所谓超声波焊接就是利用超声频率的振动能量把同种和异种材料进行焊接的方法，随着技术的不断发展，超声波焊接广泛地应用在集成电路、微电机、电子元器件等封装中。超声波焊接具有高效、高速、自动的优点，相比传统焊接工艺已经成为半导体封装中的基本焊接工艺。

一、超声波焊接基本原理

超声波能本质是一种机械振动能，工作频率在40kHz至120kHz。其工作原理是在金属材料的摩擦力作用下金属材料发生塑性流动，随着接头区域的温升和高频振动，金属晶格内的原子转入激活状态，有共价键性质的金属原子会在纳米计量单位的距离内形成具有公共电子的原子间电子桥，最终形成了金属的键合。

在超声波焊接过程中，摩擦、温度、塑形流动是三个主要影响因素。

摩擦是主要热源，并为金属接触面去除氧化膜创造了良好的条件。超声波摩擦所需能量为，为摩擦系数、为压力、为振速。

在实际的焊接过程中由于摩擦系数是有焊接材料、焊头材质、夹持方式有关。

压力为被焊接材料的可流动性极限、焊接材料硬度、厚度等因素相关。因此有3个基本过程变量：振幅(能量)、压力(力)和时间。因为整个过程所要达到的最终目标是通过供给足够的能量去分裂和分散氧化物，所以这些变量都是与能量紧密相关。此外，在实际的半导体封装制造过程中，往往采用辅助加热的方法来促进塑性变形，而控制温度的方法是比较简单的，一般选择将产品放置在加热夹持台上。

二、超声波焊接分类

在半导体封装领域内的超声波压焊工艺，往往分为热超声和冷超声焊两大类

所谓热超声焊，往往是需要采用加热的方式，通过加热块对工件进行加热，所以焊接温度往往成为需要控制的工艺参数。此外，该工艺需要对焊接金属丝(主要是金线)末端通过火花放电和表面张力作用预先烧制成球，故又成为金丝球压焊，所以对放电电流、时间和距离的控制也是要求比较高的。该工艺往往大量运用于大规模、超大规模集成电路的内互联，是一种比较成熟的工艺。

还有一种冷超声焊工艺无须加热方式，焊接工具直接作用于芯片表面，因此所需摩擦能量比较大，所焊金属丝也比较粗。此外，该工艺和金丝球压焊工艺的主要区别除了温度以外，还体现在焊接工具上，一般而言，金丝球压焊的焊接工具是主要以陶瓷为基材的劈刀，而冷超声焊通常是焊接铝丝，所以其焊接工具是由钨钢制成。

各个角度的楔焊劈刀刀头示意图

三、超声波焊接工艺的质量要求

判断一个焊点是否满足焊接质量要求的标准往往是通过破坏性实验来获得焊点的强度，通常的拉力测试方法我们称为BFrr(Bond Pull Test)

有时也参考推力试验，称为BST(Bond Share Test)。

通常来说要求焊接强度越大越好，但也受材料的强度极限限制。

此外，对于直接作用在芯片表面的焊点来说，除了考虑焊接强度外，还要检查芯片的内部结构是否受损。一般来说，考证焊接强度的质量指标是焊线拉断力的大小，检查芯片内部结构状况的方法使用饱和的强碱溶液来腐蚀掉焊点及芯片表面的铝层，在足够倍率的显微镜下观察内部结构是否受损(cratering)，这种测试方法称为Etching。

四、超声波压焊的工艺优化

超声波压焊工艺的优化是在焊接设备和焊接材料稳定的前提下进行的，如果设备和焊接材料不稳定优化参数是没有任何意义的，所得出的结果都是没有任何价值的。通常我们在各项条件都比较稳定的前提下对实验设计的方式对工艺进行优化。例如在在MOSFET上打50.8um铝线的工艺，这一工艺的难点是栅极的焊接区是有限的，用冷超声的方式非常容易出现焊接脱落的现象，为了防止脱落增加稳定性需要增加焊接参数，但是焊接参数的增加会增加能量，又会加大根裂现象出现的概率。这个解决这一问题上，我们首先确定大体参数范围，这一范围必须保证焊接质量，不能有根裂的现象，然后在这一范围尽可能地提高焊接强度。针对根裂问题，可提出理想焊点形状要求，一般来说若焊点的厚度在25.4um以上，就可保证有效防止根裂产生，理论上可通过有限元法来计算证明。

寻找参数范围的一般做法是，根据经验，先选择几个比较敏感的参量，做若干组相应的实验以得到相应的响应做拟合分析。需要指出的是所谓根据经验是建立在前人试验和探索的结果基础上，对于一些新产品，新工艺如果没有经验可借鉴，往往要做的是采用筛选试验(screen design)的方法来筛选主要因素和贡献率较大的因素。通过力学分析和有限元计算得出减少应力集中的关键是需要控制焊点的厚度和焊线的角度，并通过研究及设备的运动过程和参数控制效果来得出优化结果。实际上针对半导体封装的其他工艺的优化大多是类似的，采用优化办法来稳定工艺，可提高质量和制造水平。

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