在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，引線鍵合是連接芯片與外部電路的核心工序，直接決定電子器件的可靠性與性能，而超聲鍵合作為主流的引線鍵合技術(shù)，憑借高效、低溫、可靠的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于各類芯片封裝場景。本文科準(zhǔn)測控小編就為您詳細(xì)拆解超聲鍵合步驟、優(yōu)勢，并明確推拉力測試標(biāo)準(zhǔn)，為行業(yè)從業(yè)者提供實(shí)操性參考，助力優(yōu)化超聲鍵合工藝、提升鍵合質(zhì)量管控水平。

一、什么是超聲鍵合？

在芯片內(nèi)部，連接著比頭發(fā)絲還細(xì)的金屬線——金線、銅線或鋁線。它們將芯片的微小電路與外界引腳連通，構(gòu)成電子設(shè)備運(yùn)行的生命線。超聲鍵合，就是利用超聲波能量和機(jī)械壓力的共同作用，使這些金屬引線與芯片的焊盤結(jié)合在一起。它不用熔化金屬，卻能形成牢固的原子級連接，它不產(chǎn)生大量熱量，卻能在幾毫秒內(nèi)完成鍵合。

二、超聲鍵合步驟

1. 施加超聲與壓力：鍵合工具（如劈刀）將引線壓在焊盤上，同時(shí)通入高頻超聲波（通常在20kHz到上百kHz）。
2. 金屬軟化與變形：超聲波能量使金屬內(nèi)部晶格振動(dòng)加劇，金屬表現(xiàn)出“軟化”現(xiàn)象，在壓力下發(fā)生塑性變形。
3. 去除表面障礙：變形過程中，金屬表面的脆性氧化物（如鋁表面的氧化鋁）和污染物被破碎、推掃到周邊，露出新鮮的金屬表面，讓純凈的金屬與金屬直接接觸。

4.界面結(jié)合階段：在超聲能量持續(xù)作用下，界面處金屬原子發(fā)生相互擴(kuò)散，形成金屬鍵合。對于異種金屬（如Au-Al體系），界面處還會(huì)生成金屬間化合物層。

球形超聲鍵合

三、超聲軟化機(jī)制與能量效率

Langenecker等學(xué)者系統(tǒng)研究了超聲頻率在15 kHz至1 MHz范圍內(nèi)對金屬力學(xué)行為的影響。研究表明，在20 kHz超聲輻照條件下，鋁單晶在恒定溫度下表現(xiàn)出顯著的軟化現(xiàn)象，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線與單純加熱條件下的曲線具有相似性，表明超聲能量可獨(dú)立于熱能實(shí)現(xiàn)金屬軟化。

能量效率差異： 在鋁材料中，通過超聲軟化實(shí)現(xiàn)特定形變所需的能量密度，比單純采用熱軟化所需能量密度低約1000萬倍。此差異表明超聲能量通過非熱機(jī)制直接作用于金屬微觀結(jié)構(gòu)。

形變后效應(yīng)差異： 超聲軟化過程停止后，金屬呈現(xiàn)加工硬化狀態(tài)（即聲子硬化），而等效的熱變形則導(dǎo)致金屬退火軟化。這一差異反映了兩種能量輸入方式對位錯(cuò)結(jié)構(gòu)的不同影響。

工藝溫度無關(guān)性： 實(shí)驗(yàn)證實(shí)，在77 K（-196℃）液氮環(huán)境中，Al-Al楔形超聲鍵合仍可成功進(jìn)行，進(jìn)一步證明超聲鍵合并非依賴于宏觀熱效應(yīng)。

四、應(yīng)用范圍與優(yōu)勢

超聲鍵合技術(shù)廣泛應(yīng)用于：

• 芯片封裝：連接芯片內(nèi)部電路與外部引腳；
• 功率器件：承載大電流的粗鋁線鍵合；
• 先進(jìn)封裝：如銅線鍵合、金線鍵合等。

它的優(yōu)勢也很顯著：

• 低溫：避免高溫對芯片造成熱損傷；
• 快速：毫秒級完成，適合大規(guī)模自動(dòng)化生產(chǎn)；
• 可靠：形成的金屬鍵合強(qiáng)度高、電氣性能好。

五、超聲鍵合質(zhì)量評價(jià)

超聲鍵合工藝的最終目標(biāo)是形成可靠、穩(wěn)定的金屬間連接。然而，鍵合質(zhì)量受超聲功率、鍵合壓力、時(shí)間、材料表面狀態(tài)及工具狀態(tài)等多因素耦合影響，工藝窗口較窄，僅通過工藝參數(shù)控制難以全面保證鍵合可靠性。在工程實(shí)踐中，推拉力測試是評價(jià)引線鍵合質(zhì)量最直接、最廣泛應(yīng)用的檢測手段。通過專用設(shè)備——推拉力測試機(jī)，對鍵合點(diǎn)施加剪切力或拉伸載荷，定量測定鍵合界面的機(jī)械強(qiáng)度，可系統(tǒng)優(yōu)化鍵合工藝窗口，識別界面污染物、超聲能量不足或過載、工具磨損等潛在工藝異常，從而在量產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)鍵合質(zhì)量的可控性與可追溯性。

以上就是科準(zhǔn)測控小編對超聲鍵合技術(shù)原理、工藝機(jī)制及質(zhì)量評價(jià)方法的系統(tǒng)介紹，希望對您有所幫助。如果您對超聲鍵合工藝、引線鍵合質(zhì)量檢測或推拉力測試機(jī)的選型與應(yīng)用有進(jìn)一步需求，歡迎關(guān)注科準(zhǔn)測控并聯(lián)系我們，我們的技術(shù)團(tuán)隊(duì)將為您提供專業(yè)的技術(shù)支持與測試解決方案。

審核編輯 黃宇