本期分享路陈绪波，易双秦老师关于引线键合过程中超声能量释放形式对焊线质量的影响相关工艺研究，旨在为该领域从业者提供工艺理论分析指导。
摘 要
引线键合是微电子封装领域中的关键工序，用于实现芯片与外部电路之间的电气连接和信号传输。在键合过程中，通过热、压力和超声能量的共同作用将金属引线与基板焊盘紧密结合。超声能量在引线键合工艺中起着重要的作用，但对于超声能量释放形式对焊线质量的影响目前尚未有详细的研究。以楔焊为例，设计不同的超声功率参数，通过焊点形状和键合强度的结果，研究不同的超声能量释放形式对焊线质量的影响。结果表明：超声能量的最佳释放形式是平缓释放；超声爬升较大或电压较小时，超声能量平缓释放，能有效地作用于焊点，保证焊线质量；无超声爬升或电压较大时，会使超声能量释放过于迅速，导致焊点过焊，严重影响焊线质量；对于不同电压，超声爬升推荐设置≥40ms，可以保证超声能量释放平缓，避免焊线质量潜在的大幅下降风险。
1 引线键合工艺原理与质量检测方法
楔焊的具体过程如图1所示，整个键合周期包括以下过程。
a）首先，劈刀移动到焊点预设位置，并下移使焊线接触焊盘表面，同时施加超声和压力，焊线和焊盘金属产生塑性形变并在原子量级发生相互扩散，从而实现第一焊点的焊接。
b）其次，劈刀移动成弧。
c）然后，劈刀移动到第二焊点预设位置后，按照与第一焊点相同的过程焊接第二焊点。
d）最后，线夹关闭，劈刀向上移动，焊线断丝，形成第二焊点。
如图2所示，金丝在加热、加压和超声作用下发生形状变化，金丝的截面由圆形形变为近似矩形。其中主要的形状尺寸是焊点线宽和焊点高度，线宽和高度能在一定程度上判定焊点的质量。除此之外还可以通过焊线的拉力测试判断焊线的质量。
焊线的拉力测试如图3所示，通过勾针拉断焊线得到的焊线能承受的最大拉力可以衡量焊线质量。本文主要针对25μm金丝楔焊开展，工业上检测人员可通过观察焊点的线宽初步判断焊点的质量，对于25μm楔焊的焊点线宽一般在1.2~2.5倍线宽。焊线的拉力根据GJB548C-2021《微电子器件试验方法和程序》的要求，25μm金丝的破坏拉力大于60mN时为合格。
2 试验设计
影响楔焊质量的因素众多，为了解引线键合过程中超声能量释放形式对焊线质量的影响，采用控制变量法进行试验。针对BJ855自动键合机对金丝楔焊的焊接过程进行分析。首先，劈刀将金丝接触到预热到指定温度的焊盘表面；接着，施加设定的压力和超声，此时金丝慢慢压扁逐渐形成焊点；最后，当传感器检测到金丝的变形量达到设定的变形量限制后，完成焊接过程。
试验将温度、压力和变形量限制设定为常用数值，使用不同超声功率参数（超声电压、爬升时间）开展试验。其中，设备使用电压模式，在该模式下最大设定超声电压为8V，设备实际操作的超声电压以最大设定超声电压的百分比形式设置，文中试验数据所述超声电压也以百分比形式描述。以超声电压代表超声功率的大小，爬升时间表明达到超声电压所需的时间，总共设计了3组试验：无爬升组（超声电压逐渐增加、爬升时间都为0）、低电压组（选择低电压12%、爬升时间逐渐增加）、高电压组（选择高电压28%、爬升时间逐渐增加）。所有试验组的前端都有一段预设电压曲线，均为超声电压10%，爬升时间为10ms。无爬升组的设置是为了测试能量直接释放时对焊点强度的影响，低电压组和高电压组是为了测试在较低或较高电压下能量的不同释放形式对焊点强度的影响。通过控制变量的方法可以全面地了解超声功率参数对焊线质量的影响。
试验设计参数如表1所示。下文中将电压参数进行简写，如超声电压12%、爬升时间20ms简写为12%@20。使用BJ855设备在薄膜基板上焊10根焊线，然后使用高倍显微镜测量焊点的宽度和高度，接着采用推拉力测试仪Dage4000测试焊线拉力。
在焊点焊接过程中超声能量起到重要作用，超声能量的计算方法为：
式（1）中：Q——超声能量，单位为J；
U——超声电压，单位为V；
R——阻抗，单位为Ω；
t——超声时间，单位为s。
统计超声过程中的超声功率（电压参数）、键合结束时间和阻抗等参数，按照式（1）计算不同电压参数下设备所释放的超声能量。最后综合试验结果分析超声能量释放形式对焊线质量的影响。
3 超声能量释放形式对焊线质量的影响分析
3.1 不同超声功率参数下焊点的形状
在工业生产过程中楔焊结束后通常会对焊点的形状进行检验，一般焊点宽度需要在1.2~1.5倍线径范围内为合格。而焊点高度一般没有严格要求，但正常的焊点高度需要在设定的变形量附近，如本试验设置的变形量为36%，则焊点高度最好在64%附近。不同超声功率参数下焊点的高度和宽度如图4所示。
对试验结果进行分析，得到了以下几点结论。
a）无爬升组：随着超声电压的增加，焊点高度逐渐降低，焊点宽度逐渐增加；在电压较低（10%~12%）时焊点形状满足检验要求，而当电压继续增加时，焊点高度和宽度逐渐偏离要求。
b）低电压组：在不同爬升时间下，焊点的高度和宽度都满足检验要求；随着爬升时间的增加，焊点高度逐渐趋近设定值的64%。
c）高电压组：随着爬升时间的增加，焊点高度逐渐增加，焊点宽度逐渐降低。在爬升时间较大（40~80ms）时焊点形状满足检验要求，当爬升时间逐渐减小时，焊点高度和宽度逐渐偏离要求。
3.2 不同超声功率参数下焊线的强度
引线键合形成的焊线需要在使用过程中保持牢固、不脱落，因此使用拉力测试仪对焊线进行拉力测试以表征焊线的质量。在前期的试验和应用中，在薄膜基板上楔焊的25μm焊线的拉力一般能达到100~120mN左右。图5为不同超声功率参数下焊线的拉力，对试验结果进行分析，可以得到以下几点结论。
a）无爬升组：随着超声电压的增加，焊线拉力逐渐降低，电压较高（20%~28%）时拉力会降低到70~80mN左右。
b）低电压组：在不同爬升时间下，焊线拉力都在100mN左右；随着爬升时间的增加，焊线拉力逐渐增加，最高能达到124.8mN。
c）高电压组：在爬升时间较小（0~10ms）时，焊线拉力在70mN左右；随着爬升时间的增加，焊线拉力逐渐增加，最高达到121.4mN。
3.3 不同超声功率参数下超声能量实际释放形式及其对焊线质量的影响
统计不同超声功率参数下键合结束的时间，并结合设定的电压曲线（第一段电压曲线均为10%@10），得到如图6所示的不同超声功率参数下超声能量实际释放的示意图。从图6可以看出，随着超声电压的增加，键合结束的时间逐渐减小；随着爬升时间的减小（电压曲线斜率增加），键合结束的时间逐渐减小；试验中键合结束时间的极差小于5ms。从超声能量的角度进行分析，当电压较大时，超声能量释放得越迅速，键合结束的时间就越短，当电压曲线斜率越小时（爬升时间越大），超声能量释放越缓慢，就需要越长时间完成键合。
按照式（1）对图6中各组电压曲线进行积分计算得到相应的超声能量，与焊线拉力进行对比得到图7。
结合前文中的焊点形状和焊线拉力进行分析，得到以下几点结论。
a）无爬升组：随着超声电压的增加，超声能量逐渐增加，焊点高度逐渐降低，焊点宽度逐渐增加，焊线拉力逐渐降低。
b）低电压组：在不同爬升时间下，超声能量变化不大，焊点的高度和宽度都满足检验要求，焊线拉都在100mN左右；随着爬升时间的增加，超声能量逐渐趋近0.89mJ，焊点高度逐渐趋近设定值的64%。
c）高电压组：随着爬升时间的增加，超声能量逐渐降低，焊点高度逐渐增加，逐渐接近设定值的64%，焊点宽度逐渐降低，焊线拉力逐渐增加。
d）对超声能量大小进行分析，超声能量释放越迅速，键合实际的超声能量就越大，焊线拉力越低。超声能量释放越平缓，键合实际的超声能量越接近于0.89mJ，焊线拉力越高。因此对于该试验中的焊点正常键合所需的超声能量为0.89mJ左右，若超声能量释放迅速，实际的键合能量容易超过实际所需能量，造成焊点过焊，影响焊线质量。
因此，对于不同能量释放形式可以得出以下结论。当无超声爬升或电压较大时，超声能量释放过于迅速，造成焊点过焊，焊线拉力低，严重影响焊线质量。当超声爬升较大或电压较小时，相当于对超声能量释放做了限制，超声能量的释放较为平缓，超声能量能有效作用于焊点，保证得到指定形状的焊点，同时延长键合时间，促进键合界面处原子的相互扩散和冶金结合，形成更加牢固的键合点。超声爬升的设置有利于超声能量更加平缓地作用于焊点，避免焊点变形过大，同时延长键合时间并提高键合强度，形成更加牢固的键合点，提高焊线质量。并且超声功率越大，超声爬升的设置值也应增加，由于高超声爬升同样适用于低超声功率，因此根据试验结果，超声爬升推荐设置≥40ms。当将超声爬升设置到40ms以上后，在新产品工艺参数调整中可以避免电压过大或过小对焊线质量造成明显下降的风险。
4 结束语
本文对引线键合过程中超声能量释放形式对焊线质量的影响进行了研究，得到了以下几点结论。
a）当超声能量释放平缓（超声功率参数的超声爬升较大或电压较小）时，超声能量能有效作用于焊点，保证得到正常形状的焊点。同时延长键合时间，促进键合界面原子相互扩散，提升键合质量。
b）当超声能量释放过于迅速（超声功率参数无超声爬升或电压较大）时，过量的超声能量作用于焊点，导致焊点形状变形过大，焊点过焊，严重影响焊线质量。
c）超声能量的最佳释放形式是平缓释放。超声功率参数中超声爬升的设置有利于超声能量更加平缓地作用于焊点，保证焊线质量。根据试验结果，对于不同电压，超声爬升推荐设置≥40ms，可以保证超声能量释放平缓，避免参数调节时造成对焊线质量明显下降的风险。
原文参考：陈绪波,易双秦,张香朋,等.引线键合过程中超声能量释放形式对焊线质量的影响研究[J].电子质量,2025,(03):78-84.
