基于Minitab DOE的鋁絲楔焊鍵合工藝參數(shù)優(yōu)化

廖小平，李宗亞，楊 兵

（無錫中微高科電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 引言

近年來，鋁絲楔焊鍵合，由于其鋁絲（約含有1%的硅）成本低、可在室溫下實現(xiàn)鍵合，且在與芯片和電極的結(jié)合面不易生成金屬間化合物，在高可靠性氣密性封裝方面得到了廣泛的應(yīng)用[1～2]。而伴隨著國產(chǎn)化的推進，國產(chǎn)陶瓷外殼在鋁絲楔焊鍵合氣密性封裝方面也已應(yīng)用得越來越多，且在高可靠性電子元器件的封裝中，使用頻率也越來越高。然而國產(chǎn)陶瓷外殼質(zhì)量與進口陶瓷外殼相比，仍然有很大的差距，具體表現(xiàn)在：外殼指狀焊盤表面鍍層不良，鍍層粗糙，鍍層缺損，鍍層有凸起物或凹坑，鍍層上有小顆粒狀物質(zhì)，鍍層可焊性差等[3]。使用此類管殼進行高可靠性封裝勢必影響引線鍵合質(zhì)量，為了提高其產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，鍵合前除了必須進行管殼的有效篩選外，還需要對鍵合參數(shù)進行試驗設(shè)計來優(yōu)化。而Minitab軟件不僅具有包括數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)計分析、圖表分析、輸出管理等在內(nèi)的基本統(tǒng)計功能，還有著強大的試驗設(shè)計（DOE）功能[4]。

因此本文就將借用Minitab軟件功能進行試驗設(shè)計，對國產(chǎn)陶瓷管殼用于鋁絲楔焊鍵合的多個工藝參數(shù)進行分析，借助Minitab處理軟件，進行直觀分析及方差分析，討論了鍵合功率、鍵合壓力、鍵合時間和超聲功率緩慢上升時間（Ramp）對鍵合拉力的影響顯著程度，同時取得較優(yōu)的鍵合工藝參數(shù)，對國產(chǎn)陶瓷管殼用于高可靠性封裝的產(chǎn)業(yè)化及Minitab處理軟件在鍵合工藝參數(shù)試驗設(shè)計中的應(yīng)用提供一定的參考。

2 試驗

2.1 試驗方法

本文試驗采用鋁絲超聲楔焊鍵合技術(shù)，試驗設(shè)備為德國HESSE&KNIPPS半導(dǎo)體設(shè)備有限公司生產(chǎn)的BJ820 45°焊頭細鋁絲超聲引線鍵合機，試驗過程中采用由標(biāo)準碳化鎢硬質(zhì)合金制作的楔形劈刀(美國GASIER公司生產(chǎn)) ，基于Minitab軟件通過試驗設(shè)計采用不同的鍵合工藝參數(shù)組合將直徑為32 μm的鋁絲（新加坡賀力氏有限公司生產(chǎn)，含有1%的硅，延伸率為2%～4%，破斷力為19～21 g）鍵合到封裝形式為CQFP84的國產(chǎn)陶瓷外殼指狀焊盤表面的鍍金層上。

圖1 鍵合引線拉力測試原理圖

2.2 測定方法

依據(jù)GJB 548B-2005中方法2011.1鍵合強度（破壞性鍵合拉力試驗）用Dage4000微測試儀測量在鍍金焊盤上鍵合完鋁絲的拉力值來表征其鍵合的可靠性，鍵合引線拉力測試方法如圖1，測試拉鉤位置位于每根線的最高點下方即弧線最高點的下方[5]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Minitab14處理軟件進行數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗設(shè)計方案

試驗設(shè)計的目的在于對鋁絲楔焊鍵合到國產(chǎn)陶瓷管殼鍍金層表面的工藝參數(shù)進行優(yōu)化，同時分析各參數(shù)對試驗結(jié)果的影響程度，試驗以鍵合鋁絲的拉力測試值來評價參數(shù)的好壞，拉力測試值越高并分布集中，說明參數(shù)越接近最優(yōu)化狀態(tài)。

在鍍層厚度、鋁絲直徑、劈刀、鍵合用夾具、鍵合鋁絲的長度及弧高等一定時，影響鋁絲楔鍵合拉力值大小的主要工藝參數(shù)為鍵合功率、鍵合壓力、鍵合時間和超聲功率緩慢上升時間（Ramp），而BJ820鍵合機鍵合每一點采用二段工藝參數(shù)設(shè)置，其主要目的是第一段參數(shù)預(yù)先對表面進行預(yù)清潔，這樣能保證其鍵合的穩(wěn)定性。本試驗確定第一段的鍵合功率、鍵合壓力、鍵合時間和超聲功率緩慢上升時間（Ramp）和第二段的4個參數(shù)為其8個因子，分別記為A、B、C、D、E、F、G、H。每個因子取3個水平，因子水平表見表1。

表1 因子水平表

根據(jù)表1的因子水平表選取試驗設(shè)計表，將上述因子依次排列在試驗設(shè)計表的第1～8列。使用Minitab 14軟件可很方便地設(shè)計出試驗方案，從“統(tǒng)計→DOE→田口→創(chuàng)建田口設(shè)計”進入，選定8因子數(shù)、3水平設(shè)計及相關(guān)參數(shù)，即可輸出設(shè)計表，如表2所示。

3.2 試驗設(shè)計結(jié)果直觀分析

對表2試驗設(shè)計方案中的每一號方案均鍵合11根鋁絲，然后進行鍵合拉力試驗，其鍵合拉力值測量結(jié)果如表3所示。

表2 試驗設(shè)計方案

將鋁絲拉力值作為因變量的試驗數(shù)據(jù)輸入Minitab軟件，進行直觀分析，得到結(jié)果如表4，趨勢圖見圖2。由表4可以得到，各因素對鍵合拉力的影響的主次順序為：F（第2段參數(shù)的鍵合壓力）、E（第2段參數(shù)的鍵合功率）、D（第1段參數(shù)的Ramp）、B（第1段參數(shù)的鍵合壓力）、A（第1段參數(shù)的鍵合功率）、G（第2段參數(shù)的鍵合時間）、C（第1段參數(shù)的鍵合時間）、H（第2段參數(shù)的Ramp）；要取得較高的鍵合拉力值，最優(yōu)試驗方案為A1B3C3D3E1F3G3H1。

由趨勢圖圖2可以看出，D（第1段參數(shù)的Ramp）、E（第2段參數(shù)的鍵合功率）及F（第2段參數(shù)的鍵合壓力）對鍵合拉力影響較大，在試驗水平內(nèi)，第1段參數(shù)的Ramp越大鍵合拉力值越大；第2段參數(shù)的鍵合功率減小及第二段參數(shù)壓力的增大有助于鍵合拉力值的增大。從圖中可以看出其他幾個因素對鍵合拉力值影響很小。

圖2 各因素與鍵合拉力值相關(guān)趨勢圖

3.3 試驗設(shè)計結(jié)果方差分析

利用方差分析的方法來進一步估計誤差的大小，精確估計各因素對試驗結(jié)果影響的重要程度，彌補直觀分析法的不足。方差分析結(jié)果中Seq SS表示連續(xù)平方和；Adj SS表示校正平方和；Adj MS表示校正均方。

表3 鋁絲鍵合拉力值測量結(jié)果

將鍵合拉力值作為因變量的試驗數(shù)據(jù)輸入Minitab軟件，從“統(tǒng)計→方差分析→一般線性模型”進入，進行方差分析，結(jié)果如表5。

表4 各因素對鍵合拉力的影響結(jié)果

由表5可以看出，各因素對鍵合拉力值影響的主次順序為F、E、D、B、A、G、C、H。P表示的是組內(nèi)平均值相等的假設(shè)成立的概率，越小說明因素對試驗指標(biāo)的影響越顯著。PF、PE<0.01，表明因素F（第2段參數(shù)的鍵合壓力）、E（第2段參數(shù)的鍵合功率）對鍵合拉力值有非常顯著的影響。PD<0.05，說明D（第1段參數(shù)的Ramp）對鍵合拉力值也有顯著影響。由F值分析，F(xiàn)F、FE、FD極大偏離1，說明其影響力很大；FG、FA在1附近，說明其影響力弱；H的F值<1，說明其影響力比誤差還小，在進一步試驗中應(yīng)去掉這些因子，將它們造成的微小差異歸到試驗誤差中（軟件會自動處理），凸顯其他因子的影響。

表5 以鍵合拉力值為因變量的方差分析結(jié)果，在檢驗中使用調(diào)整的SS

3.4 最優(yōu)鍵合工藝參數(shù)確定

綜合以上分析結(jié)果見表6， 本文以鍵合拉力值為主要參考指標(biāo)，因此綜合選取最優(yōu)方案的鍵合工藝參數(shù)為A1B3C3D3E1F3G3H1。

表6 試驗分析結(jié)果

3.5 驗證試驗

根據(jù)上述優(yōu)化結(jié)果，重新設(shè)定鍵合工藝參數(shù)，第1段參數(shù)的鍵合功率為18%，第1段參數(shù)的鍵合壓力為22 gf，第1段參數(shù)的鍵合時間為30 ms，第1段參數(shù)的Ramp為20 ms，第2段參數(shù)的鍵合功率為24%，第2段參數(shù)的鍵合壓力為28 gf，第2段參數(shù)的鍵合時間為120 ms，第2段參數(shù)的Ramp為3 ms，進行33次鍵合試驗。圖3為鍵合參數(shù)優(yōu)化前拉力的過程能力狀況，圖4為鍵合參數(shù)優(yōu)化后拉力的過程能力狀況。由圖4可見，采用優(yōu)化后的工藝參數(shù)后，鍵合拉力有顯著提高，分散度也有明顯改善。

圖3 鍵合參數(shù)優(yōu)化前拉力的過程能力狀況

4 結(jié)論

（1）通過Minitab軟件中的DOE功能，得到了針對32 μm的鋁絲鍵合到國產(chǎn)陶瓷外殼焊盤的鍍金層上的最優(yōu)化鍵合工藝參數(shù)。

（2）第2段參數(shù)的鍵合壓力、第2段參數(shù)的鍵合功率及第1段參數(shù)的Ramp對鍵合拉力值有顯著影響。這對生產(chǎn)中鍵合工藝參數(shù)的調(diào)整有一定的參考。

圖4 鍵合參數(shù)優(yōu)化后拉力的過程能力狀況

（3）Minitab數(shù)據(jù)處理軟件在試驗設(shè)計處理鍵合工藝參數(shù)優(yōu)化方面有較強的實用意義，且大大減少了數(shù)據(jù)處理的計算量。

[1] Harman G, et al. Wire Bond Reliability and Yield [M].ISHM monograph, 1989.

[2] Donald J B, Albert C P. 引線壓焊技術(shù)：球形鍵合vs楔形鍵合之爭[J]. 半導(dǎo)體科技，2007 (10):16-18.

[3] 楊兵，郭大琪. 金凸點鍵合工藝在國產(chǎn)陶瓷外殼中的應(yīng)用[J]. 電子與封裝，2005，12(5): 10-15.

[4] 鳳章，趙霞. 田口方法及其標(biāo)準化設(shè)計[J]. 機械工業(yè)標(biāo)準化與質(zhì)量，2003 (11)：7-9.

[5] 中國人民解放軍總裝備部. 微電子器件試驗方法和程序[S]. 北京. 2005.