共讀好書(shū)

閆文勃 王玉珩 李成龍

（山西科泰航天防務(wù)技術(shù)股份有限公司）

摘要：

通過(guò)采用單因素試驗(yàn)方法，研究了金絲球焊鍵合過(guò)程中超聲功率、超聲時(shí)間、超聲壓力和加熱臺(tái)溫度對(duì)于鍵合強(qiáng)度的影響，分析了各個(gè)參數(shù)對(duì)金絲鍵合強(qiáng)度的影響規(guī)律，給出了手動(dòng)球焊控制參數(shù)的參考范圍。通過(guò)采用正交試驗(yàn)，驗(yàn)證產(chǎn)品鍵合工藝參數(shù)，優(yōu)化了鍵合參數(shù)組合，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)金絲鍵合工藝具有一定的指導(dǎo)意義。

金絲球焊工藝是目前元器件封裝過(guò)程中的主要鍵合工藝之一，其基本過(guò)程是通過(guò)加熱臺(tái)對(duì)工件加熱到一定的溫度，將金絲在打火桿的瞬間高電壓作用下產(chǎn)生大電流，使金絲端頭部熔化，并在尾部形成金球，隨后超聲波換能器通過(guò)劈刀對(duì)金球施加相應(yīng)的鍵合壓力、超聲功率、超聲作用時(shí)間等控制條件，從而實(shí)現(xiàn)金絲連接各元件的方法。目前有９０％左右的電子器件采用球焊工藝，球焊工藝是針對(duì)直流、數(shù)字電路鍵合的首選工藝［１］。金絲球焊連接點(diǎn)質(zhì)量的優(yōu)劣與各元件材料介質(zhì)類型、表面處理情況等材料本身狀態(tài)有關(guān)系，而鍵合過(guò)程中的工藝參數(shù)如鍵合壓力、超聲功率、熱臺(tái)溫度和超聲時(shí)間等參數(shù)的匹配情況，對(duì)鍵合點(diǎn)質(zhì)量起著重要的影響作用。本文是通過(guò)單因素試驗(yàn)方法分析球焊工藝各主要控制因素對(duì)于鍵合強(qiáng)度拉力測(cè)試值的影響，并結(jié)合具體產(chǎn)品，通過(guò)采用正交試驗(yàn)方法，對(duì)該產(chǎn)品金絲球焊工藝開(kāi)展參數(shù)驗(yàn)證和優(yōu)化試驗(yàn)研究，以提高產(chǎn)品金絲球焊破壞性鍵合強(qiáng)度拉力試驗(yàn)水平。

1試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備采用ＷＥＳＴＢＯＮＤ７７００Ｄ深腔球焊機(jī)和ＭＦＭ１２００推拉力測(cè)試儀，分別如圖１和圖２所示。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用與某型產(chǎn)品相同技術(shù)狀態(tài)的材料，選取金絲球焊工藝主要參數(shù)：超聲功率、時(shí)間、壓力和溫度作為研究試驗(yàn)的控制對(duì)象，通過(guò)改變單因素變量的方法進(jìn)行研究試驗(yàn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ＧＪＢ５４８Ｃ—２０２１《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中方法２０１１．１鍵合強(qiáng)度（破環(huán)性鍵合拉力試驗(yàn)）２５μｍ的金絲拉力測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，分析不同因素對(duì)于鍵合強(qiáng)度的影響規(guī)律。

設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)各組參數(shù)破壞性鍵合強(qiáng)度拉力測(cè)試進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證產(chǎn)品金絲球焊工藝參數(shù)窗口的合理性，并確定較優(yōu)的工藝參數(shù)組合。

2單因素試驗(yàn)

2.1超聲功率對(duì)破壞性鍵合拉力測(cè)試值的影響

試驗(yàn)時(shí)保持超聲時(shí)間３０ｍｓ、鍵合壓力４０ｇｆ、熱臺(tái)溫度１５０℃不變，超聲功率步進(jìn)值由１００增加至９９９，對(duì)破壞性鍵合拉力測(cè)試值進(jìn)行單因素變量研究。每組參數(shù)取５根金絲測(cè)試破壞性鍵合拉力值的均值，所得見(jiàn)表１，對(duì)應(yīng)的折線圖如圖３所示。

通過(guò)上述試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)超聲功率步進(jìn)值小于２００時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鍵合不良或鍵合點(diǎn)脫鍵的情況；當(dāng)超聲功率參數(shù)設(shè)置在２００～５００步進(jìn)值范圍內(nèi)，鍵合強(qiáng)度拉力測(cè)試值均大于１２ｇｆ，觀察所形成的鍵合點(diǎn)形貌規(guī)則；當(dāng)超聲功率參數(shù)進(jìn)一步增加時(shí)，鍵合強(qiáng)度拉力測(cè)試值有減小的趨勢(shì)，鍵合點(diǎn)根部受損跡象逐漸變大。

2.2超聲時(shí)間對(duì)破壞性鍵合拉力測(cè)試值的影響

試驗(yàn)時(shí)保持超聲功率步進(jìn)值３００、鍵合壓力４０ｇｆ、熱臺(tái)溫度１５０℃不變，超聲時(shí)間由１０ｍｓ增加至３００ｍｓ，對(duì)破壞性鍵合拉力測(cè)試值進(jìn)行單因素變量研究。每組參數(shù)取５根金絲測(cè)試破壞性鍵合拉力值的均值，所得見(jiàn)表２，對(duì)應(yīng)的折線圖如圖４所示。

通過(guò)上述試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析可知：在超聲時(shí)間參數(shù)設(shè)置小于１０ｍｓ的情況下，會(huì)出現(xiàn)不能鍵合或鍵合點(diǎn)容易脫鍵的現(xiàn)象；當(dāng)超聲時(shí)間參數(shù)設(shè)置在３０～７０ｍｓ范圍內(nèi)時(shí)，鍵合強(qiáng)度拉力測(cè)試值相對(duì)穩(wěn)定，觀察鍵合點(diǎn)形貌規(guī)則；當(dāng)超聲時(shí)間進(jìn)一步增大時(shí)，拉力測(cè)試值有減小的趨勢(shì)，而且試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隨著超聲時(shí)間的增加，對(duì)于手動(dòng)型球焊設(shè)備和操作員之間的指令與動(dòng)作的協(xié)調(diào)性，以及操作者手部動(dòng)作穩(wěn)定性要求更高，兩者之間的匹配度直接影響球焊鍵合點(diǎn)的形狀和拉力測(cè)試結(jié)果。

2.3鍵合壓力對(duì)破壞性鍵合拉力測(cè)試值的影響

試驗(yàn)時(shí)保持超聲功率步進(jìn)值３００、超聲時(shí)間３０ｍｓ、熱臺(tái)溫度１５０℃不變，鍵合壓力由１０ｇｆ增加至６５ｇｆ，對(duì)破壞性鍵合拉力測(cè)試值進(jìn)行單因素變量研究。每組參數(shù)取５根金絲測(cè)試破壞性鍵合拉力值的均值，所得見(jiàn)表３，對(duì)應(yīng)的折線圖如圖５所示。

通過(guò)上述試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)鍵合壓力小于１０ｇｆ時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鍵合不上或鍵合點(diǎn)容易出現(xiàn)脫鍵的情況；當(dāng)鍵合壓力在２０～４０ｇｆ范圍內(nèi)時(shí)，鍵合點(diǎn)形貌和拉力測(cè)試值均滿足要求；當(dāng)鍵合壓力進(jìn)一步增大時(shí)，拉力測(cè)試值有減小的趨勢(shì)，且鍵合點(diǎn)變形較大，有根部受損跡象逐步增大的現(xiàn)象。

2.4熱臺(tái)溫度對(duì)破壞性鍵合拉力測(cè)試值的影響

試驗(yàn)時(shí)保持超聲功率步進(jìn)值３００、超聲時(shí)間３０ｍｓ、鍵合壓力４０ｇｆ不變，熱臺(tái)溫度由常溫２０℃增加至１５０℃，對(duì)破壞性鍵合拉力測(cè)試值進(jìn)行單因素變量研究。每組參數(shù)?。蹈鸾z測(cè)試破壞性鍵合拉力值的均值，所得見(jiàn)表４，對(duì)應(yīng)的折線圖如圖６所示。

通過(guò)上述試驗(yàn)過(guò)程及數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)熱臺(tái)溫度小于８０℃時(shí)，破壞性鍵合拉力值相對(duì)較小，熱臺(tái)溫度越高拉力測(cè)試值越大，服從材料溫度越高越利于材料分子間擴(kuò)散結(jié)合的一般規(guī)律。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)視所采用基板材料的Ｔｇ玻璃化溫度等綜合情況而定。

3正交試驗(yàn)

試驗(yàn)選取超聲功率、超聲時(shí)間、鍵合壓力和熱臺(tái)溫度４個(gè)因素，每個(gè)因素在被驗(yàn)證產(chǎn)品規(guī)定的工藝參數(shù)要求范圍內(nèi)選取３個(gè)參數(shù)。因素Ａ為超聲功率，設(shè)置參數(shù)選擇為Ａ１＝３００、Ａ２＝３５０、Ａ３＝４００；因素Ｂ為超聲時(shí)間，參數(shù)設(shè)置選擇為Ｂ１＝３０ｍｓ、Ｂ２＝４０ｍｓ、Ｂ３＝５０ｍｓ；因素Ｃ為鍵合壓力，參數(shù)設(shè)置選擇為Ｃ１＝２０ｇｆ、Ｃ２＝３０ｇｆ、Ｃ３＝４０ｇｆ；因素Ｄ為熱臺(tái)溫度，參數(shù)設(shè)置選擇為Ｄ１＝１２０℃、Ｄ２＝１３５℃、Ｄ３＝１５０℃。

3.1選擇正交表

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)３種參數(shù)的４種因素試驗(yàn)，采用Ｌ９（３４）正交表，試驗(yàn)過(guò)程需進(jìn)行９次試驗(yàn)（見(jiàn)表５）。

3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)收集

試驗(yàn)樣本采用與該產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)相同的材料、操作人員和設(shè)備完成金絲鍵合過(guò)程，然后按照標(biāo)準(zhǔn)ＧＪＢ５４８Ｃ—２０２１《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中方法２０１１．１鍵合強(qiáng)度（破環(huán)性鍵合拉力試驗(yàn)）２５μｍ的金絲拉力測(cè)試方法進(jìn)行測(cè)試，２５μｍ金絲最小鍵合強(qiáng)度為３．０ｇｆ。每組試驗(yàn)參數(shù)?。保按卧囼?yàn)結(jié)果的平均值，對(duì)試驗(yàn)情況進(jìn)行極差分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表６。

4工藝參數(shù)改進(jìn)及驗(yàn)證

從表６試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，該產(chǎn)品金絲球焊工藝參數(shù)窗口內(nèi)各組參數(shù)條件下，破壞性鍵合拉力試驗(yàn)測(cè)試值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的最小鍵合強(qiáng)度３．０ｇｆ的要求；因素Ｃ和因素Ａ對(duì)破壞性鍵合拉力測(cè)試值結(jié)果影響較大，因素Ｄ次之，因素Ｂ的影響相對(duì)最??；在破壞性鍵合拉力值最優(yōu)化方面，要取得拉力測(cè)試值最大的效果，其較優(yōu)搭配的參數(shù)組合為Ｃ１、Ａ１、Ｄ３、Ｂ２。

采用Ｃ１、Ａ１、Ｄ３、Ｂ２參數(shù)組合，即超聲壓力為２０ｇｆ、超聲功率步進(jìn)值為３００、熱臺(tái)溫度為１５０℃、超聲時(shí)間為４０ｍｓ的組合進(jìn)行驗(yàn)證，測(cè)試１００根金絲拉力測(cè)試值，均值可達(dá)１２．８３６ｇｆ，且拉力測(cè)試值分布相對(duì)均勻，破壞性拉力測(cè)試過(guò)程中失效模式基本一致。

5結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高性能環(huán)氧樹(shù)脂板上２５μｍ的手動(dòng)金絲球焊，為分析不同因素對(duì)于鍵合強(qiáng)度的影響規(guī)律，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比分析可以得出如下結(jié)論。

１）超聲功率步進(jìn)值小于２００時(shí)，將出現(xiàn)鍵合不良或鍵合點(diǎn)容易脫鍵的現(xiàn)象；在２００～４００步進(jìn)值范圍內(nèi)，鍵合強(qiáng)度較好；進(jìn)一步增加超聲功率步進(jìn)值時(shí)，鍵合強(qiáng)度測(cè)試值有減小的趨勢(shì)；當(dāng)超聲功率過(guò)大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)鍵合點(diǎn)根部受損嚴(yán)重的現(xiàn)象。

２）在超聲時(shí)間參數(shù)設(shè)置小于１０ｍｓ的情況下，會(huì)出現(xiàn)鍵合不上或容易出現(xiàn)脫鍵的現(xiàn)象；在３０～７０ｍｓ范圍內(nèi)，鍵合強(qiáng)度拉力測(cè)試值相對(duì)穩(wěn)定，鍵合點(diǎn)形貌規(guī)則；當(dāng)超聲時(shí)間參數(shù)進(jìn)一步增大時(shí)，鍵合強(qiáng)度拉力測(cè)試值變化趨于平緩狀態(tài)，但采用手動(dòng)型設(shè)備時(shí)，隨著超聲時(shí)間的延長(zhǎng)，對(duì)球焊設(shè)備和操作員的協(xié)調(diào)配合性及動(dòng)作穩(wěn)定性要求更高，更容易增加人為不穩(wěn)定因素的影響。

３）在鍵合壓力參數(shù)設(shè)置小于１０ｇｆ的情況下，會(huì)出現(xiàn)鍵合不上或容易出現(xiàn)脫鍵的現(xiàn)象；鍵合壓力設(shè)置在２０～４０ｇｆ范圍內(nèi)，鍵合強(qiáng)度拉力測(cè)試值相對(duì)穩(wěn)定，鍵合點(diǎn)形貌規(guī)則；當(dāng)鍵合壓力參數(shù)進(jìn)一步加大時(shí)，鍵合強(qiáng)度拉力測(cè)試值有減小的趨勢(shì)，且球焊點(diǎn)變形逐步增大，根部受損跡象呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

４）當(dāng)熱臺(tái)溫度小于８０℃時(shí)，破壞性鍵合拉力值相對(duì)較小，熱臺(tái)溫度越高拉力測(cè)試值越大，服從材料溫度越高越利于材料分子間擴(kuò)散結(jié)合的一般規(guī)律。在實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)視所采用基板材料的Ｔｇ玻璃化溫度等綜合情況而定。

５）通過(guò)正交試驗(yàn)分析得出，產(chǎn)品金絲球焊的優(yōu)選參數(shù)組合（超聲壓力為２０ｇｆ、超聲功率步進(jìn)值為３００、熱臺(tái)溫度為１５０℃、超聲時(shí)間為４０ｍｓ），其鍵合點(diǎn)形貌好，破壞性鍵合強(qiáng)度拉力測(cè)試值大且相對(duì)穩(wěn)定，滿足產(chǎn)品研制生產(chǎn)要求。

６）采用手動(dòng)型鍵合設(shè)備，鍵合過(guò)程會(huì)受到一定的人為因素影響，操作人員的技能狀態(tài)、疲勞程度等波動(dòng)情況都會(huì)直接影響到最終的鍵合點(diǎn)質(zhì)量，在產(chǎn)品研制生產(chǎn)工作中需要根據(jù)情況，綜合分析各種因素，如原材料、劈刀及前道工序工藝狀態(tài)等都會(huì)對(duì)鍵合質(zhì)量造成影響［２］。因此，應(yīng)采用科學(xué)的試驗(yàn)和過(guò)程控制方法，選取相對(duì)優(yōu)化的工藝參數(shù)組合，從而提高金絲球焊工藝鍵合點(diǎn)的可靠性和一致性。

審核編輯 黃宇