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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：

通過采用單因素試驗方法，研究了金絲球焊鍵合過程中超聲功率、超聲時間、超聲壓力和加熱臺溫度對于鍵合強度的影響，分析了各個參數(shù)對金絲鍵合強度的影響規(guī)律，給出了手動球焊控制參數(shù)的參考范圍。通過采用正交試驗，驗證產(chǎn)品鍵合工藝參數(shù)，優(yōu)化了鍵合參數(shù)組合，并進(jìn)行了試驗驗證，對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ＷＥＳＴＢＯＮＤ７７００Ｄ深腔球焊機和ＭＦＭ１２００推拉力測試儀，分別如圖１和圖２所示。

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)ＧＪＢ５４８Ｃ—２０２１《微電子器件試驗方法和程序》中方法２０１１．１鍵合強度（破環(huán)性鍵合拉力試驗）２５μｍ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３０ｍｓ、鍵合壓力４０ｇｆ、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。

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)，鍵合強度拉力測試值均大于１２ｇｆ，觀察所形成的鍵合點形貌規(guī)則；當(dāng)超聲功率參數(shù)進(jìn)一步增加時，鍵合強度拉力測試值有減小的趨勢，鍵合點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４０ｇｆ、熱臺溫度１５０℃不變，超聲時間由１０ｍｓ增加至３００ｍｓ，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。

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１０ｍｓ的情況下，會出現(xiàn)不能鍵合或鍵合點容易脫鍵的現(xiàn)象；當(dāng)超聲時間參數(shù)設(shè)置在３０～７０ｍｓ范圍內(nèi)時，鍵合強度拉力測試值相對穩(wěn)定，觀察鍵合點形貌規(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３０ｍｓ、熱臺溫度１５０℃不變，鍵合壓力由１０ｇｆ增加至６５ｇｆ，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。

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１０ｇｆ時，會出現(xiàn)鍵合不上或鍵合點容易出現(xiàn)脫鍵的情況；當(dāng)鍵合壓力在２０～４０ｇｆ范圍內(nèi)時，鍵合點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３０ｍｓ、鍵合壓力４０ｇｆ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。

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＝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）。

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)ＧＪＢ５４８Ｃ—２０２１《微電子器件試驗方法和程序》中方法２０１１．１鍵合強度（破環(huán)性鍵合拉力試驗）２５μｍ的金絲拉力測試方法進(jìn)行測試，２５μｍ金絲最小鍵合強度為３．０ｇｆ。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。

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)要求的最小鍵合強度３．０ｇｆ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２０ｇｆ、超聲功率步進(jìn)值為３００、熱臺溫度為１５０℃、超聲時間為４０ｍｓ的組合進(jìn)行驗證，測試１００根金絲拉力測試值，均值可達(dá)１２．８３６ｇｆ，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

針對高性能環(huán)氧樹脂板上２５μｍ的手動金絲球焊，為分析不同因素對于鍵合強度的影響規(guī)律，設(shè)計正交試驗，通過對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，將出現(xiàn)鍵合不良或鍵合點容易脫鍵的現(xiàn)象；在２００～４００步進(jìn)值范圍內(nèi)，鍵合強度較好；進(jìn)一步增加超聲功率步進(jìn)值時，鍵合強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１０ｍｓ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３０～７０ｍｓ范圍內(nèi)，鍵合強度拉力測試值相對穩(wěn)定，鍵合點形貌規(guī)則；當(dāng)超聲時間參數(shù)進(jìn)一步增大時，鍵合強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１０ｇｆ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２０～４０ｇｆ范圍內(nèi)，鍵合強度拉力測試值相對穩(wěn)定，鍵合點形貌規(guī)則；當(dāng)鍵合壓力參數(shù)進(jìn)一步加大時，鍵合強度拉力測試值有減小的趨勢，且球焊點變形逐步增大，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２０ｇｆ、超聲功率步進(jìn)值為３００、熱臺溫度為１５０℃、超聲時間為４０ｍｓ），其鍵合點形貌好，破壞性鍵合強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的可靠性和一致性。

審核編輯 黃宇