引线键合方法和系统与流程

本发明总体上涉及引线键合制造工艺。更具体地，本发明涉及毫米波收发组件内等超细间距工况下的引线键合。

背景技术

引线键合是微波、毫米波部组件及器件等后道工艺中的关键工序，直接影响其质量一致性和可靠性。传统的键合方法已经无法满足一些电子器件或设备对于小型化、轻量化和高集成度的设计要求。

以毫米波收发组件为例，其是相控阵雷达等设备的核心单元并且其内部需要包括集成放大器、开关器件、衰减器、移相器、限幅器、低噪声放大器、多功能芯片等高密度布局的裸芯片单元及陶瓷基片单元等。随着此类电子设备向小型化、轻量化、多功能、高可靠性等方向的迫切发展需要，当前的引线键合技术无法实现高密度布局下的超细引线键合，并且这已成为影响毫米波收发组件产品高集成度、研制质量和大批量生产能力的主要问题。特别地，毫米波收发组件体积越来越小、内部引线越来越多，导致焊盘在整个芯片中所占的面积比不断上升。因此，如何实现超细间距的引线键合是毫米波收发组件等小型化微波产品必须解决的一个关键问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题之一在于针对上述键合技术存在的无法实现高密度布局下超细间距引线键合的问题，提出新的引线键合技术。

根据本发明的一个方面，提供一种用于毫米波收发组件中的引线键合的方法，包括利用图像识别系统在键合焊盘上选择并且实时校正键合点的位置，以便选定待键合的键合点；以及在对选定的所述键合点进行引线键合过程中，利用气浮隔离装置来隔离键合机与振动源，从而实现在键合过程中对振动干扰的控制。

在一个实施例中，所述利用图像识别系统校正并且选定键合点包括：利用图像识别系统对焊盘上的预定区域进行搜索以获得实时影像信息；将所述实时影像信息与存储的参照影像信息进行比较以将具有最高相关性的位置选定为键合点；将所述选定的键合点的位置信息传送到xy工作台，以实现在键合过程中在所述键合点进行键合操作。

在一个实施例中，利用所述气浮隔离装置实现振动干扰控制包括根据检测到的振动强度对所述气浮隔离装置执行充气操作或放气操作之一来实现对振动的干扰控制。

在一个实施例中，其中还包括将下列工艺(或工况)参数中的一个、多个或全部应用于所述引线键合过程：金丝规格为25μm；将用于夹持所述键合机的夹具的温度控制在152±2℃；将键合机的劈刀压力控制在16±2gf；将超声功率控制在155±5w；以及将超声时间控制在42±3ms。

在一个实施例中，利用上述方法对毫米波收发组件内的祼芯片之间或者裸芯片与陶瓷基片之间等工况进行引线键合，以便将前述工况下规格为25μm的金丝引线的键合间距控制在40um以下。

在一个实施例中，利用上述方法对毫米波收发组件内的裸芯片之间或者裸芯片与陶瓷基片之间等工况进行引线键合，以便将前述工况下规格为25μm的金丝引线的键合间距控制在35μm～40μm之间。

在一个实施例中，利用上述方法对所述毫米波收发组件内的裸芯片之间及裸芯片与陶瓷基片之间等工况进行引线键合，以便将前述工况下规格为25μm的金丝引线的键合间距控制在29.6μm～35.1μm之间。

在一个实施例中，气浮隔离装置的固有频率可以控制在小于或等于2.5hz的范围内。

根据本发明的另一方面，提供一种引线键合系统，包括引线键合机、图像识别系统和气浮隔离装置，当所述引线键合系统操作时，执行上述的方法及其上述的一个或多个实施例。

在一个实施例中，所述气浮隔离装置包括气浮膜层，当引线键合系统配置成检测到不同的振动强度时，对所述气浮膜层执行相应的充气操作或放气操作。

利用上面描述的本发明的技术方案，可以实现毫米波收发组件产品内部的超细间距的引线键合。例如，超细间距可以达到40μm以下。通过超景深显微镜进行引线间距测定，在一个实施例中，本发明的技术方案可以将焊线(例如金丝引线)的引线键合间距控制在29.6μm～35.1μm之间。

在一些实施例中，本发明利用图像识别系统可以实现键合的准确定位，减小键合宽度的误差，实现高的定位精度。另外，在一些实施例中，通过利用气浮隔离装置可以减少键合过程中的振动影响，改善键合精度和键合宽度的误差，对压点形变进行控制，从而保证引线键合的一致性。

本发明的技术方案打破了传统的毫米波收发组件中裸芯片高密度布局、裸芯片焊盘紧凑而无法实现超细间距金丝键合，有效避免了因劈刀尖端振动及参数优化问题引起的键合质量较差等问题，保证超细间距引线键合的有效性以及键合质量的可靠性，实现机载、弹载毫米波收发组件内的关键工艺技术突破。

附图说明

图1是示出根据本发明原理的实现超细间距引线键合的系统的功能方框图；

图2是示出根据本发明的实施例的用于引线键合的方法的流程图；

图3是示出根据本发明的实施例的用于引线键合的系统的一部分的示图；

图4是示出利用根据本发明的实施例的引线键合所获得的试验图；以及

图5是示出利用根据本发明的实施例的引线键合所获得的另一试验图。

具体实施方式

下面将结合附图具体描述本发明的超细间距引线键合的实施例。需要指出的是下面的实施例仅仅是示例性地而非限制性地，并且本领域技术人员根据本发明的教导可以将一个或多个实施例进行组合或替代，以实现不同的技术效果。

图1是示出根据本发明原理的实现超细间距引线键合的系统100的功能框图。如图1中所示出的，本发明的引线键合系统100主要包括图像识别系统102、键合机104和气浮隔离装置(或称气浮隔离台)106。根据本发明的示例性实施例，图像识别系统可以用于识别待键合的焊盘(“pad”)上的特定区域，并且将该特定区域与已经存储的参考区域进行比较，并且通过该比较来调整识别区域。当识别区域与参考区域具有良好的相关性时，则可以确定最终的识别区域即是待键合的区域(即，键合点)，从而引导键合机104进行引线键合。在键合机的键合期间，可以利用气浮隔离装置来隔离外界振动对键合机的振动干扰，从而进一步提高键合精度。

在本发明的示例性实施例中，图像识别系统除其他以外主要可以包括图像传感器108、处理器110和存储器112。

图像传感器可以是根据各种类型的感光技术中的任何一种实现的一个或多个集成电路(ic)芯片。例如，图像传感器可以是电荷耦合器件(chargecoupleddevice，ccd)传感器或互补金属氧化物半导体(complementarymetaloxidesemiconductor，cmos)传感器。在工作中，图像传感器对焊盘上的特定区域进行实时图像数据的采集，例如对240x240像素的区域进行搜索，并且将所采集的图像数据实时存储在存储器112中。

存储器112可以包括usb闪存盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read－onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。该存储器可以预留有用于存储实用采集的图像数据的存储空间和用于存储参考图像的存储空间。

处理器110可以是中央处理单元(cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(dsp)、专用集成电路(asic)、现成可编程门阵列(fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。在工作中，处理器可以发送各种控制指令对图像传感器进行控制，并且执行图像传感器实时采集的图像数据和预先存储在存储器中的参照图像的比较操作，从而引导键合机在精确的键合点进行引线键合。通过本发明的技术方案，在一个实施例中可以将焊线的间距控制在35μm～40μm之间。

键合机104在操作中使用劈刀对金属引线进行引导，并且针对不同的芯片封装形式，通过在三维空间中作复杂的运动来形成需要的线弧形状，从而将芯片的输入/输出(i/o)端与对应的封装引脚或焊板(或基板)上的键合点进行互连。键合机通常包括用于移动引导金属引线的xy工作台、将金属引线引导至键合机的气动装置、用于焊接的加热或超声系统、劈刀、夹持键合机的夹具、物料夹持台、和上下料装置等。

气浮隔离装置106用于隔绝键合机与外界的摩擦振动，通过对隔离装置的充气或放气功能来保证键合机的稳定，从而实现键合过程的抗振动干扰控制技术。在一个实施例中，本发明的气浮隔离装置可以在键合机与外部的隔离面上形成具有承载能力的气浮膜层，气浮膜层将工作台固态地浮起，工作中承载能力与载荷处于自平衡状态。当包括键合机的载荷发生变动时，气浮膜层的厚度随之自动增大或减小达到实时自平衡状态。通过大量实验，申请人发现将气浮隔离装置的固有频率控制于小于或等于2.5hz范围内时，能够符合设计预期的隔振性能，有效解决对隔振要求较高的超细间距引线键合应用过程中因外界振动干扰而引起的键合失效问题。

上文结合图1对本发明的实现超细间距引线键合的系统进行了描述，下面将具体描述根据本发明的实施例的用于引线键合的方法。

图2是示出根据本发明的实施例的用于引线键合的方法200的流程图。如图所示，在步骤201中，利用图像识别系统在键合焊盘上选择并且实时校正键合点的位置，以便选定待键合的键合点。

该步骤201涉及键合工艺的控制措施中的键合点的定位精度控制。正如本领域技术人员所知，键合点的定位精度是保证键合点在规定的要求范围内，键合点完全落在焊盘上，不与相邻键合点干涉，是实现超细间距键合的制约因素。因此，可以通过减小定位误差和提高分辨率来达到超细间距的要求。

为了达到超细间距(例如40um)的引线键合，需要提高键合过程中的图像识别系统的识别精度和xy工作台的定位精度。为此。本发明的实施例旨在提高图像识别系统的识别精度，完成元件的自动校准，并且在编程中增加对操作者的支持。

具体地，本发明的图像识别系统可以在焊盘上确定一个焊点的精确位置(例如中心位置)。替代地或附加地，本发明的图像识别系统也可通过预定的引脚上的距离焊盘上表面顶端的位置来确定一个位于中间的楔入点。

在引线键合期间，当图像识别系统实际执行时，通过图像识别系统采集的实时影像信息可以以像素的形式或精度来获取，并且与预先存储的参照信息相比较。例如，图形识别系统可以在焊盘上的240x240像素的区域内进行实时影像的图像采集，并且将采集到的实时影像信息保存，以便与预先存储的参照区域或参照点进行比较。当采集到的图像信息与预先存储的图像存在关联时，例如当二者在位置或尺寸上相同时，可以认为二者匹配成功。例如，当采集的图像尺寸和存储的图像尺寸都为100x100um或者50umx50um，则可以认为来自当前图形的像素与存储的参照图像的像素实现了像素的匹配。当匹配不成功时，图像识别系统可以校正或调整识别区域来继续进行图像的采集和比较，直到完成匹配。

基于该匹配结果，本发明的图像识别系统可以将采集到的具有最高相关性的位置或位置点选择为最终的键合点。通过该识别过程，本发明的图像识别系统可以实时搜索和校正键合点的候选位置，并且将该校正后的位置(即，最终键合点的位置)的坐标数据传送到系统计算机，从而控制键合机在该选定的键合点处执行键合操作。在一个实施例中，该坐标数据可以是x-y坐标数据，并且x-y工作台基于该坐标数据对键合机的键合位置进行控制。通过这种方式，本发明可以实现键合点的定位精度控制，解决了传统的键合方法由于无法控制定位精度而导致键合点偏差的技术问题，从而可以达到键合后的超细间距的效果。

在完成键合点的选定后，方法200前进到步骤202。在该步骤处，在对选定的所述键合点进行引线键合过程中，利用气浮隔离装置来隔离键合机与振动源，从而实现在键合过程中对振动的干扰控制，进一步实现键合后的超细间距。在一个实施例中，该振动可以是来自于键合机外部的振动。在另一实施例中，该振动可以是来自于键合机操作过程中产生的各种振动。

该步骤202涉及键合工艺控制措施中的抗振动干扰控制技术。由于键合过程通常是按照引线中心进行定位，键合时的各种振动源(例如超声振动)可能导致键合点偏向中心线的某一方向，造成键合点超出焊盘，在某些情况下甚至可能形成短路。另外，在键合过程中，高速运行的xy工作台和超声系统会使其本身产生机械振动，造成劈刀尖端振动，干扰引线键合机的落点搜索，导致键合点的定位误差。虽然可以设定较高的落点位(即，劈刀尖端距离焊盘的位置)来抵消落点搜索的干扰，但高的落点位使可达到的最小冲击力增大，从而降低键合机的引线间距控制能力。

鉴于上述技术问题，本发明提出了键合过程中的振动干扰控制技术。具体地，本发明采用气浮隔离装置来隔离键合机与各种振动源(例如外界的摩擦振动)，以克服振动对键合精度的影响。通过对气浮隔离装置进行充气或放气操作，可以实现对键合机的稳定和抗振，由此减小劈刀尖端的振动，进一步提高键合精度。在一个实施例中，利用气浮隔离装置实现振动干扰控制包括根据检测到的振动强度对气浮隔离装置执行充气或放气操作，以实现对振动的干扰控制。

在另外的实施例中，本发明的技术方案除了如上考虑键合点的选定和抗干扰的措施以外，还进一步考虑了劈刀的物理属性和参数。

劈刀在超细间距引线键合中可以发挥重要作用，并且其物理属性和参数也能影响到键合的性能和指标。例如，劈刀尖端几何形状可能造成劈刀与其它键合点发生干涉，而劈刀表面提供了影响引线变形的边界条件和摩擦。鉴于此，为了实现进一步的超细间距键合，在其一个实施例中，本发明提出金丝径孔为25μm，而楔形劈刀内孔径可以设定为30.5～32.5μm，这样既可以保证金丝在劈刀穿线孔内通畅地流动，又可以有效地防止第一键合点颈部的断裂与损伤。本领域技术人员基于本申请的公开，可以理解本发明将金线径孔和劈刀头的设置纳入考虑，以进一步确保超细间距引线键合的一致性，以进一步达到超细间距的引线键合的效果，使得本发明更加广泛适用于毫米波组件。

在另外的实施例中，本发明还提出在键合过程中采用如下一个或多个工艺参数或者这些参数的一种或多种组合：将用于夹持键合机的夹具的温度控制在152±2℃；将键合机的劈刀压力控制在16±2gf，将超声功率控制在155±5w；以及将超声时间控制在42±3ms。另外，在一些实施例中，当本发明的方法应用于毫米波收发组件内的裸芯片的引线键合时，可以将裸芯片之间、或祼芯片与例如陶瓷基片之间的金丝引线间距控制在40μm或40μm以下、35μm～40μm之间或29.6μm～35.1μm之间。

以上结合图2具体描述了本发明及其一个或多个实施例的引线键合方法。本领域技术人员基于本申请的上述公开，可以理解并实现本发明的技术方案。下面将结合图3来描述本发明的引线键合系统的组成及操作。

图3是示出根据本发明的实施例的用于引线键合的系统300的示意图。应该可以理解的是图3所示的系统300可以是图1所示的系统200的一部分，并且以更为具体的实体形式示出本发明的引线键合的系统。

如图3所示，该系统300包括键合体视显微镜301，其用于在键合过程中对焊点(pad点)之间键合的操作观察，并且本发明的图像识别系统可以直接用显微镜粗略视读，也可以通过采用外接显示器的方式，以实现对焊盘上的特定区域的图像实时采集；键合产品放置平台302，其用于放置产品，即用于待键合产品(例如裸芯片或晶圆)的放置；键合功率调节装置303，其用于根据不同的键合工况，设置不同的键合功率以实现有效的键合；键合电源转换模块304，其执行交流电/直流电(ac/dc)转换，用以对键合工作台进行供电；键合机控制单元305，其用于对键合温度、键合时间、键合压力等工艺参数进行设置及控制；键合机控制单元支撑架306，其用于键合机控制单元的支撑；键合机主设备307，用于执行对引线的键合。

气浮隔离装置(也可称气浮空气阻尼支撑架)308，其包含半膜片式空气阻尼机构，可在与键合机底部固连台309之间的隔离面上形成具有承载能力的气浮膜层，气浮膜层将工作台固态浮起，工作中承载能力与载荷处于自平衡状态。当载荷变动而产生振动时，可以根据检测到的振动强度(例如，通过振动传感器，未示出)来对气浮膜层进行充气或放气，气浮膜层的厚度也随之自动地增大或减小，以达到实时的自平衡状态，从而实现对振动的干扰控制。在一个实施例，气浮隔离装置的固有频率可以控制在小于或等于2.5hz的范围内。

系统300还包括键合机底部固连台309，其用于键合机的安装和固定，与键合机形成刚性地整体；调平机构310，该调平机构上布置有手动或自动的调节装置或旋钮(未示出)，用于键合机底部固连台的水平调整。

图4和图5分别示出了利用本发明的引线键合方法和系统的最终引线间距测试结果。具体地，在某组件基板上的最小键合焊盘大小为40μm*40μm，键合焊盘间距为15μm的情况下，采用25μm金丝进行键合，在考虑键合点1倍～3倍的压点形变，逐步优化键合工艺参数，通过工艺试验验证，确保压点形变控制在金丝直径的1.2倍，从而最终引线间距可通过本发明的前述工艺参数的调整和选择而被控制为29.6μm(如图4所示)和31.0～35.1μm(如图5所示)。

本发明针对毫米波收发组件内的超细间距键合进行分析研究，并对不同键合工艺的优缺点进行分析，通过材料选型及试验参数的优化，实现了超细间距(40μm以下)的引线键合，打破了传统的由于芯片功能增强、pad变小而引起无法键合金丝，有效避免了因劈刀选型及参数优化问题引起的键合质量较差，最终保证试验结果的有效性和准确性以及金丝质量的可靠性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。