集成电路封装键合劈刀应用工艺研究

引言

作为芯片封装的核心工序，引线键合的质量对器件电气性能与可靠性有直接影响，键合机实现金丝或铝丝键合的核心工具是劈刀，其几何形状、材料特性、使用工艺等因素，共同把控着键合点的形貌、强度和一致性。当前业界针对劈刀应用工艺开展的系统性研究尚显欠缺，在劈刀选型、参数优化与维护管理等方面，规范指导匮乏，造成封装良率及生产效率降低，开展对劈刀应用工艺的深度探究，规划科学合理的优化方针，对改善集成电路封装质量意义重大。

一、集成电路封装键合劈刀应用的技术特点与价值

（一）劈刀结构设计对焊接质量的影响

劈刀尖端区域的几何格局，涵盖内径、外径、倒角角度等参数，直接影响到焊球的形成以及焊点的实际形貌，适宜的内径规划可保障金丝顺利通行。恰当外径关乎焊球大小的一致性，劈刀的倒角设计极其关键，过大倒角会引起焊球增大、焊点产生扩散现象，若倒角过小，可能会造成焊接强度达不到要求，劈刀内孔的平整度也极为关键，粗糙表面会加剧金丝与劈刀间的摩擦，引起金丝损害或焊接效果差[1]。

（二）劈刀材料特性与使用寿命分析

目前较为常用的劈刀材料有氧化铝陶瓷、红宝石、钨钢等，陶瓷劈刀体现出硬度大、耐磨性优的属性，适配大批量的生产作业，红宝石劈刀表面光洁度达极高水平，拥有极小的摩擦系数，对金丝保护有积极意义。钨钢劈刀导热表现出色，适合开展高功率超声键合，不同材质的劈刀在运用时展现出不同磨损特性，陶瓷劈刀的磨损主要表现为尖端的钝化，钨钢劈刀存在内孔扩大的可能性，借助选取恰当的劈刀材料，且与特定焊接工艺的要求相契合，能有效延长劈刀的使用寿命，降低生产花销[2]。

（三）劈刀应用对封装可靠性的提升作用

品质优良的劈刀可造就形态规则、强度平稳的焊点，降低因焊接瑕疵引发的早期故障，精准控制劈刀可避开焊球过大产生的短路危险，也能杜绝因焊球过小出现的机械强度不足现象。针对高密度封装情形，劈刀的运用愈发关键，精细的劈刀设计可达成更紧凑节距的引线键合，切合先进封装规格，焊点若由优质劈刀形成，其抗热循环和机械振动能力会更好，处于严苛使用环境时表现出更强可靠性，依靠对劈刀应用工艺的优化，能有效提升封装器件的整体可靠水平[3]。

二、键合劈刀应用工艺优化策略

（一）劈刀参数选择与匹配优化

劈刀参数设计要顾及金丝直径，焊盘尺寸，键合间距等很多方面的要素，拿标准 25μm 金丝来说，它的劈刀内径被推荐在28 到 32μm 之间，外径在 60 到 90μm 左右，在高密度封装里，为了适应更小的间距，会采用更细的劈刀，劈刀和键合设备的匹配情况主要看安装角度，超声波能量传递效率这些要素，改良办法可以从这几个方面着手：创建劈刀选型数据库，用正交试验设计（DOE）来改良几何结构参数，依靠仿真技术去预估焊接性能，通过准确筛选关键变量，可以明显加大工艺容差范围，改善生产稳定性，应当制订统一的技术规范文档，而且根据产品批次特性实施差异化调整，对于PAD间距处于40 到 60μm 之间的精细键合情形，建议选取外径35到 45μm ，内径15 到 18μm 的超精密劈刀，而且把瓶颈角度限制在8 到 10^∘ 。当键合间距 <40μm 的时候，为保证键合品质，外径需 ≤30μm 的窄瓶颈劈刀，适当削减超声功率（大概 15%-20% ，并延长键合时延（ 10%-15% 。按照主流供货商的数据研究显示，当前全球领先劈刀厂家大多集聚于瑞士SPT、美国K&S和日本TOTO这些公司，SPT在陶瓷劈刀方面具有技术优势；TOTO所生产的红宝石劈刀因为其表面平整性特别好从而受到人们的关注，国内像苏州固锝和深圳瑞峰这样的公司也在努力提高自身技术水平。可优先选SPT和TOTO作为高端产品的主要供应商，并配之 1-2 家国内企业共同形成多层次的供应体系。

（二）焊接工艺参数精准控制方法

精准把控焊接工艺参数是保障键合质量的要点，重要控制参数涉及超声功率、键合压力、键合时间及温度，应根据劈刀类型、金丝直径对超声功率做优化处理，若超声功率过高，会造成焊球变形或者金丝损伤，功率过低会造成焊接强度欠缺，对于键合压力的控制，要顾及劈刀和焊盘接触状态，保障形成稳固且可靠的冶金结合，温度调控对增强键合强度、抑制金属间化合物生长意义重大。精准调节方法囊括：采用闭环控制途径实时检测和修正工艺参数；建成工艺参数跟焊接质量的关联模型；借助统计过程控制（SPC）技术把控工艺稳定性，依靠实施精准的参数统御策略，可明显提升焊接的一致性水平，抑制工艺波动对产品质量的负面效应，应当按一定周期进行工艺能力研究，审定参数控制成效并实现持续改善，实时监测焊接过程可借助先进的机器视觉系统，及时找出异常进而自动修正参数。

（三）劈刀维护与更换策略规范

使用劈刀时，会出现诸如磨损、污染、堵塞等问题，要开展周期性的检查及维护，维护策略囊括：规划劈刀的清洗周期，凭借超声波清洗去除金属残留；建立针对劈刀磨损的评估尺度，借助显微镜对劈刀尖端的形貌进行查看；记录各个劈刀的使用数量及焊接质量相关数据，搭建寿命预估的模型，更换策略要依照统计数据以及质量趋势予以落实。在劈刀性能下滑却未完全丧失效用前主动予以更换，防止突发质量事故，构建劈刀全生命周期履历追踪系统，把每个劈刀的使用历史及性能表现予以记录，为不断改进提供数据支撑，依靠标准化的维护与替换流程，能实现劈刀使用价值的最大化，实现焊接质量长期稳定的目标，须制定周全的劈刀存储管理规范细则，稳固备用劈刀质量水平。

结语

集成电路封装键合劈刀的应用工艺直接影响器件封装质量及可靠性，深入研究劈刀的结构形式、材料性能及其对焊接过程所产生的影响机理，能为工艺优化给予理论支撑，在实际应用中，必须从劈刀参数挑选、工艺参数管制、维护管理等多个方面做系统优化，创建全面的工艺规范标准体系，伴随封装技术往更高密度、更具可靠性的方向发展，劈刀应用工艺亟待不断开展创新完善工作，后续应加大新型劈刀材料研发、智能化工艺控制技术应用力度，再开展基于大数据的预测性维护策略研究，为集成电路封装技术的优化提供坚实后盾，唯有不断提升劈刀应用工艺水平，方可在渐趋白热化的市场角逐中稳固技术领先地位，推动我国集成电路产业迈向高质量发展阶段，

参考文献

[1]李彦林.集成电路封装压焊机劈刀应用工艺研究[J].机械管理开发,2023,38(11):236-237+240.

[2]邓运凯.集成电路芯片扇出型板级封装工艺翘曲及湿气渗入的可靠性研究[D].广东省:华南理工大学,2023.

[3]张华.集成电路芯片TSV三维集成关键工艺及应用基础研究--厦门大学机电工程系副教授马盛林[J].科技成果管理与研究,2023,(07):11-12.

[4]王晓芬,王晓枫.环氧模塑料在集成电路封装中的研究及应用进展[J].塑料工业,2007,35(B06):67-68+83.