超聲引線鍵合系統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化與試驗研究*

馮武衛(wèi)，張玉蓮

(浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江 舟山 316022)

超聲引線鍵合系統(tǒng)工藝參數(shù)優(yōu)化與試驗研究*

馮武衛(wèi)，張玉蓮

(浙江海洋學院船舶與海洋工程學院，浙江 舟山 316022)

超聲引線鍵合質量受多種鍵合工藝參數(shù)的影響，如鍵合時間、鍵合功率、鍵合壓力和鍵合溫度等，每一個參數(shù)的不合理都可能導致整個鍵合過程失敗.通過正交實驗方法設計了鍵合工藝參數(shù)正交試驗表，利用鍵合強度作為鍵合質量指標對鍵合工藝參數(shù)進行了多參數(shù)優(yōu)化；分析了各個工藝參數(shù)對鍵合質量的影響，通過進一步細化分析得到了鍵合參數(shù)的最優(yōu)組合.優(yōu)化結果實驗證明了這種方法的良好效果.若應用于不同型號鍵合設備工藝參數(shù)的優(yōu)化，只需對正交試驗表進行適當調整即可.

超聲引線鍵合系統(tǒng)；鍵合；工藝參數(shù)；正交實驗；參數(shù)優(yōu)化

引言

超聲引線鍵合是集成電路封裝后道工序的關鍵技術之一，它是用金屬絲將集成電路芯片上的電極引腳與底座外引腳連接在一起的工藝技術[1].隨著引線鍵合設備朝著高速度、高精密的方向發(fā)展，對鍵合過程可靠性以及鍵合質量提出了更高的要求.任何一個鍵合點的缺陷都將導致整個集成電路的失效，因此保證鍵合點質量至關重要.

一個典型的引線鍵合系統(tǒng)如圖1所示.超聲引線鍵合系統(tǒng)分別由超聲波發(fā)生器、壓電換能器(Piezoelectric Transducer，PZT)、安裝套筒、變幅桿、鍵合工具、工作臺和靜壓力產(chǎn)生機構組成.鍵合過程原理具體可按以下4個步驟來描述：① 超聲波信號發(fā)

1—超聲波發(fā)生器；2—超聲波輸入端；3—壓電換能器；4—安裝套筒；5—變幅桿；

生器產(chǎn)生高頻超聲波能量；② 超聲波能量進入壓電換能器，經(jīng)壓電換能器轉換(壓電晶體反向壓電效應)成高頻機械振動能量(頻率一般為65 kHz或更高，此處根據(jù)換能器系統(tǒng)固有頻率確定)；③ 高頻機械振動通過聚能器傳送到鍵合工具尖端，并對鍵合工具產(chǎn)生靜壓力；④ 當鍵合工具、引線及鍵合表面接觸時,在靜壓力和振動的作用下相互摩擦、破壞、清除表面氧化膜，并發(fā)生塑性變形，致使兩個純凈的金屬面緊密接觸，達到原子距離的結合，形成牢固的機械連接[2,3].

鍵合過程質量受多種因素影響，如鍵合時間、鍵合功率、鍵合壓力、鍵合溫度，通常情況下，鍵合設備出廠前要進行工藝參數(shù)標定，主要是根據(jù)以往經(jīng)驗確定一組工藝參數(shù)組合[4].然而，這種方法并未考慮不同鍵合參數(shù)之間的影響，且精度低.此外，當鍵合設備運行一段時間后，鍵合參數(shù)校正較為困難.在鍵合參數(shù)優(yōu)化方面，目前大量的研究集中在建立一個鍵合過程數(shù)學模型，通過各種優(yōu)化方法確定數(shù)學模型的參數(shù)[5～7]，這些方法總體效果良好，且考慮了工藝參數(shù)之間的相互影響，然而由于此方法需要大量的試驗樣本，樣本的完備性成為制約優(yōu)化精度和可靠性的瓶頸.本文通過正交實驗方法，建立了鍵合過程工藝參數(shù)正交試驗表，僅需要少量的試驗樣本，就可以得到較好的優(yōu)化結果，且方法精度高、易于實現(xiàn).此外，本文方法僅需做適量參數(shù)調整即可應用到不同鍵合設備鍵合參數(shù)優(yōu)化上，易于推廣.

1 實驗臺建立

根據(jù)本研究要求，建立了鍵合系統(tǒng)試驗臺.鍵合設備選用深圳天力精密儀器系統(tǒng)有限公司的MG10金球焊機為基礎進行改裝.這款設備主要應用于LED封裝，引線為金線，直徑25 um，焊線時間約為30 ms.鍵合設備如圖2所示.在鍵合過程中，每個工藝參數(shù)需要進行手動設置，每一種參數(shù)組合需要20個樣本點.

圖2 半自動引線鍵合設備

鍵合質量的一個最重要的指標就是鍵合點剪切強度.剪切強度體現(xiàn)的是鍵合點抗剪切破壞的程度.鍵合點剪切強度測試裝置，如圖3所示.由于鍵合點非常微小(直徑50 um左右)，因此需要通過顯微鏡來進行定位和位置調整.測試過程中，剪切工具后端直接與測力計相連，當鍵合點被剪切掉以后，讀取測力計的峰值，即為鍵合點剪切強度.為了使剪切過程比較平穩(wěn)，采用勻速驅動電機來驅動剪切工具移動.此外，剪切工具尖端與鍵合基板的相對位置要嚴格保持一致，以滿足測量結果的一致性.

圖3 鍵合點剪切強度測試裝置

2 正交實驗方法

在科學實驗中，為改革舊工藝，尋求最優(yōu)生產(chǎn)條件等，經(jīng)常要做許多試驗，而影響這些試驗結果的因素很多，把含有兩個以上因素的試驗稱為多因素試驗，單因素試驗和雙因稱為多因素試驗素試驗，均屬于全面試驗(即每一個因素的各種水平的相互搭配都要進行試驗)，多因素試驗由于要考慮的因素較多，當每個因素的水平數(shù)較大時，若進行全面試驗，則試驗次數(shù)將會更大，因此對于多因素試驗，存在一個如何安排好試驗的問題.正交試驗設計是研究和處理多因素試驗的一種科學方法，它利用一套現(xiàn)存規(guī)格化的表正交表，來安排試驗，通過少量試驗，獲得滿意的試驗結果[8].

2.1鍵合試驗正交試驗表建立

針對鍵合過程，影響鍵合質量的工藝參數(shù)主要有4個因素：鍵合時間、鍵合壓力、超聲功率和加載溫度，屬于4因素試驗.每個因素的水平值都有多個，依據(jù)此領域工程經(jīng)驗，一般選5個水平值，那么此試驗就是一個5水平4因素試驗.如果對每一組水平和因素進行組合，就有54=625個處理組合，且每個組合需要多個試驗(一般選取10～20個試驗)來消除隨機誤差.要全面實施這么龐大的試驗是相當困難的.在實際生產(chǎn)中，針對不同工況下的每一個因素所包含的位級是多樣的，不可能通過全面的試驗來達到認識事物的目的.正交試驗理論就是根據(jù)均衡分散性和整齊可比性原理，在一定數(shù)目的可考察因素條件下，通過盡可能少的試驗次數(shù)，最大限度地反應系統(tǒng)內在規(guī)律，并通過對試驗結果的分析探求可能更優(yōu)的試驗方案.

正交試驗設計是利用一套規(guī)格化的表格，即正交表，科學合理地安排試驗，這種設計的特點是在試驗的全部處理組合中，僅挑選部分有代表性的水平組合進行實驗.通過部分試驗實施了解全部試驗的情況，從中找出較優(yōu)的處理組合，這樣可以大大節(jié)省人力、財力、物力，使一些難以實施的多因素試驗得以實施.

本文試驗研究鍵合工藝參數(shù)對鍵合質量(鍵合點剪切測試強度)的影響程度.根據(jù)以往的經(jīng)驗，上述4個試驗因素各取5個水平，見表1.為了進行正交試驗分析，本文選擇正交試驗表L25(56)，即5水平6因素試驗，其中，兩個因素為空列.試驗結果指標為鍵合點剪切測試強度，按照正交試驗表L25(56)的規(guī)格，一共需要做25組試驗組合，每個組合分別進行20次試驗，取平均值作為試驗結果.鍵合試驗正交試驗，見表2.

表1 鍵合工藝參數(shù)及水平

表2 鍵合試驗正交試驗表

2.2試驗數(shù)據(jù)處理和試驗結果分析

在上述正交試驗表中，以第19次試驗的指標13.7 mN為最高，其工藝參數(shù)組合為A4B4C2D5，即(鍵合時間：45 ms，鍵合壓力：0.7 N，超聲功率：25 mW，加載溫度：200 ℃).由于全面搭配試驗有625組，現(xiàn)在只做了25次.25次試驗中最好的結果是否一定是全面搭配試驗中最好的結果呢？還需要進一步分析.在數(shù)理統(tǒng)計中，通常用極差分析來對試驗結果進行篩選.

1)極差計算

一般地，定義Tij為表2的第j列，表示與水平i相應的各次試驗結果之和(i=1，2，3，4，5；j=1，2，3，4，5，6)；Rj為第j列的5個Tij中最大值與最小值之差，稱為極差.極差計算結果及25次試驗總鍵合強度見表3.

表3 極差計算結果和總鍵合強度

2)極差分析

由極差大小順序排出因素的主次順序為：BACD.由此可以看出，特別要求在鍵合過程中控制好因素B，即鍵合壓力，其次要考慮A和C.選擇較好的因素水平搭配與所要求的指標有關.對于鍵合系統(tǒng)，要求鍵合剪切強度越大越好.因此，對于試驗水平的選擇，應考慮結果指標為最大.對于鍵合時間(因素A)應選第4個水平，即A4，同理可選B4C3D4.故較好的因素水平搭配為A4B4C3D4.這個組合在表2中并沒有出現(xiàn)，但相差甚微，這主要是由于鍵合工藝參數(shù)水平調節(jié)范圍過大引起的.為了解決這個問題，后面將在上述研究的基礎上，對工藝參數(shù)進行細化分析，以期得到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合.

3 細化工藝參數(shù)優(yōu)化

通過正交試驗設計，得到了影響鍵合質量指標的最主要因素.然而，僅僅通過正交試驗的極差分析得到的工藝參數(shù)組合是否是最優(yōu)組合，需要作進一步分析.在正交試驗中，選取的因素水平間隔相對值都比較大，可能還存在其它的水平值(正交試驗水平間隔之間)比所選的水平值更優(yōu).基于這個思路，本節(jié)將對工藝參數(shù)取值作細化分析，以期找到最優(yōu)工藝參數(shù)組合.

以正交試驗得到的優(yōu)化組合A4B4C3D4為基礎，在這個組合水平值上下各取數(shù)個水平值進行試驗，結果見表4.其中，第6行為正交試驗法優(yōu)化結果.

表4 細化工藝參數(shù)優(yōu)化

優(yōu)化原則可描述為，固定任意其它三個參數(shù)為正交試驗優(yōu)化結果，然后對某一個參數(shù)進行11個水平試驗.例如，對于鍵合時間的優(yōu)化，首先選擇鍵合壓力為0.7 N，超聲功率為20 mW，加載溫度為200 ℃固定不變.然后將鍵合時間參數(shù)從35～55 ms作11個水平試驗，每個試驗作20次，求其平均結果指標，確定鍵合時間的優(yōu)化值.其它參數(shù)的優(yōu)化與鍵合時間相似.試驗和計算結果如圖4所示.

圖4 鍵合工藝參數(shù)細化優(yōu)化結果

從圖4可以看出，鍵合時間、鍵合壓力和鍵合功率與鍵合強度關系曲線上都有一個峰值，此值即為優(yōu)化的鍵合參數(shù).對于加載溫度，其變化沒有太明顯的規(guī)律，此處同樣取鍵合強度最大值時對應的溫度為最優(yōu)參數(shù).這樣，經(jīng)過上述試驗后，優(yōu)化的四個鍵合工藝參數(shù)值分別為：鍵合時間：43 ms，鍵合壓力：0.7 mN，超聲功率：21 mW，加載溫度：205 ℃，此時獲得的鍵合強度最大值為13.6 mN.此外，在工程實際中，鍵合剪切強度的值只要可以滿足行業(yè)標準即可，一般而言，鍵合強度的值大于10 mN就可以滿足工程實際的需要.因此，對于上述工藝參數(shù)的選擇，在保證鍵合強度大于10 mN的前提下，可以縮短鍵合時間來提高工作效率，增加焊線速度，同樣也可以減小功率參數(shù)來節(jié)省電能.

4 結論

針對MG10金球鍵合機，本文通過利用正交實驗方法，建立了鍵合過程工藝參數(shù)正交試驗表，通過對25組鍵合工藝參數(shù)500個試驗樣本進行測試，得到一組較優(yōu)鍵合工藝參數(shù)組合.然后利用細化方法對正交試驗結果進一步優(yōu)化，得到最后參數(shù)組合，分別是鍵合時間：43 ms，鍵合壓力：0.7 mN，超聲功率：21 mW，加載溫度：205 ℃，此時獲得的鍵合強度最大值為13.6 mN.本文優(yōu)化方法精度高、易于實現(xiàn).此外，本文方法僅需作適量參數(shù)調整即可應用到不同鍵合設備鍵合參數(shù)優(yōu)化上，易于推廣.

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AResearchofProcessParametersOptimumandExperimentalforUltrasonicWireBondingSystem

FENG Wu-wei, ZHANG Yu-lian

(Ship and Ocean Engineering School, Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316022, China)

In the ultrasonic wire bonding process, there are many process parameters such as boning time, bonding power, bonding force and bonding temperature will affect the bonding quality. Any inappropriate bonding parameter settings will result to fault of whole bonding process. A new method for bonding process parameters optimization is researched is this paper. Firstly, an orthogonal experiment table is built and the bond strength can be considered as the bonder quality standard. Through the table, the bonding process parameters are resettled. Secondly, a refined analysis is finished to obtain the best parameter settings. Lastly, a large number of experiment samples are used to verify and the good experiment result shows the useful of the optimum method. Also, this method can be used to different type bonding equipment with only a few changes of the method.

ultrasonic wire bonding system; bonding; process parameters; orthogonal experiment; parameter optimum

1673-2103(2013)05-0037-07

2013-10-19

浙江省科技廳重大科技專項社會發(fā)展項目(2013C13SAA10007)；浙江省教育廳科研項目(Y201328404)；浙江海洋學院科研啟動項目(21185011311)；浙江海洋學院中青年教師資助項目(11182101112)；浙江海洋學院校級面上項目(21185004112)

馮武衛(wèi)(1980-)，男，山西運城人，講師，博士，研究方向：微電子封裝質量檢測，機械系統(tǒng)故障診斷.

TN605

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