金絲球焊工藝參數(shù)影響性分析和優(yōu)化驗證

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,山西 太原 030006)

金絲球焊工藝是目前元器件封裝過程中的主要鍵合工藝之一,其基本過程是通過加熱臺對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劈刀對金球施加相應(yīng)的鍵合壓力、超聲功率、超聲作用時間等控制條件,從而實現(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,而鍵合過程中的工藝參數(shù)如鍵合壓力、超聲功率、熱臺溫度和超聲時間等參數(shù)的匹配情況,對鍵合點(diǎn)質(zhì)量起著重要的影響作用。

本文是通過單因素試驗方法分析球焊工藝各主要控制因素對于鍵合強(qiáng)度拉力測試值的影響,并結(jié)合具體產(chǎn)品,通過采用正交試驗方法,對該產(chǎn)品金絲球焊工藝開展參數(shù)驗證和優(yōu)化試驗研究,以提高產(chǎn)品金絲球焊破壞性鍵合強(qiáng)度拉力試驗水平。

1 試驗設(shè)備與方法

1.1 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備采用WEST BOND 7700D深腔球焊機(jī)和MFM1200推拉力測試儀,分別如圖1和圖2所示。

圖1 WEST BOND 7700D深腔球焊機(jī)

圖2 MFM1200推拉力測試儀

1.2 試驗方法

試驗采用與某型產(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、時間、壓力和溫度作為研究試驗的控制對象,通過改變單因素變量的方法進(jìn)行研究試驗。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GJB 548C—2021《微電子器件試驗方法和程序》中方法2011.1鍵合強(qiáng)度(破環(huán)性鍵合拉力試驗)25 μm的金絲拉力測試方法進(jìn)行測試,分析不同因素對于鍵合強(qiáng)度的影響規(guī)律。

設(shè)計正交試驗,通過對各組參數(shù)破壞性鍵合強(qiáng)度拉力測試進(jìn)行對比分析,驗證產(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

2.1 超聲功率對破壞性鍵合拉力測試值的影響

試驗時保持超聲時間30 ms、鍵合壓力40 gf、熱臺溫度150 ℃不變,超聲功率步進(jìn)值由100增加至999,對破壞性鍵合拉力測試值進(jìn)行單因素變量研究。每組參數(shù)取5根金絲測試破壞性鍵合拉力值的均值,所得見表1,對應(yīng)的折線圖如圖3所示。

表1 超聲功率步進(jìn)值影響分析表

圖3 不同超聲功率步進(jìn)值下的拉力值走勢圖

通過上述試驗過程及數(shù)據(jù)分析可知:當(dāng)超聲功率步進(jìn)值小于200時,會出現(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)度拉力測試值均大于12 gf,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,鍵合強(qiáng)度拉力測試值有減小的趨勢,鍵合點(diǎn)根部受損跡象逐漸變大。

2.2 超聲時間對破壞性鍵合拉力測試值的影響

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

表2 超聲時間影響分析表

圖4 不同超聲時間下的拉力值走勢圖

通過上述試驗過程及數(shù)據(jù)分析可知:在超聲時間參數(shù)設(shè)置小于10 ms的情況下,會出現(xiàn)不能鍵合或鍵合點(diǎn)容易脫鍵的現(xiàn)象;當(dāng)超聲時間參數(shù)設(shè)置在30～70 ms范圍內(nèi)時,鍵合強(qiáng)度拉力測試值相對穩(wěn)定,觀察鍵合點(diǎn)形貌規(guī)則;當(dāng)超聲時間進(jìn)一步增大時,拉力測試值有減小的趨勢,而且試驗過程中發(fā)現(xiàn)隨著超聲時間的增加,對于手動型球焊設(shè)備和操作員之間的指令與動作的協(xié)調(diào)性,以及操作者手部動作穩(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)的形狀和拉力測試結(jié)果。

2.3 鍵合壓力對破壞性鍵合拉力測試值的影響

試驗時保持超聲功率步進(jìn)值300、超聲時間30 ms、熱臺溫度150 ℃不變,鍵合壓力由10 gf增加至65 gf,對破壞性鍵合拉力測試值進(jìn)行單因素變量研究。每組參數(shù)取5根金絲測試破壞性鍵合拉力值的均值,所得見表3,對應(yīng)的折線圖如圖5所示。

表3 鍵合壓力影響分析表

通過上述試驗過程及數(shù)據(jù)分析可知:當(dāng)鍵合壓力小于10 gf時,會出現(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20～40 gf范圍內(nèi)時,鍵合點(diǎn)形貌和拉力測試值均滿足要求;當(dāng)鍵合壓力進(jìn)一步增大時,拉力測試值有減小的趨勢,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 熱臺溫度對破壞性鍵合拉力測試值的影響

試驗時保持超聲功率步進(jìn)值300、超聲時間30 ms、鍵合壓力40 gf不變,熱臺溫度由常溫20 ℃增加至150 ℃,對破壞性鍵合拉力測試值進(jìn)行單因素變量研究。每組參數(shù)取5根金絲測試破壞性鍵合拉力值的均值,所得見表4,對應(yīng)的折線圖如圖6所示。

根據(jù)α=1.05～1.25，及式8計算得出，天然氣燃燒產(chǎn)生的實際煙氣量為Vy=11.184～13.12 Nm3/Nm3。

表4 熱臺溫度影響分析表

圖6 不同熱臺溫度下的拉力值走勢圖

通過上述試驗過程及數(shù)據(jù)分析可知:當(dāng)熱臺溫度小于80 ℃時,破壞性鍵合拉力值相對較小,熱臺溫度越高拉力測試值越大,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

試驗選取超聲功率、超聲時間、鍵合壓力和熱臺溫度4個因素,每個因素在被驗證產(chǎn)品規(guī)定的工藝參數(shù)要求范圍內(nèi)選取3個參數(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為超聲時間,參數(shù)設(shè)置選擇為B1=30 ms、B2=40 ms、B3=50 ms;因素C為鍵合壓力,參數(shù)設(shè)置選擇為C1=20 gf、C2=30 gf、C3=40 gf;因素D為熱臺溫度,參數(shù)設(shè)置選擇為D1=120 ℃、D2=135 ℃、D3=150 ℃。

3.1 選擇正交表

本試驗設(shè)計3種參數(shù)的4種因素試驗,采用L9(34)正交表,試驗過程需進(jìn)行9次試驗(見表5)。

表5 正交試驗表

3.2 試驗數(shù)據(jù)收集

試驗樣本采用與該產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)相同的材料、操作人員和設(shè)備完成金絲鍵合過程,然后按照標(biāo)準(zhǔn)GJB 548C—2021《微電子器件試驗方法和程序》中方法2011.1鍵合強(qiáng)度(破環(huán)性鍵合拉力試驗)25 μm的金絲拉力測試方法進(jìn)行測試,25 μm金絲最小鍵合強(qiáng)度為3.0 gf。每組試驗參數(shù)取10次試驗結(jié)果的平均值,對試驗情況進(jìn)行極差分析,計算結(jié)果見表6。

表6 試驗方案及結(jié)果分析

4 工藝參數(shù)改進(jìn)及驗證

從表6試驗數(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測試值均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的最小鍵合強(qiáng)度3.0 gf的要求;因素C和因素A對破壞性鍵合拉力測試值結(jié)果影響較大,因素D次之,因素B的影響相對最小;在破壞性鍵合拉力值最優(yōu)化方面,要取得拉力測試值最大的效果,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20 gf、超聲功率步進(jìn)值為300、熱臺溫度為150 ℃、超聲時間為40 ms的組合進(jìn)行驗證,測試100根金絲拉力測試值,均值可達(dá)12.836 gf,且拉力測試值分布相對均勻,破壞性拉力測試過程中失效模式基本一致。

5 結(jié)語

1)超聲功率步進(jìn)值小于200時,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,鍵合強(qiáng)度測試值有減小的趨勢;當(dāng)超聲功率過大時,會出現(xiàn)鍵合點(diǎn)根部受損嚴(yán)重的現(xiàn)象。

2)在超聲時間參數(shù)設(shè)置小于10 ms的情況下,會出現(xiàn)鍵合不上或容易出現(xiàn)脫鍵的現(xiàn)象;在30～70 ms范圍內(nèi),鍵合強(qiáng)度拉力測試值相對穩(wěn)定,鍵合點(diǎn)形貌規(guī)則;當(dāng)超聲時間參數(shù)進(jìn)一步增大時,鍵合強(qiáng)度拉力測試值變化趨于平緩狀態(tài),但采用手動型設(shè)備時,隨著超聲時間的延長,對球焊設(shè)備和操作員的協(xié)調(diào)配合性及動作穩(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10 gf的情況下,會出現(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20～40 gf范圍內(nèi),鍵合強(qiáng)度拉力測試值相對穩(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,鍵合強(qiáng)度拉力測試值有減小的趨勢,且球焊點(diǎn)變形逐步增大,根部受損跡象呈增長的趨勢。

4)當(dāng)熱臺溫度小于80 ℃時,破壞性鍵合拉力值相對較小,熱臺溫度越高拉力測試值越大,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)通過正交試驗分析得出,產(chǎn)品金絲球焊的優(yōu)選參數(shù)組合(超聲壓力為20 gf、超聲功率步進(jìn)值為300、熱臺溫度為150 ℃、超聲時間為40 ms),其鍵合點(diǎn)形貌好,破壞性鍵合強(qiáng)度拉力測試值大且相對穩(wěn)定,滿足產(chǎn)品研制生產(chǎn)要求。

6)采用手動型鍵合設(shè)備,鍵合過程會受到一定的人為因素影響,操作人員的技能狀態(tài)、疲勞程度等波動情況都會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)等都會對鍵合質(zhì)量造成影響[2]。因此,應(yīng)采用科學(xué)的試驗和過程控制方法,選取相對優(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。