集成電路焊接工藝超聲波壓焊法

60年代初，超聲波焊接技術(shù)開始應(yīng)用于集成電路的內(nèi)引線焊接。超聲波壓焊的原理是由超聲波發(fā)生器產(chǎn)生幾十千赫的超聲振蕩電能，通過磁致伸縮換能器產(chǎn)生超聲頻率的機(jī)械振動。壓焊劈刀鑲在端部的適當(dāng)位置上，劈刀必然同時產(chǎn)生一種稱為交變剪切應(yīng)力的機(jī)械振動。同時，在劈刀上端施加一定的垂直壓力，在這兩種力的共同作用下，通過時間的控制使劈刀下的鋁絲發(fā)生有規(guī)律的蠕動。鋁絲和芯片鋁焊區(qū)表面的氧化膜受到破壞，同時由于摩擦，在界面上產(chǎn)生一定的熱量使焊接處的鋁絲和芯片上的鋁焊區(qū)都產(chǎn)生一定的塑性形變，使鋁原子金屬鍵緊密接觸而形成牢固的鍵合。超聲波壓焊是用鋁絲（一般含硅1%）作引線,工作溫度又低，不但廣泛用于各種電路的內(nèi)引線焊接，而更適于對溫度要求嚴(yán)格的 MOS器件、微波器件和高頻器件的內(nèi)引線焊接。超聲壓焊法的工藝條件要求嚴(yán)格。

為得到高抗拉強(qiáng)度的焊接點須選擇最佳的焊接條件，這取決于超聲振動功率、壓力和超聲振動時間等因素,要使三者之間相互匹配，壓焊設(shè)備應(yīng)調(diào)整出最佳工作點進(jìn)行焊接。

內(nèi)引線的熱壓焊接法既不用焊劑，也無需焙化，對金屬引線（硅鋁絲或金絲）和芯片上的鋁層同時加熱加壓（溫度一般為350～400℃,壓力為8～20千克力/毫米2），就能使引線和鋁層緊密結(jié)合。熱壓焊接的原理是，鋁合金為面心立方晶格結(jié)構(gòu)，每一鋁原子或金原子和其他原子形成八個穩(wěn)定的金屬鍵，在其表面的原子有二個金屬鍵不飽和。這些原子在較高的溫度下增加活動能量，再加上一定的壓力促使金絲引線產(chǎn)生塑性形變，破壞原有的界面原子結(jié)構(gòu)。這時，金絲上的金原子與電路芯片上引出端的鋁原子緊密結(jié)合，重新排列其間的晶格形成牢固的金屬鍵。因此熱壓焊接法也就是熱壓鍵合過程。

熱壓焊接工藝按內(nèi)引線壓焊后的形狀不同分為兩種：球焊(丁頭焊)和針腳焊。兩種焊接都需要分別對焊接芯片的金屬框架、空心劈刀進(jìn)行加熱（前者溫度為 350～400℃,后者為150～250℃），并在劈刀上加適當(dāng)?shù)膲毫?。首先，將穿過空心劈刀從下方伸出的金絲段用氫氧焰或高壓切割形成圓球，此球在劈刀下被壓在芯片上的鋁焊區(qū)焊接，因為它形成釘頭一樣的焊點，故稱為丁頭焊或球焊。利用此法進(jìn)行焊接時，焊接面積較大，引線形變適度而且均勻，是較為理想的一種焊接形式。隨后將劈刀抬起，把金絲拉到另一端（即在引線框架上對應(yīng)于要相聯(lián)接的焊區(qū)），向下加壓進(jìn)行焊接，所形成的焊點稱為針腳焊。上述操作僅完成一條內(nèi)引線的焊接（圖2)。熱壓焊接法有其局限性:①焊接溫度過高，不適于對工作溫度較低的電路芯片進(jìn)行焊接；②壓力和溫度難以除去鋁絲表面和芯片上鋁焊區(qū)表面的氧化膜，此法不能用鋁絲作為引線進(jìn)行焊接。

把電路芯片上已金屬化的電路引出端或電極，與裝配芯片的金屬引線框架或外殼引出電極線一一對應(yīng)連接起來的焊接工藝。內(nèi)引線焊接工藝是在芯片焊接完成后的一道焊接工序，常用的方法有熱壓焊接法、超聲波壓焊法、熱超聲焊接法（球焊法）、平面焊接法和梁式引線焊接法等。

將分割成單個電路的芯片，裝配到金屬引線框架或管座上。芯片焊接工藝可分為兩類。①低熔點合金焊接法：采用的焊接材料有金硅合金、金錫合金、銦鉛銀合金、鉛錫銀合金等。②粘合法:用低溫銀漿、銀泥、環(huán)氧樹脂或?qū)щ娔z等以粘合方式焊接芯片。

應(yīng)用較廣、可靠性較高的是用98%的純金和 2%的硅配制成的金硅合金片（最低共熔點為 370℃）。在氮氣和氫氣保護(hù)下或在真空狀態(tài)下，金硅合金不僅能與芯片硅材料形成合金，而且也能同時與金屬引線框架上局部鍍層的金或銀形成合金，從而獲得良好的歐姆接觸和牢固的焊接效果.

集成電路塑料封裝中,也常采用低溫(200℃以下)銀漿、銀泥或?qū)щ娔z以粘合的形式進(jìn)行芯片焊接。另外，燒結(jié)時（即芯片粘完銀漿后烘焙），氣氛和溫度視所采用的銀漿種類不同而定。低溫銀漿多在空氣中燒結(jié)，溫度為150～250℃；高溫銀漿采用氮氣保護(hù)，燒結(jié)溫度為380～400℃。

此法以熱壓焊法和超聲波壓焊法為基礎(chǔ)，所用設(shè)備分別為熱壓焊機(jī)、超聲波壓焊機(jī)和球焊機(jī)。這是廣泛采用的內(nèi)引線焊接方法之一，其特點是：①工作溫度（200～250℃）低于熱壓焊法的工作溫度；②所用的壓焊劈刀不用加熱而由超聲振動產(chǎn)生熱能；③采用金絲為引線，并以球焊形式進(jìn)行焊接。三種內(nèi)引線焊接法的焊接質(zhì)量，都需要用一個精密的引線抗拉強(qiáng)度測定器（拉力計）進(jìn)行檢查和控制。

隨著集成電路芯片內(nèi)引線數(shù)量的不斷增加，這種一步一次一個焊接點的焊接技術(shù)無論在質(zhì)量上和效率上都不能滿足大規(guī)模集成電路的需要。1960年，在梁式引線和面鍵合焊接技術(shù)基礎(chǔ)上又研究成功梁式引線載帶自動焊接芯片的新工藝，使用鏤空的引線框架(稱為載帶)將所有的引線與芯片上的金屬焊點一次性同時焊接上。這種組焊方法的可靠性和效率都很高。