拉丝模具缺陷对键合丝材表面质量有什么影响

　　键合丝是在半导体器件和集成电路组装时，为使芯片内电路的输入/输出键合点与引线框架的内接触点之间实现电气连接的微细金属丝内引线。因电导率高、化学性能稳定、焊接性良好和塑性优良等特点被作为键合内引线，通常有金丝、金合金丝，铜丝、镀钯铜丝，银丝以及银合金丝等品种[1-4]。在键合丝材生产的过程中，有些材料基于自身的特点需要气体保护，有些材料还需要中间退火，但总体生产流程是相同的，包含提纯、熔炼、拉丝、退火和绕线工序等工艺。同时，在生产过程中键合丝材直径不断减小(毫米到微米级)，是通过减小模具直径来实现的。

　　根据金属丝材质的不同，模具数量也不相同，但一般一套模具的数量可达到百个。拉丝模具由模套和模芯组成，如图2所示。模套主要用来固定模芯起到与设备配合的作用，同时，模芯与金属线材接触来完成塑性变形的过程，因此，拉丝模具的作用是通过模芯来实现的。而且模芯质量不仅决定了金属线材的表面质量，还决定了压缩线材所需的压力，并影响拉拔后线材中的残余应力分布。常用模芯材料有硬质合金、天然金刚石和聚晶金刚石等。其中聚晶金刚石模具因硬度高、耐磨性好、内孔磨损均匀和抗冲击能力强等特点，被广泛作为键合丝材的制备模具。按工作性质，模芯结构可分为入口区、润滑区、压缩区、定径区和出口区五个区间(如图2所示)。

　　入口区作用是方便穿线并存储润滑剂，角度为70°左右;润滑区是引导金属线材进入压缩区部分的区域，角度为40°左右;压缩区是丝材的变形部分，是模孔的主要结构，压缩区角度为15°左右;定径区则是确定丝材的准确尺寸;而出口区是用于防止刮伤丝材表面，出口区角度为70°左右。模芯的这五大区域必须严格对中， 采用电火花加工与超声波加工相结合的 工艺， 可以实现聚晶金刚石拉丝模具从粗到精的加 工要求。 根据拉丝模具在拉拔工序中的位置， 分为套模 和成品模。 成品模为最终获得成品直径的模具，而 在拉拔过程中所用到的其它模具均称为套模。 拉丝 模具的失效方式有正常失效和非正常失效。 正常失 效是指拉丝模具经过大量的生产使用， 因摩擦而自 然磨损或缓慢的产生塑性变形和疲劳裂纹， 达到正 常使用寿命后的失效。 非正常失效是指模具未达到 设计使用期限，产生的断裂、裂纹以及严重的局部磨 损和塑性变形。 本文针对生 产过程中拉 丝模具缺陷 的常 见 类 型，以及其对键合丝材表面质量的影响，提出从拉丝模具管理、 润滑剂和控制键合丝材表面质量的角度 以延长模具使用寿命，减缓模具磨损的有效措施。

　　1、键合丝材生产与模具问题

　　1.1 模具缺陷的常见类型

　　模具在服役过程中，正常磨损形式有：微裂纹、 轻度磨损、变形等，当这些磨损积累到一定程度后将 造成模具的失效，如图 3 所示。 当服役一段时间后， 模芯未出现磨损，如图 3(a)所示;当服役后出现磨损 时，可看出模芯底端出现磨损，模孔成三角形结构， 如图 3(b)所示;当服役后出现变形时，可看出模孔边 缘出现明显的多边形趋势，如图 3(c)所示。 在生产过 程中，如模具出现上述情况，将直接影响金属线材的 表面质量、圆度和直径。

　　此外在生产 中常见的表 面问题是由 模 孔 不 洁 净，存在异物造成的，如图 4 中箭头位置所示，虽然 这并不是模具本身的失效，但对生产存在很大影响。

　　1.2 模具相关的金属线材表面问题

　　造成金属线材缺陷的主要问题有两大类： 一大 类为表面问题，包含划伤、横向损伤、指纹、夹杂、粘 附物、线不直和粘线等;另一大类为绕线问题，包含 散线、 缠绕和多头等问题。 绕线问题依托于绕线程序、张力等调整进行改进;而表面问题，除人为的划 伤、指纹、夹杂、粘附物外，多半与模具质量有关。 模孔磨损、 变形或存在污物容易使丝材表面存 在划伤、变形以及污染等问题，如图 5 所示。 从图 5 (a)可看出，线材已发生明显变形;图 5(b)为图 5(a)中 方框的局部放大图， 从图可看出： 存在黑色衬底物 质，属于润滑剂的残留物;当线材发生明显变形后， 呈现立方体趋势， 且表面存在较多不同程度的划伤 及分布不等的污物，如图 5(c)所示。 这是因为当金属 线材表面出现划伤易造成此处润滑剂残留; 对于有 镀层的线材，划伤将破坏镀层的保护作用;对于易氧 化线材将加速其氧化， 划伤将造成键合过程中粘线 及不易焊合问题。当金属线材表面存在污染时，将造 成烧球时打黄火，“golf ball”的出现，以及污染物积 累堵塞劈刀的问题。当模孔发生变形时，将导致金属 线材受力不均匀从而生产的线材不直， 即使经过退 火处理工艺也无法 消除其拉拔 过程中产生 的内应力，最终造成在键合过程中烧球不好，歪丝问题的出 现，此外还将导致润滑液在变形位置的集聚，造成润 滑液的残留。

　　2、模具质量相关因素

　　假定模具质量合格，每套模具加工率正确的前提 下，如何延长模具的使用寿命，是关乎键合丝材质量以 及生产成本的问题，分别从以下 3 个方面进行论述。

　　2.1 模具管理

　　模具管理包含模具的领用规定、模具使用要求、 模具停用规定等。

　　(1) 模具领用规定。 不同设备由于设备拉力和 控制精度不同，采用不同尺寸的拉丝模具，故每台设 备所用模具是确定的。 再者不同键合丝材由于本身 性能的不同，所采用模具的加工率是不同的，比如较 硬的金属，如铜丝、镀钯铜丝等选用较小加工率的模 具，而金丝、银丝等可选用较大加工率的模具，故针 对不同的线材，所需的模具是确定的。因此模具领用 必须与设备、与线材类型相对应，不可混用。

　　(2) 模具使用要求。 模具在使用前必须采用超 声波进行清洗并吹干， 之后采用模具显微镜观察模 孔质量，模孔圆度好，无磨损、变形和污物方可使用。 若存在磨损、变形则立即停用，返厂修复，若存在污 物，采用针式超声波再次清洗，洁净方可使用，否则 返厂。 每道拉制工序结束后，重新更换模具，替换的 模具清洗、吹干备用。

　　(3) 模具停用规定。 模具服役时间是通过拉制键 合丝材的产量与直径结合来控制。 在产量与直径均未 超过标准，且模具未出现任何形式的磨损时可以继续 使用;若濒临极限数值时，应增大检测的频率;若超出 了某一极限数值应立即停用。 拉丝模具中的成品模主 要通过直径控制，而套模主要通过产量控制。

　　2.2 润滑剂

　　金属丝材通过拉丝模具产生塑性变形， 在塑性 变形过程中会产生很高的热量和温度， 故在拉制过 程中必须采用润滑剂进行冷却和润滑， 减少对模具 的磨损及线材的磨损。

　　(1) 润滑剂类型。不同类型的键合丝材，根据本 身的性能特点采用不同类型的润滑剂。 如键合金丝 的拉制，由于金元素本身具有良好的化学稳定性，可 以采用一般的润滑剂进行; 而对于键合铜丝和键合 银丝，由于材料本身易氧化，通常选用添加抗氧化剂 的润滑液。再者根据润滑剂本身的特点，适用于不同 的工序。 例如碳含量较高的润滑剂(1# )润滑效果良 好，可以在拉拔的初期阶段使用，但易产生残留，容 易造成键合过程中的粘线问题， 故在拉制的后期将 采用碳含量较低的润滑剂(2# )。

　　(2) 润滑剂浓度。键合丝材的拉制工序，根据直 径的不同，可以分为粗拉、中拉、细拉和超细拉工序。 每个工序由于设备的拉力不同，线材的直径不同，润 滑剂的浓度不同，基本规律为随着直径的降低，浓度 不断降低。 针对每个工序，若润滑剂浓度过高，易造 成残留;若润滑剂浓度过低，润滑效果不好易造成模 具过早失效及键合丝材表面缺陷， 故润滑剂浓度是 影响模具寿命的重要参数。 键合丝材拉拔过程中用 到的润滑剂都是水溶性的， 润滑剂浓度的降低将使 上个工序中残留的润滑剂稀释。 润滑剂浓度合适与 否可以通过显微镜观察键合丝材表 面质量间接 获 得，若表面良好，无缺陷，无残留则浓度适宜;若存在 拉拔痕迹，则浓度较低;若残留较多，则浓度较高。针 对键合金丝的拉制，润滑剂类型及浓度如表 1 所示。

　　(3) 润滑剂温度。 润滑剂加热后有益于其活性 的增加，起到良好的润滑效果，若加热温度过高，造 成了润滑剂的挥发， 反而降低其润滑效果。 试验证 明，润滑剂的理想加热温度为 35 ℃。

　　(4) 润滑剂的更换。在键合丝材的拉制过程中， 丝材与模孔的摩擦作用将产生金属屑， 这些金属屑 将随着润滑剂流动，存在于润滑剂和设备中;再者随 着时间的延长，润滑剂中的活性成分将降低，故应设 定更换周期。更换周期应与产量相结合，通常粗拉工 序高浓度润滑剂更换周期长，中拉工序次之，细拉、 超细拉工序更换周期更短。润滑剂更换后，应用纯水 循环清洗设备，洁净后再重新添加润滑剂，切不可直 接更换;目的是清除设备中的金属屑，金属屑的存在 将造成键合丝材表面的横向损伤， 这些位置残留润 滑剂后易导致粘线问题的出现，影响键合性能。

　　2.3 键合丝材的表面质量

　　键合丝材表面质量由模芯的质量决定，但当半成 品由于储存不当或时间过长，导致表面氧化(如键合 铜丝，键合银丝等)或表面附着灰尘，再进行后续拉制 时，这些硬脆的氧化物或灰尘颗粒等将造成模具的磨 损和线材表面的损伤。生产后的键合丝材均应放置在防尘柜内，对于易氧化的应放置在气体保护柜中。

　　3、结语

　　严格执行模具领用、停用制度，按照模具使用要 求使用，注意日常保养，并且在拉拔过程中采用合适 的润滑剂可以有效地避免模具的磨损， 减少键合丝 材的表面问题，提高成品率。

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