键合质量比低功率长时间的要好。键合时间通常为几十毫秒。功率、时间、压力是超声键合的关键控制参数，相互关联，须根据铝丝直径和被焊接面的材料性质及表面状态、劈刀类型等仔细调整(有经验介绍，调整时先使输出功率稳定，选择适当的焊接时间，然后调节超声波输出振幅，并根据振幅大小调整键合压力)。除以上因素外，还有以下影响因素:

5)铝丝和键合区表面清洁状况:超声键合虽能排除其上的粘附物和氧化物，但过分的污染和过厚的氧化物是不能键合的，所以必须保持键合部位的清洁。

6)设备安装状况的影响:

a)劈刀的固定:劈刀分空心劈儿和鸟嘴式劈刀(侧面送丝)两种，超声焊多采用侧面送丝。劈刀的长度(变辐杆的连按点到焊接端面的长度)应保证劈刀端面的振幅最 大:连接点的固定蝶丝必须紧固。有实验发现，劈刀不同安装长度导致换能系统固有特性及劈刀振动状态改变，从而引起电流、功率加载的变化，并影响能量在劈刀中的传递及作用到键合点的强弱，造成键合强度显著变化。实验显示，电流、功率加软任劈刀女表长度变化范围内(9-19mm) 先降低冉增大，仔在一定的安装长度范围(14-15mm)键合强度很低。因此我们要尽量避免采用14- 15mm范围的安装长度，而采用9-11mm，17- 19mm安装长度范围。另外， 适宜的劈刀端面形状，劈刀端面与芯片焊点平行，都便于获得可靠焊接。

b)换能系统各子部分之间的接触界面(是指各子结构动态藕合以及安装支撑所形成的连接界面，包括予紧扭矩、界面方式及界面材料等因素)，是影响系统超声能量传递的非线性因素，直接影响键合质量。*劈刀与变辐杆间的联接予紧扭矩是影响超声能量的敏感因素。当其过小时，超声能量输出很小，当其过大时，超声能量严重衰减;这些都会导致键合强度降低，甚至无法键合。*节点位置是系统安装与固定到机器的最 佳位置，不合理的安装位置会为超声能量对外流失提供通道，加剧系统运动的复杂性(不合理的系统安装接触面还会导致系统工作模态的畸变，对倒装,会造成芯片翘曲等封装缺陷)。改变换能器的夹持位置,换能系统的输出位移随之改变,当夹持位置在换能器的节点位置时,输出位移达到最 大值(如在夹持位置(节点)为58mm时，最 大输出位移为3. 7μ)，以此可确定换能系统的夹持位置。

*当压电陶瓷片与前后盖板接触面不平行时，会产生换能系统工作频率与干扰频率混叠效应，超声能量将损耗严重。

7)焊件固定:管座及芯片必须固定牢固，避免键合时管座或芯片发生任何方向的位移，要保证键合时能与铝丝有效相互擦动。

8)铝丝与铝层:超声键合条件要根据引线和被焊接面的材料性质及表面状态等决定。不同规格的铝丝和不同金属材料键合，其键合功率、时间、压力不同。铝丝较粗、金属层硬度低时，压力、功率要大些:铝丝较细，金属层硬度大时，压力、功率要小些，时间要短些。另外，铝层要有足够厚度，且与衬底粘附良好:铝层表面A1z0.的厚度应<100A° ，否则可能键合不上或可靠性不好。

此外对键合的可靠性因:索还应包括应力变化、粘接材料、铝的腐蚀、金属间化合物形成、晶粒的成长及反应、腐蚀等导致的潜在破坏。