CN110491793B - 一种三维快速引线成弧方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种三维快速引线成弧方法，包括如下步骤：步骤S1：在第一焊盘上形成第一焊点后,劈刀固定引线的自由端,超声发声单元通过超声换能器辐射端发出超声波，在超声换能器辐射端和反射单元之间的谐振空间内形成声压节点；步骤S2：在劈刀按照计算机程序预先设计好的轨迹中，利用位于空间的超声换能器辐射端和对应的反射单元的空间微调，使谐振空间内的声压节点在一定范围内自由移动，利用声压节点处的声场辐射力弯折引线，精确控制三维引线折点产生的位置和折点处的角度；步骤S3：把所需折点弯折制造完成，劈刀按照既定轨迹下降到第二焊盘上，并将引线的自由端焊接到第二焊盘上，完成引线成弧过程。

Description

一种三维快速引线成弧方法及装置
技术领域
本发明涉及集成电路封装技术领域，特别是一种基于超声相控阵制造折点的三维快速引线成弧方法及装置。
背景技术
集成电路产业作为国民经济中具有战略性、基础性和先导性的产业，在信息技术领域的核心地位显著。热超声引线键合是指借助于超声能量、压力能量以及热能量的相互作用，用金属细丝将半导体芯片焊区与微电子封装的输入输出引线或基板上的金属布线焊区连接起来的工艺，该工艺是IC制造产业中关键且耗时的环节。
引线键合因其适应性强等优点，有望在3D叠层封装中发挥重要作用。在3D叠层封装中，要求能实现同一芯片内电信号点之间的互连以外，还要实现不同的芯片之间的互连，直接导致的结果除了电信号点之间的距离大幅增加以外，在某些场合下甚至要求能够实现三维的引线键合，以避免其他芯片对引线的干涉，这就要求在引线成弧过程中能实现超大跨度、三维形状的引线。
为了解决芯片封装中的低弧大跨度问题，美国专利US7262124、US20050072833和US7464854提出，在形成第一焊点后，劈刀朝远离第二焊点的方向反向运动或者做复杂轨迹运动，从而利用引线拉力对引线进行折弯形成多个折点，达到降低弧高的目的。美国专利US5989995提出了一种通过复杂劈刀轨迹在引线上形成多个不同位置的折点从而构成M线型，并提高了引线的强度，增强封装的可靠性。美国专利US6222274在此基础上提出一种具有更大跨度的M引线成形方法。美国专利US7547626、US6222274和US7851347则提出了通过劈刀复杂轨迹形成多个折点从而降低弧高的成形方法。美国专利US20090081829提出在引线成弧结束后通过其他工具接触式地压低引线，从而形成新的折点并且降低弧高。
综上所述，现有技术在解决低弧大跨度问题上的思路大部分都是通过劈刀的复杂轨迹来形成一个或多个特定的折点，从而形成满足特定形状要求的引线。这种思路的缺点是劈刀因为复杂的劈刀轨迹而消耗了生产中的大量时间成本，劈刀移动占用引线时间的90％以上的时间，导致生产效率不高；并且因为形状参数多而引起劈刀的控制难度增大，在不同的应用场合下，针对不同劈刀轨迹的调试过程也浪费了大量时间；另外，通过其他接触性的工具的强行压制来制造引线折点，极易引起引线不必要的损伤和断裂，导致芯片的良率大幅下降。
因此，亟需提出一种新方法，在引线成形过程中能够无接触地制造折点，实现高强度的三维超低超大跨度的引线形状，且能大大简化劈刀的运动轨迹，提高引线成弧速度。
发明内容
针对上述缺陷，本发明的目的在于提出一种基于超声相控阵制造折点的三维快速引线成弧方法及装置，该方法可实现在引线成形过程中通过超声相控阵操控在特定位置形成折点，从而无接触地制造折点并构型引线形状，实现任意形状的三维超低超大跨度的引线互连，且能大大简化劈刀的运动轨迹，提高引线成弧速度。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种三维快速引线成弧方法，包括如下步骤：
步骤S1：在第一焊盘上形成第一焊点后,劈刀固定引线的自由端,超声发声单元通过超声换能器辐射端发出超声波，在超声换能器辐射端和反射单元之间的谐振空间内形成声压节点；
步骤S2：在劈刀按照计算机程序预先设计好的三维轨迹运动过程中，利用位于空间的超声换能器辐射端和对应的反射单元的空间微调，使谐振空间内的声压节点在一定范围内自由移动，利用声压节点处的声场辐射力弯折引线，从而精确控制三维引线折点产生的位置和折点处的角度；
步骤S3：把所需折点弯折制造完成，劈刀按照既定轨迹下降到第二焊盘上，并将引线的自由端焊接到第二焊盘上，完成引线成弧过程。
一种三维快速引线成弧的装置，包括控制器、超声操控系统、劈刀、框架、基板、芯片、第一焊盘、第二焊盘和垫板；
两块所述垫板分开铺设于所述基板的上表面，所述框架安装于所述垫板的上表面均安装有框架，两个所述框架分别安装有芯片，所述芯片上表面均设有焊盘；
两块所述垫板位于超声操控系统的中心，所述超声操控系统对引线进行弯折。
较佳地，所述超声操控系统包括导轨、X轴超声发生单元、X轴反射单元、Y轴超声发生单元、Y轴反射单元、Z轴超声发生单元和Z轴反射单元；
导轨以两块垫板为中心设置在外侧，所述劈刀位于垫板的一侧，所述导轨包括结构相同的第一导轨组件和第二导轨组件，所述第一导轨组件由两组竖向导轨和两组横向导轨构成站立的方框状结构；第一导轨组件和第二导轨组件呈对称设置；
X轴超声发生单元呈水平状设置于所述第一导轨组件的两个竖向导轨之间，X轴反射单元呈水平状设置于所述第二导轨组件的两个竖向导轨之间，所述X轴超声发生单元和X轴反射单元同步升降；
Y轴超声发生单元呈水平状设置于第一导轨组件和第二导轨组件相对一端的竖向导轨之间，Y轴反射单元呈水平状设置于第一导轨组件和第二导轨组件相对的另外一端的竖向导轨之间，所述Y轴超声发生单元和Y轴反射单元同步升降；
Z轴超声发生单元呈水平状设置于第一导轨组件和第二导轨组件的上横向导轨之间，Z轴反射单元呈水平状设置于第一导轨组件和第二导轨组件的下横向导轨之间，所述Z轴超声发生单元和Z轴反射单元同步平移；
所述X轴超声发声单元、X轴反射单元、Y轴超声发声单元、Y轴反射单元、Z轴超声发声单元和Z轴反射单元由控制器以数控技术控制，所述劈刀由控制器控制。
较佳地，所述X轴超声发生单元、Y轴超声发生单元和Z轴超声发生单元三者具有相同的结构，包括超声发生单元，所述超声发生单元安装有多个超声换能器辐射端；
X轴反射单元、Y轴反射单元和Z轴反射单元三者具有相同的结构，包括固定座，固定座安装有多个反射单元。
进一步地，所述基板为磁性材质，所述基板用于吸附固定框架和芯片。
本发明的有益效果：1.基于超声相控阵操控特定的折点的形成，大大简化了劈刀的复杂运动，有效提高引线成弧的效率。2.基于超声相控阵操控特定的折点的形成，从而有效避免不必要的引线损伤和断裂。3.超声操控操作系统能够保证在三维空间内的任意位置处产生超声驻波并且波束的方向是任意的，并且声压节点能跟随驻波节点移动，从而保证了节点处声压的稳定，可以实现高强度的三维超低超大跨度的引线形状，甚至对于某些较简单的三维引线形状，劈刀仅进行二维运动的情况下，同样可在超声驻波场中声压节点处的声场辐射力的非接触作用下形成三维引线。
附图说明
图1是本发明的一个实施例的三维引线成弧的轴侧示意图；
图2是本发明的一个实施例的三维引线成弧的俯视图；
图3是本发明的一个实施例的三维引线成弧过程示意图；
图4是本发明的一个实施例的二维引线成弧的俯视图
图5是本发明的一个实施例的引线成弧方法的STD线型的过程示意图
图6是本发明的一个实施例的引线成弧方法的M线型的过程示意图。
其中：101-控制器、103-超声发生单元、104-超声换能器辐射端、105-反射单元、106-劈刀、107-引线、108-框架、109-基板、110-芯片、111-第一焊盘、112-第二焊盘、113-折点、114-固定座、214-垫板、D1-第一导轨组件、D2-第二导轨组件、X1-X轴超声发生单元、X2-X轴反射单元、Y1-Y轴超声发生单元、Y2-Y轴反射单元、Z1-Z轴超声发生单元、Z2-Z轴反射单元。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例1：
一种三维快速引线成弧方法，如图1-3所示，包括如下步骤：
步骤S1：在第一焊盘111上形成第一焊点后,劈刀106固定引线107的自由端,超声发声单元103通过超声换能器辐射端104发出超声波，在超声换能器辐射端104和反射单元105之间的谐振空间内形成声压节点；
步骤S2：在劈刀106按照计算机程序预先设计好的三维轨迹运动过程中，利用位于空间的超声换能器辐射端104和对应的反射单元105的空间微调，使谐振空间内的声压节点在一定范围内自由移动，利用声压节点处的声场辐射力弯折引线107，从而精确控制三维引线折点113产生的位置和折点处的角度；
步骤S3：把所需折点113弯折制造完成，劈刀106按照既定轨迹下降到第二焊盘112上，并将引线107的自由端焊接到第二焊盘112上，完成引线成弧过程。
具体地，制造折点113的超声动作过程为：劈刀106上升到某一高度并暂停，同时超声发生单元103、超声换能器辐射端104和对应的反射单元105根据控制器101发出的指令，沿着导轨运动到指定位置，在空间中形成超声驻波场和在引线107上形成一个声压节点，利用声场辐射力制造出一个折点113；之后停止发出超声，超声驻波场随之消失，超声发生单元103、超声换能器辐射端104和对应的反射单元105根据控制器发出的指令，沿着导轨运动到下一指定位置，为制造下一个折点113做好准备。
具体地，本实施例中，在图3正视图中，以第一焊点为坐标原点，水平向右方向为x轴正向，竖直向上为y轴正向建立坐标系，A点坐标为(0,130)，B点坐标为(100,200)，C点坐标为(400,400)，D点坐标为(600,350)(单位：微米)；具体应用场合可以由实验进行修正。在本实施例中，劈刀106进行二维轨迹的运动，同样可在超声驻波场中声压节点处的声场辐射力的非接触作用下形成三维引线。
其中，包括控制器101、超声操控系统、劈刀106、框架108、基板109、芯片110、第一焊盘111、第二焊盘112和垫板214；
两块所述垫板214分开铺设于所述基板109的上表面，所述框架108安装于所述垫板214的上表面均安装有框架108，两个所述框架108分别安装有芯片110，所述芯片110上表面均设有焊盘；
两块所述垫板214位于超声操控系统的中心，所述超声操控系统对引线进行弯折。
其中，所述超声操控系统包括导轨、X轴超声发生单元、X轴反射单元、Y轴超声发生单元、Y轴反射单元、Z轴超声发生单元和Z轴反射单元；
导轨以两块垫板214为中心设置在外侧，所述劈刀106位于垫板214的一侧，所述导轨包括结构相同的第一导轨组件D1和第二导轨组件D2，所述第一导轨组件D1由两组竖向导轨和两组横向导轨构成站立的方框状结构；第一导轨组件D1和第二导轨组件D2呈对称设置；
X轴超声发生单元呈水平状设置于所述第一导轨组件D1的两个竖向导轨之间，X轴反射单元呈水平状设置于所述第二导轨组件D2的两个竖向导轨之间，所述X轴超声发生单元和X轴反射单元同步升降；
Y轴超声发生单元呈水平状设置于第一导轨组件D1和第二导轨组件D2相对一端的竖向导轨之间，Y轴反射单元呈水平状设置于第一导轨组件D1和第二导轨组件D2相对的另外一端的竖向导轨之间，所述Y轴超声发生单元和Y轴反射单元同步升降；
Z轴超声发生单元呈水平状设置于第一导轨组件D1和第二导轨组件D2的上横向导轨之间，Z轴反射单元呈水平状设置于第一导轨组件D1和第二导轨组件D2的下横向导轨之间，所述Z轴超声发生单元和Z轴反射单元同步平移；
所述X轴超声发声单元、X轴反射单元、Y轴超声发声单元、Y轴反射单元、Z轴超声发声单元和Z轴反射单元由控制器101以数控技术控制，所述劈刀106由控制器101控制。
此外，所述X轴超声发生单元、Y轴超声发生单元和Z轴超声发生单元三者具有相同的结构，包括超声发生单元，所述超声发生单元安装有多个超声换能器辐射端；
X轴反射单元、Y轴反射单元和Z轴反射单元三者具有相同的结构，包括固定座，固定座安装有多个反射单元。
此外，所述基板109为磁性材质，所述基板用于吸附固定框架和芯片。
实施例2
如图4-6所示，设备还能实现二维引线成弧，其步骤为：
步骤S21：在第一焊盘111上形成第一焊点后,超声发声单元103通过超声换能器辐射端104发出超声波，在超声换能器辐射端104和反射单元105之间的谐振空间内形成声压节点。
步骤S22：在劈刀106上升过程中，利用位于空间的超声换能器辐射端104和对应的反射单元105的空间微调，使谐振空间内的声压节点在一定范围内自由移动，利用声压节点处的声场辐射力弯折引线107，从而精确控制引线107上的折点113产生的位置和折点处的角度。
步骤S23：在劈刀106上升到最高点处之前，把所需折点113弯折制造完成，劈刀106继续上升到最高位置，停止供线，劈刀106按照椭圆轨迹下降到第二焊盘112上，并将引线107的自由端焊接到第二焊盘112上，完成二维引线成弧过程。
具体地，在劈刀106上升过程中，超声操控制造折点113的个数为1个(STD线型或其他)或多个(M线型或其他)。
具体地，在劈刀106上升过程中，利用超声操控依次制造一系列左凹折点和右凹折点，通过左凹折点和右凹折点的不同排列组合，形成不同形状的二维弧线。
具体地，所述步骤中的超声换能器的功率为200～400W，频率小于0.25×超声波在所处气体环境中的传播速度÷引线横截面尺寸。
具体地，制造折点113的超声动作过程为：劈刀106上升到某一高度并暂停，同时超声发生单元103、超声换能器辐射端104和对应的反射单元105根据控制器101发出的指令，沿着导轨运动到指定位置，在空间中形成超声驻波场和在引线107上形成一个声压节点，利用声场辐射力制造出一个折点113；之后停止发出超声，超声驻波场随之消失，超声发生单元103、超声换能器辐射端104和对应的反射单元105根据控制器101发出的指令，沿着导轨运动到下一指定位置，为制造下一个折点113做好准备。
具体地，二维弧线可以包括常规的M线型和STD线型和其他二维线型。
具体地，对于M线型：先将引线焊在第一焊盘111上，之后随着劈刀106上升过程中，利用超声操控依次制造左凹折点(A)、右凹折点(B)、左凹折点(C)、右凹折点(D)，每个折点113制造完成后即停止发出超声。劈刀106继续上升到最高位置后即刻停止引线107输出，劈刀106按照既定的椭圆轨迹下降到第二焊盘112并将引线107稳固焊在第二焊盘112上，完成M线型的引线成弧过程。
可选地，M线型的左凹折点(A)、右凹折点(B)、左凹折点(C)、右凹折点(D)相对于第一焊盘111的垂直高度逐渐递增，具体应用场合可以由实验进行修正。以M弧线为例，4个折点高度分别为150±50微米、650±100微米、1300±100微米和2000±100微米。
可选地，每个折点113的超声操控时间持续10毫秒。
具体地，对于STD线型：先将引线107焊在第一焊盘111上，之后劈刀106上升一段距离，暂停劈刀106运动，利用超声操控制造左凹折点(A)，后停止发出超声，劈刀106上升到最高位置后，停止引线107输出，劈刀106按照椭圆轨迹下降到第二焊盘112并将引线107稳固焊在第二焊盘112上，完成STD线型的引线成弧过程。
具体地，STD弧线中，A折点距离第一焊盘111的高度为140微米，劈刀106的最高位置距离第一焊盘111的高度为1500微米，具体应用场合可以由实验进行修正。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种三维快速引线成弧方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：在第一焊盘上形成第一焊点后,劈刀固定引线的自由端,超声发声单元通过超声换能器辐射端发出超声波，在超声换能器辐射端和反射单元之间的谐振空间内形成声压节点；
步骤S2：在劈刀按照计算机程序预先设计好的三维轨迹运动过程中，利用位于空间的超声换能器辐射端和对应的反射单元的空间微调，使谐振空间内的声压节点在一定范围内自由移动，利用声压节点处的声场辐射力弯折引线，从而精确控制三维引线折点产生的位置和折点处的角度；
步骤S3：在劈刀上升到最高点处之前，把所需折点弯折制造完成，劈刀继续上升到最高位置，停止供线，劈刀按照椭圆轨迹下降到第二焊盘上，并将引线的自由端焊接到第二焊盘上，完成引线成弧过程。
2.一种三维快速引线成弧的装置，其特征在于，包括控制器、超声操控系统、劈刀、框架、基板、芯片、第一焊盘、第二焊盘和垫板；
两块所述垫板分开铺设于所述基板的上表面，所述框架安装于所述垫板的上表面均安装有框架，两个所述框架分别安装有芯片，所述芯片上表面均设有焊盘；
两块所述垫板位于超声操控系统的中心，所述超声操控系统对引线进行弯折。
3.根据权利要求2所述的三维快速引线成弧的装置，其特征在于，所述超声操控系统包括导轨、X轴超声发生单元、X轴反射单元、Y轴超声发生单元、Y轴反射单元、Z轴超声发生单元和Z轴反射单元；
导轨以两块垫板为中心设置在外侧，所述劈刀位于垫板的一侧，所述导轨包括结构相同的第一导轨组件和第二导轨组件，所述第一导轨组件由两组竖向导轨和两组横向导轨构成站立的方框状结构；第一导轨组件和第二导轨组件呈对称设置；
X轴超声发生单元呈水平状设置于所述第一导轨组件的两个竖向导轨之间，X轴反射单元呈水平状设置于所述第二导轨组件的两个竖向导轨之间，所述X轴超声发生单元和X轴反射单元同步升降；
Y轴超声发生单元呈水平状设置于第一导轨组件和第二导轨组件相对一端的竖向导轨之间，Y轴反射单元呈水平状设置于第一导轨组件和第二导轨组件相对的另外一端的竖向导轨之间，所述Y轴超声发生单元和Y轴反射单元同步升降；
Z轴超声发生单元呈水平状设置于第一导轨组件和第二导轨组件的上横向导轨之间，Z轴反射单元呈水平状设置于第一导轨组件和第二导轨组件的下横向导轨之间，所述Z轴超声发生单元和Z轴反射单元同步平移；
所述X轴超声发声单元、X轴反射单元、Y轴超声发声单元、Y轴反射单元、Z轴超声发声单元和Z轴反射单元由控制器以数控技术控制，所述劈刀由控制器控制。
4.根据权利要求3所述的三维快速引线成弧的装置，其特征在于，所述X轴超声发生单元、Y轴超声发生单元和Z轴超声发生单元三者具有相同的结构，包括超声发生单元，所述超声发生单元安装有多个超声换能器辐射端；
X轴反射单元、Y轴反射单元和Z轴反射单元三者具有相同的结构，包括固定座，固定座安装有多个反射单元。
5.根据权利要求2所述的三维快速引线成弧的装置，其特征在于，所述基板为磁性材质，所述基板用于吸附固定框架和芯片。
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