馮武衛(wèi)，張玉蓮

(浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)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(yàn)研究*

馮武衛(wèi)，張玉蓮

(浙江海洋學(xué)院船舶與海洋工程學(xué)院，浙江 舟山 316022)

超聲引線鍵合質(zhì)量受多種鍵合工藝參數(shù)的影響，如鍵合時(shí)間、鍵合功率、鍵合壓力和鍵合溫度等，每一個(gè)參數(shù)的不合理都可能導(dǎo)致整個(gè)鍵合過程失敗.通過正交實(shí)驗(yàn)方法設(shè)計(jì)了鍵合工藝參數(shù)正交試驗(yàn)表，利用鍵合強(qiáng)度作為鍵合質(zhì)量指標(biāo)對(duì)鍵合工藝參數(shù)進(jìn)行了多參數(shù)優(yōu)化；分析了各個(gè)工藝參數(shù)對(duì)鍵合質(zhì)量的影響，通過進(jìn)一步細(xì)化分析得到了鍵合參數(shù)的最優(yōu)組合.優(yōu)化結(jié)果實(shí)驗(yàn)證明了這種方法的良好效果.若應(yīng)用于不同型號(hào)鍵合設(shè)備工藝參數(shù)的優(yōu)化，只需對(duì)正交試驗(yàn)表進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整即可.

超聲引線鍵合系統(tǒng)；鍵合；工藝參數(shù)；正交實(shí)驗(yàn)；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(guān)鍵技術(shù)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(shù)[1].隨著引線鍵合設(shè)備朝著高速度、高精密的方向發(fā)展，對(duì)鍵合過程可靠性以及鍵合質(zhì)量提出了更高的要求.任何一個(gè)鍵合點(diǎn)的缺陷都將導(dǎo)致整個(gè)集成電路的失效，因此保證鍵合點(diǎn)質(zhì)量至關(guān)重要.

一個(gè)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(tái)和靜壓力產(chǎn)生機(jī)構(gòu)組成.鍵合過程原理具體可按以下4個(gè)步驟來描述：① 超聲波信號(hào)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(jìn)入壓電換能器，經(jīng)壓電換能器轉(zhuǎn)換(壓電晶體反向壓電效應(yīng))成高頻機(jī)械振動(dòng)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(jī)械振動(dòng)通過聚能器傳送到鍵合工具尖端，并對(duì)鍵合工具產(chǎn)生靜壓力；④ 當(dāng)鍵合工具、引線及鍵合表面接觸時(shí),在靜壓力和振動(dòng)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(gè)純凈的金屬面緊密接觸，達(dá)到原子距離的結(jié)合，形成牢固的機(jī)械連接[2,3].

鍵合過程質(zhì)量受多種因素影響，如鍵合時(shí)間、鍵合功率、鍵合壓力、鍵合溫度，通常情況下，鍵合設(shè)備出廠前要進(jìn)行工藝參數(shù)標(biāo)定，主要是根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)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(dāng)鍵合設(shè)備運(yùn)行一段時(shí)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(gè)鍵合過程數(shù)學(xué)模型，通過各種優(yōu)化方法確定數(shù)學(xué)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(yàn)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(shí)驗(yàn)方法，建立了鍵合過程工藝參數(shù)正交試驗(yàn)表，僅需要少量的試驗(yàn)樣本，就可以得到較好的優(yōu)化結(jié)果，且方法精度高、易于實(shí)現(xiàn).此外，本文方法僅需做適量參數(shù)調(diào)整即可應(yīng)用到不同鍵合設(shè)備鍵合參數(shù)優(yōu)化上，易于推廣.

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)建立

根據(jù)本研究要求，建立了鍵合系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái).鍵合設(shè)備選用深圳天力精密儀器系統(tǒng)有限公司的MG10金球焊機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行改裝.這款設(shè)備主要應(yīng)用于LED封裝，引線為金線，直徑25 um，焊線時(shí)間約為30 ms.鍵合設(shè)備如圖2所示.在鍵合過程中，每個(gè)工藝參數(shù)需要進(jìn)行手動(dòng)設(shè)置，每一種參數(shù)組合需要20個(gè)樣本點(diǎn).

圖2 半自動(dòng)引線鍵合設(shè)備

鍵合質(zhì)量的一個(gè)最重要的指標(biāo)就是鍵合點(diǎn)剪切強(qiáng)度.剪切強(qiáng)度體現(xiàn)的是鍵合點(diǎn)抗剪切破壞的程度.鍵合點(diǎn)剪切強(qiáng)度測(cè)試裝置，如圖3所示.由于鍵合點(diǎn)非常微小(直徑50 um左右)，因此需要通過顯微鏡來進(jìn)行定位和位置調(diào)整.測(cè)試過程中，剪切工具后端直接與測(cè)力計(jì)相連，當(dāng)鍵合點(diǎn)被剪切掉以后，讀取測(cè)力計(jì)的峰值，即為鍵合點(diǎn)剪切強(qiáng)度.為了使剪切過程比較平穩(wěn)，采用勻速驅(qū)動(dòng)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)剪切工具移動(dòng).此外，剪切工具尖端與鍵合基板的相對(duì)位置要嚴(yán)格保持一致，以滿足測(cè)量結(jié)果的一致性.

圖3 鍵合點(diǎn)剪切強(qiáng)度測(cè)試裝置

2 正交實(shí)驗(yàn)方法

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(yàn)，而影響這些試驗(yàn)結(jié)果的因素很多，把含有兩個(gè)以上因素的試驗(yàn)稱為多因素試驗(yàn)，單因素試驗(yàn)和雙因稱為多因素試驗(yàn)素試驗(yàn)，均屬于全面試驗(yàn)(即每一個(gè)因素的各種水平的相互搭配都要進(jìn)行試驗(yàn))，多因素試驗(yàn)由于要考慮的因素較多，當(dāng)每個(gè)因素的水平數(shù)較大時(shí)，若進(jìn)行全面試驗(yàn)，則試驗(yàn)次數(shù)將會(huì)更大，因此對(duì)于多因素試驗(yàn)，存在一個(gè)如何安排好試驗(yàn)的問題.正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是研究和處理多因素試驗(yàn)的一種科學(xué)方法，它利用一套現(xiàn)存規(guī)格化的表正交表，來安排試驗(yàn)，通過少量試驗(yàn)，獲得滿意的試驗(yàn)結(jié)果[8].

2.1鍵合試驗(yàn)正交試驗(yàn)表建立

針對(duì)鍵合過程，影響鍵合質(zhì)量的工藝參數(shù)主要有4個(gè)因素：鍵合時(shí)間、鍵合壓力、超聲功率和加載溫度，屬于4因素試驗(yàn).每個(gè)因素的水平值都有多個(gè)，依據(jù)此領(lǐng)域工程經(jīng)驗(yàn)，一般選5個(gè)水平值，那么此試驗(yàn)就是一個(gè)5水平4因素試驗(yàn).如果對(duì)每一組水平和因素進(jìn)行組合，就有54=625個(gè)處理組合，且每個(gè)組合需要多個(gè)試驗(yàn)(一般選取10～20個(gè)試驗(yàn))來消除隨機(jī)誤差.要全面實(shí)施這么龐大的試驗(yàn)是相當(dāng)困難的.在實(shí)際生產(chǎn)中，針對(duì)不同工況下的每一個(gè)因素所包含的位級(jí)是多樣的，不可能通過全面的試驗(yàn)來達(dá)到認(rèn)識(shí)事物的目的.正交試驗(yàn)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(yàn)次數(shù)，最大限度地反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)在規(guī)律，并通過對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析探求可能更優(yōu)的試驗(yàn)方案.

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是利用一套規(guī)格化的表格，即正交表，科學(xué)合理地安排試驗(yàn)，這種設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是在試驗(yàn)的全部處理組合中，僅挑選部分有代表性的水平組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn).通過部分試驗(yàn)實(shí)施了解全部試驗(yàn)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(cái)力、物力，使一些難以實(shí)施的多因素試驗(yàn)得以實(shí)施.

本文試驗(yàn)研究鍵合工藝參數(shù)對(duì)鍵合質(zhì)量(鍵合點(diǎn)剪切測(cè)試強(qiáng)度)的影響程度.根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，上述4個(gè)試驗(yàn)因素各取5個(gè)水平，見表1.為了進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，本文選擇正交試驗(yàn)表L25(56)，即5水平6因素試驗(yàn)，其中，兩個(gè)因素為空列.試驗(yàn)結(jié)果指標(biāo)為鍵合點(diǎn)剪切測(cè)試強(qiáng)度，按照正交試驗(yàn)表L25(56)的規(guī)格，一共需要做25組試驗(yàn)組合，每個(gè)組合分別進(jìn)行20次試驗(yàn)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果.鍵合試驗(yàn)正交試驗(yàn)，見表2.

表1 鍵合工藝參數(shù)及水平

表2 鍵合試驗(yàn)正交試驗(yàn)表

2.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和試驗(yàn)結(jié)果分析

在上述正交試驗(yàn)表中，以第19次試驗(yàn)的指標(biāo)13.7 mN為最高，其工藝參數(shù)組合為A4B4C2D5，即(鍵合時(shí)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(yàn)有625組，現(xiàn)在只做了25次.25次試驗(yàn)中最好的結(jié)果是否一定是全面搭配試驗(yàn)中最好的結(jié)果呢？還需要進(jìn)一步分析.在數(shù)理統(tǒng)計(jì)中，通常用極差分析來對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行篩選.

1)極差計(jì)算

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

表3 極差計(jì)算結(jié)果和總鍵合強(qiáng)度

2)極差分析

由極差大小順序排出因素的主次順序?yàn)椋築ACD.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(biāo)有關(guān).對(duì)于鍵合系統(tǒng)，要求鍵合剪切強(qiáng)度越大越好.因此，對(duì)于試驗(yàn)水平的選擇，應(yīng)考慮結(jié)果指標(biāo)為最大.對(duì)于鍵合時(shí)間(因素A)應(yīng)選第4個(gè)水平，即A4，同理可選B4C3D4.故較好的因素水平搭配為A4B4C3D4.這個(gè)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(diào)節(jié)范圍過大引起的.為了解決這個(gè)問題，后面將在上述研究的基礎(chǔ)上，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行細(xì)化分析，以期得到最優(yōu)的工藝參數(shù)組合.

3 細(xì)化工藝參數(shù)優(yōu)化

通過正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到了影響鍵合質(zhì)量指標(biāo)的最主要因素.然而，僅僅通過正交試驗(yàn)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(jìn)一步分析.在正交試驗(yàn)中，選取的因素水平間隔相對(duì)值都比較大，可能還存在其它的水平值(正交試驗(yàn)水平間隔之間)比所選的水平值更優(yōu).基于這個(gè)思路，本節(jié)將對(duì)工藝參數(shù)取值作細(xì)化分析，以期找到最優(yōu)工藝參數(shù)組合.

以正交試驗(yàn)得到的優(yōu)化組合A4B4C3D4為基礎(chǔ)，在這個(gè)組合水平值上下各取數(shù)個(gè)水平值進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果見表4.其中，第6行為正交試驗(yàn)法優(yōu)化結(jié)果.

表4 細(xì)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(gè)參數(shù)為正交試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果，然后對(duì)某一個(gè)參數(shù)進(jìn)行11個(gè)水平試驗(yàn).例如，對(duì)于鍵合時(shí)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(shí)間參數(shù)從35～55 ms作11個(gè)水平試驗(yàn)，每個(gè)試驗(yàn)作20次，求其平均結(jié)果指標(biāo)，確定鍵合時(shí)間的優(yōu)化值.其它參數(shù)的優(yōu)化與鍵合時(shí)間相似.試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果如圖4所示.

圖4 鍵合工藝參數(shù)細(xì)化優(yōu)化結(jié)果

從圖4可以看出，鍵合時(shí)間、鍵合壓力和鍵合功率與鍵合強(qiáng)度關(guān)系曲線上都有一個(gè)峰值，此值即為優(yōu)化的鍵合參數(shù).對(duì)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(qiáng)度最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的溫度為最優(yōu)參數(shù).這樣，經(jīng)過上述試驗(yàn)后，優(yōu)化的四個(gè)鍵合工藝參數(shù)值分別為：鍵合時(shí)間：43 ms，鍵合壓力：0.7 mN，超聲功率：21 mW，加載溫度：205 ℃，此時(shí)獲得的鍵合強(qiáng)度最大值為13.6 mN.此外，在工程實(shí)際中，鍵合剪切強(qiáng)度的值只要可以滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)即可，一般而言，鍵合強(qiáng)度的值大于10 mN就可以滿足工程實(shí)際的需要.因此，對(duì)于上述工藝參數(shù)的選擇，在保證鍵合強(qiáng)度大于10 mN的前提下，可以縮短鍵合時(shí)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(jié)論

針對(duì)MG10金球鍵合機(jī)，本文通過利用正交實(shí)驗(yàn)方法，建立了鍵合過程工藝參數(shù)正交試驗(yàn)表，通過對(duì)25組鍵合工藝參數(shù)500個(gè)試驗(yàn)樣本進(jìn)行測(cè)試，得到一組較優(yōu)鍵合工藝參數(shù)組合.然后利用細(xì)化方法對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化，得到最后參數(shù)組合，分別是鍵合時(shí)間：43 ms，鍵合壓力：0.7 mN，超聲功率：21 mW，加載溫度：205 ℃，此時(shí)獲得的鍵合強(qiáng)度最大值為13.6 mN.本文優(yōu)化方法精度高、易于實(shí)現(xiàn).此外，本文方法僅需作適量參數(shù)調(diào)整即可應(yīng)用到不同鍵合設(shè)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(xiàng)社會(huì)發(fā)展項(xiàng)目(2013C13SAA10007)；浙江省教育廳科研項(xiàng)目(Y201328404)；浙江海洋學(xué)院科研啟動(dòng)項(xiàng)目(21185011311)；浙江海洋學(xué)院中青年教師資助項(xiàng)目(11182101112)；浙江海洋學(xué)院校級(jí)面上項(xiàng)目(21185004112)

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

TN605

A