文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述鋁絲鍵合的步驟。

鋁絲鍵合常借助超聲楔焊技術，通過超聲能量實現(xiàn)鋁絲與焊盤的直接鍵合。由于鍵合所用劈刀工具頭為楔形，使得鍵合點兩端同樣呈楔形，因而該技術也被叫做楔形壓焊。超聲焊工藝較為復雜，鍵合劈刀的運動、線夾動作，以及工藝參數(shù)的施加時序，需相互協(xié)同配合，才能完成單根鋁絲的鍵合過程。在此過程中，劈刀作為傳遞超聲波功率、壓力等關鍵工藝參數(shù)的媒介，其運動軌跡還對線弧的形狀起著決定性作用。

具體步驟

1.穿絲與定位：將鋁絲穿過超聲換能器上的小孔，接著從劈刀尖端穿出，并讓鋁絲伸出劈刀一定長度作為尾絲。隨后，把劈刀調整到第一鍵合點的正上方。

2.形成第一鍵合點：劈刀向下移動，以特定壓力將鋁絲壓在焊盤表面，同時施加一定時長的超聲波功率，由此形成第一個鍵合點。

3.線夾打開與劈刀上升：線夾打開，劈刀上升至預先設定的弧線高度。

4.移動至第二鍵合點：劈刀移動到第二鍵合點的上方。

5.送線準備：送線電磁螺線管啟動，線夾向后移動，為壓完第二鍵合點后送出鋁絲，開展下一個鍵合循環(huán)做準備。

6.形成第二鍵合點：劈刀再次向下移動，將鋁絲壓在焊盤表面，同時施加超聲能量與壓力，完成第二個鍵合點的制作。

7.扯斷引線：劈刀壓住已形成的第二個鍵合點，隨后扯線電磁閥啟動，線夾向后移動，在第二鍵合點的根部扯斷引線。

8.復位與循環(huán)準備：劈刀提升，線夾移至復位高度，扯線及送線電磁閥斷電，復位彈簧使線夾回到初始位置，并將線尾送進劈刀內(nèi)。重復上述循環(huán)步驟，進行下一根引線的鍵合。

總體來看，在超聲楔焊過程中，鋁絲與焊盤的鍵合界面吸收了由劈刀傳遞的充足超聲能量，進而實現(xiàn)界面間的固態(tài)焊接。首先，楔形劈刀將鋁絲按壓在焊盤上，使鋁絲和焊盤產(chǎn)生初始形變。接著，開啟超聲波能量，產(chǎn)生超聲波振動。

經(jīng)過特定時間，鋁絲與焊盤之間形成高強度焊接，隨后關閉超聲波能量。之后，劈刀牽引鍵合絲形成線弧，并靠近第二鍵合點，重復上述鍵合過程，形成第二鍵合點。最后，扯斷鋁絲尾線（若是粗鋁絲，則使用切刀切斷尾線）。通常，鋁絲形成一個鍵合點僅需10到100ms。

關鍵參數(shù)

鋁絲超聲鍵合的質量與鍵合壓力、鍵合表面溫度、超聲功率及超聲時間息息相關。這些關鍵工藝參數(shù)之間相互關聯(lián)、相互影響，呈現(xiàn)出復雜的非線性關系。

鍵合壓力主要發(fā)揮兩方面作用：一是確保引線與焊區(qū)緊密接觸，增大兩者接觸面積；二是促使引線發(fā)生塑性變形，破壞表面氧化層以暴露新鮮金屬表面，為形成可靠鍵合點創(chuàng)造條件。在超聲功率恒定的情況下，增大鍵合壓力可提升鍵合質量；但壓力過大會導致引線嚴重變形，反而降低鍵合強度。

不同的超聲功率，意味著向界面輸入能量的速率有所不同。而改變鍵合時間，本質上也是在改變輸入的能量。當施加超聲載荷時，從宏觀層面來看，會導致材料軟化以及金屬變形；從微觀層面來講，則會產(chǎn)生位錯網(wǎng)絡，這些都使得界面擴散變得更加容易?；U散的原子或原子團在材料中會產(chǎn)生固溶強化效應，進而促使鍵合強度得以生成。具體而言，在超聲功率較小的情況下，鍵合強度對鍵合時間的變化較為敏感；而當超聲功率較大時，鍵合強度對鍵合時間的敏感性則會降低。倘若鍵合參數(shù)設置不當，常常會引發(fā)諸如鋁絲鍵合焊點跟部斷裂、焊盤坑陷、起皮以及鍵合脫鍵等不良現(xiàn)象。

超聲時間指在劈刀上施加鍵合壓力與超聲功率的持續(xù)時長，用于控制超聲作用產(chǎn)生的能量。適宜的超聲時間有助于清除鋁絲表面氧化層，增強鍵合效果；時間過短會導致鍵合點狹窄或鋁絲剝離，過長則可能造成根部斷裂。

研究發(fā)現(xiàn)，鍵合強度與超聲功率的關系大致呈開口向下的拋物線：當超聲功率較小時，適當增大功率有助于提升鍵合強度，這是因為此時的功率條件利于鋁絲軟化、變形，進而形成微焊點和鍵合區(qū)；但當超聲功率超過一定閾值后，繼續(xù)增大功率反而會導致鍵合強度下降，且同一功率條件下不同樣品的鍵合強度離散度也會增加。其原因在于，過大的超聲功率會對鍵合點跟部產(chǎn)生切跟現(xiàn)象，且過量的超聲能量會破壞鍵合界面，最終造成鍵合強度降低。

鍵合順序通常為首次鍵合至芯片、二次鍵合至基板，即正向鍵合，因其不易受焊線與芯片間邊緣短路的影響。特殊情況下，為降低封裝厚度（需減小線弧高度），可采用反向鍵合。鍵合順序同樣會對封裝性能產(chǎn)生影響。

超聲鍵合界面

有研究借助透射電子顯微（TEM）技術，對超聲作用前后鋁表面位錯的生長情況展開了細致觀察。發(fā)現(xiàn)超聲作用促使鋁表面產(chǎn)生了大量的新生位錯，進而形成了位錯簇。

依據(jù)擴散理論，在較低溫度條件下，固體材料沿著位錯的擴散系數(shù)要大于沿晶格的擴散系數(shù)（即體擴散）。位錯擴散屬于短路擴散的范疇，其擴散速度遠比體擴散快得多。因此，在鋁絲超聲鍵合的過程中，短路擴散起到了主導作用。

在硅基芯片中，焊盤通常采用鋁焊盤。鋁作為一種化學性質較為活潑的金屬，一旦與空氣中的氧氣接觸，便會迅速發(fā)生氧化反應，在其表面形成一層氧化膜。最初生成的氧化膜會在一定程度上阻礙鋁的進一步氧化。倘若鋁層質地致密，當氧化膜達到一定厚度后，氧化過程就會停止。然而，過厚的Al?O?氧化膜會對金絲與鋁焊盤之間的鍵合造成嚴重阻礙，甚至導致無法實現(xiàn)鍵合。所以，在芯片的制作、切片、清洗以及運輸?shù)纫幌盗羞^程中，應盡可能減少其與空氣的接觸，尤其要避免人為因素導致的額外接觸，因為這些都可能加劇鋁焊盤表面的氧化程度。

針對鍵合界面的結合機制，眾多學者進行了大量的研究，并由此提出了多種不同的假說。但無論如何，超聲能量的運用，顯著降低了鍵合界面原子擴散的難度，使得原子擴散更易于實現(xiàn)。