铝丝键合的具体步骤

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要讲述铝丝键合的步骤。  

铝丝键合常借助超声楔焊技术，通过超声能量实现铝丝与焊盘的直接键合。由于键合所用劈刀工具头为楔形，使得键合点两端同样呈楔形，因而该技术也被叫做楔形压焊。超声焊工艺较为复杂，键合劈刀的运动、线夹动作，以及工艺参数的施加时序，需相互协同配合，才能完成单根铝丝的键合过程。在此过程中，劈刀作为传递超声波功率、压力等关键工艺参数的媒介，其运动轨迹还对线弧的形状起着决定性作用。

具体步骤

1.穿丝与定位：将铝丝穿过超声换能器上的小孔，接着从劈刀尖端穿出，并让铝丝伸出劈刀一定长度作为尾丝。随后，把劈刀调整到第一键合点的正上方。

2.形成第一键合点：劈刀向下移动，以特定压力将铝丝压在焊盘表面，同时施加一定时长的超声波功率，由此形成第一个键合点。

3.线夹打开与劈刀上升：线夹打开，劈刀上升至预先设定的弧线高度。

4.移动至第二键合点：劈刀移动到第二键合点的上方。

5.送线准备：送线电磁螺线管启动，线夹向后移动，为压完第二键合点后送出铝丝，开展下一个键合循环做准备。

6.形成第二键合点：劈刀再次向下移动，将铝丝压在焊盘表面，同时施加超声能量与压力，完成第二个键合点的制作。

7.扯断引线：劈刀压住已形成的第二个键合点，随后扯线电磁阀启动，线夹向后移动，在第二键合点的根部扯断引线。

8.复位与循环准备：劈刀提升，线夹移至复位高度，扯线及送线电磁阀断电，复位弹簧使线夹回到初始位置，并将线尾送进劈刀内。重复上述循环步骤，进行下一根引线的键合。

总体来看，在超声楔焊过程中，铝丝与焊盘的键合界面吸收了由劈刀传递的充足超声能量，进而实现界面间的固态焊接。首先，楔形劈刀将铝丝按压在焊盘上，使铝丝和焊盘产生初始形变。接着，开启超声波能量，产生超声波振动。

经过特定时间，铝丝与焊盘之间形成高强度焊接，随后关闭超声波能量。之后，劈刀牵引键合丝形成线弧，并靠近第二键合点，重复上述键合过程，形成第二键合点。最后，扯断铝丝尾线（若是粗铝丝，则使用切刀切断尾线）。通常，铝丝形成一个键合点仅需10到100ms。

关键参数

铝丝超声键合的质量与键合压力、键合表面温度、超声功率及超声时间息息相关。这些关键工艺参数之间相互关联、相互影响，呈现出复杂的非线性关系。

键合压力主要发挥两方面作用：一是确保引线与焊区紧密接触，增大两者接触面积；二是促使引线发生塑性变形，破坏表面氧化层以暴露新鲜金属表面，为形成可靠键合点创造条件。在超声功率恒定的情况下，增大键合压力可提升键合质量；但压力过大会导致引线严重变形，反而降低键合强度。

不同的超声功率，意味着向界面输入能量的速率有所不同。而改变键合时间，本质上也是在改变输入的能量。当施加超声载荷时，从宏观层面来看，会导致材料软化以及金属变形；从微观层面来讲，则会产生位错网络，这些都使得界面扩散变得更加容易。互扩散的原子或原子团在材料中会产生固溶强化效应，进而促使键合强度得以生成。 具体而言，在超声功率较小的情况下，键合强度对键合时间的变化较为敏感；而当超声功率较大时，键合强度对键合时间的敏感性则会降低。倘若键合参数设置不当，常常会引发诸如铝丝键合焊点跟部断裂、焊盘坑陷、起皮以及键合脱键等不良现象。

超声时间指在劈刀上施加键合压力与超声功率的持续时长，用于控制超声作用产生的能量。适宜的超声时间有助于清除铝丝表面氧化层，增强键合效果；时间过短会导致键合点狭窄或铝丝剥离，过长则可能造成根部断裂。    

研究发现，键合强度与超声功率的关系大致呈开口向下的抛物线：当超声功率较小时，适当增大功率有助于提升键合强度，这是因为此时的功率条件利于铝丝软化、变形，进而形成微焊点和键合区；但当超声功率超过一定阈值后，继续增大功率反而会导致键合强度下降，且同一功率条件下不同样品的键合强度离散度也会增加。其原因在于，过大的超声功率会对键合点跟部产生切跟现象，且过量的超声能量会破坏键合界面，最终造成键合强度降低。

键合顺序通常为首次键合至芯片、二次键合至基板，即正向键合，因其不易受焊线与芯片间边缘短路的影响。特殊情况下，为降低封装厚度（需减小线弧高度），可采用反向键合。键合顺序同样会对封装性能产生影响。

超声键合界面

有研究借助透射电子显微（TEM）技术，对超声作用前后铝表面位错的生长情况展开了细致观察。发现超声作用促使铝表面产生了大量的新生位错，进而形成了位错簇。

依据扩散理论，在较低温度条件下，固体材料沿着位错的扩散系数要大于沿晶格的扩散系数（即体扩散）。位错扩散属于短路扩散的范畴，其扩散速度远比体扩散快得多。因此，在铝丝超声键合的过程中，短路扩散起到了主导作用。

在硅基芯片中，焊盘通常采用铝焊盘。铝作为一种化学性质较为活泼的金属，一旦与空气中的氧气接触，便会迅速发生氧化反应，在其表面形成一层氧化膜。最初生成的氧化膜会在一定程度上阻碍铝的进一步氧化。倘若铝层质地致密，当氧化膜达到一定厚度后，氧化过程就会停止。然而，过厚的Al₂O₃氧化膜会对金丝与铝焊盘之间的键合造成严重阻碍，甚至导致无法实现键合。所以，在芯片的制作、切片、清洗以及运输等一系列过程中，应尽可能减少其与空气的接触，尤其要避免人为因素导致的额外接触，因为这些都可能加剧铝焊盘表面的氧化程度。 

针对键合界面的结合机制，众多学者进行了大量的研究，并由此提出了多种不同的假说。但无论如何，超声能量的运用，显著降低了键合界面原子扩散的难度，使得原子扩散更易于实现。