王安瑞

摘要：本文介紹了BJ820自動(dòng)金絲鍵合機(jī)的特點(diǎn)，闡述了影響自動(dòng)鍵合金絲質(zhì)量和可靠性的主要工藝參數(shù)，包含金絲形變量、超聲能量、焊接壓力、焊接時(shí)間等，分析了每個(gè)工藝參數(shù)對(duì)鍵合的影響規(guī)律，得出了自動(dòng)鍵合工藝參數(shù)的參考范圍，通過正交試驗(yàn)的方法優(yōu)化了工藝參數(shù)，提高了自動(dòng)鍵合焊接的可靠性和質(zhì)量，對(duì)自動(dòng)鍵合實(shí)際生產(chǎn)具有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)鍵合;工藝參數(shù);可靠性;正交試驗(yàn)

1.? 概述

在微電子行業(yè)中，導(dǎo)電連接主要以焊接連線來完成，超聲波焊接利用高于聽得見的限度的頻率的摩擦來制造連線，這就是BONDJET820自動(dòng)鍵合機(jī)的工作方法。隨著半導(dǎo)體電子封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，我所微組裝產(chǎn)品越來越多，微波組件不斷向小型化、高密度、高可靠性、高性能、高效率和大批量方向發(fā)展。自動(dòng)化生產(chǎn)已成為一種未來趨勢(shì)，為順應(yīng)發(fā)展，我所采購了BJ820全自動(dòng)鍵合機(jī)來滿足生產(chǎn)需求，自動(dòng)化生產(chǎn)可滿足高一致性、高可靠性和高效率的金絲焊接，因此對(duì)自動(dòng)鍵合工藝參數(shù)的研究和優(yōu)化是非常必要的。

2.? BJ820自動(dòng)金絲鍵合的特點(diǎn)

自動(dòng)鍵合技術(shù)主要采用編程來執(zhí)行相應(yīng)的程序動(dòng)作。自動(dòng)鍵合工藝過程包含圖像識(shí)別和鍵合。BJ820程序編程主要涉及參照系PR及Point設(shè)置、Teachwire連線設(shè)置、Teachboard/Chip多腔或多芯片設(shè)置、焊接工藝參數(shù)設(shè)置等。它具備以下特點(diǎn)：

（1） 它是一個(gè)有4個(gè)精確的快速運(yùn)動(dòng)軸線的靈活系統(tǒng)。它具有X和Y軸線可在305mm×410mm（12”×16”）工作范圍內(nèi)移動(dòng)焊頭，Z軸線的工作量程為30mm，P軸線可在420°范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。

（2） 能處理12.5um～85um線徑焊線和6um×35um至25um×250um線帶。

（3） 圖像識(shí)別系統(tǒng)配有一個(gè)CCD相機(jī)，識(shí)別精度可達(dá)正負(fù)1微米?；搴托酒系膶?duì)位點(diǎn)和參照?qǐng)D像可教定和自動(dòng)識(shí)別，保證高質(zhì)量的效果和自動(dòng)化生產(chǎn)，芯片位子和型號(hào)錯(cuò)誤可被識(shí)別到。

（4） 鍵合金絲一致性好、可靠性高、生產(chǎn)效率高，可連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控鍵合質(zhì)量。

4.? 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1???? 金絲變形量對(duì)鍵合的影響

自動(dòng)鍵合金絲變形量是指當(dāng)達(dá)到最大焊接時(shí)間或者設(shè)定變形量后，焊接工序停止。首先對(duì)金絲變形量進(jìn)行單一量研究。據(jù)表一設(shè)定的實(shí)驗(yàn)定量值，把超聲能量設(shè)置為15%，超聲壓力設(shè)置15cN，超聲時(shí)間設(shè)置45ms進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。采取設(shè)定一個(gè)金絲變形量的實(shí)驗(yàn)范圍值，確定12個(gè)變量，每個(gè)變量鍵合6根金絲，得出平均拉力值。

3.實(shí)驗(yàn)方法

本次實(shí)驗(yàn)主要采用控制變量法進(jìn)行研究?；贐J820自動(dòng)鍵合設(shè)備，選取陶瓷薄膜基板，采用延展率2%～6%，含金量99.99%，直徑為25um的金絲，型號(hào)為TSCLHD-1/16-1”-45-CG-2015-M的劈刀，熱臺(tái)溫度設(shè)置110℃。選定金絲變形量、超聲能量、焊接壓力、焊接時(shí)間等關(guān)鍵工藝參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，采用控制單一變量的方法來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。通過鏡檢和拉力測(cè)試的方法設(shè)計(jì)響應(yīng)機(jī)制，得出該單一變量對(duì)金絲鍵合質(zhì)量可靠性的影響，得出拉力較優(yōu)范圍值。在設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，得出優(yōu)化后的工藝參數(shù)組合，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并得出結(jié)論。

通過實(shí)驗(yàn)，把不同金絲變形量的各組金絲進(jìn)行鏡檢以及使用FMF1200拉力剪切力設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)金絲變形量小于16%時(shí)，拉力值為0，兩點(diǎn)焊點(diǎn)都焊接不上。當(dāng)金絲變形量大于16%時(shí)，金絲拉力值都滿足國軍標(biāo)要求。當(dāng)金絲變形量增大到45%時(shí)，鍵合拉力值最佳，平均拉力值達(dá)到7.3g。隨著金絲變形量的繼續(xù)增大，在40倍鏡下發(fā)現(xiàn)，鍵合焊點(diǎn)形變逐漸變大，金絲根部受損越來越嚴(yán)重，平均拉力值逐漸下降。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)，在超聲能量、超聲壓力、超聲時(shí)間一定時(shí)，可以得出金絲變形量設(shè)置范圍在33%～48%較合適，鍵合拉力值較好。

4.2???? 超聲能量對(duì)鍵合的影響

自動(dòng)鍵合超聲能量采取的是超聲波發(fā)生器最大有效輸出值的一個(gè)百分比來編制的，超聲波頻率直接影響焊接摩擦效果。據(jù)表一設(shè)定的實(shí)驗(yàn)定量值，把金絲變形量設(shè)定35%，超聲時(shí)間設(shè)定45ms，鍵合超聲壓力設(shè)置15cN，對(duì)超聲能量進(jìn)行單一變量研究。采取確定一個(gè)超聲能量的范圍值，

設(shè)定12個(gè)變量，每個(gè)值對(duì)應(yīng)鍵合6根金絲進(jìn)行拉力測(cè)試，得出平均拉力值。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，得出對(duì)應(yīng)值的超聲能量的6根金絲拉力值的平均值如下表。

通過實(shí)驗(yàn)，把不同焊接壓力下的各組金絲進(jìn)行鏡檢以及使用FMF1200拉力剪切力設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接壓力小于7cN時(shí)，拉力值為0，兩點(diǎn)焊點(diǎn)都焊接不上。當(dāng)焊接壓力大于7cN時(shí)，金絲拉力值都滿足國軍標(biāo)要求，但是隨著焊接壓力大于29cN后，設(shè)備出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)6368代碼，設(shè)備彈出對(duì)話框需要增加探頭下墜速度或增加下降

接觸力。在40倍鏡下發(fā)現(xiàn)，鍵合焊點(diǎn)形變已經(jīng)非常大，金絲根部受損很嚴(yán)重。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)，在超聲能量、金絲形變量、超聲時(shí)間一定時(shí)，可以得出焊接壓力設(shè)置范圍在15%～27%之間較合適，鍵合拉力值較好。

4.4焊接時(shí)間對(duì)鍵合的影響

焊接時(shí)間是指劈刀與鍵合表面作用時(shí)間長(zhǎng)短，作用時(shí)間過短可能導(dǎo)致虛焊或焊接不上，作用時(shí)間過長(zhǎng)可能導(dǎo)致變形量太大或金絲根部受損。自動(dòng)鍵合焊接時(shí)間可自由編排或取決于達(dá)到的變形量而停止。同樣對(duì)焊接時(shí)間進(jìn)行單一量研究。據(jù)表一設(shè)定的實(shí)驗(yàn)定量值，把超聲能量設(shè)置為15%，超聲壓力設(shè)置15cN，金絲變形量設(shè)置35%進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)定一個(gè)焊接時(shí)間的實(shí)驗(yàn)范圍值，確定12個(gè)變量，每個(gè)變量鍵合6根金絲，得出平均拉力值。

通過實(shí)驗(yàn)，把不同超聲能量的各組金絲進(jìn)行鏡檢以及使用FMF1200拉力剪切力設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)超聲能量小于8%時(shí)，拉力值為0，兩點(diǎn)焊點(diǎn)都焊接不上。當(dāng)超聲能量大于10%時(shí)，金絲拉力值都滿足國軍標(biāo)要求，當(dāng)超生能量的增大到16%時(shí)，鍵合拉力值最佳，平均拉力值達(dá)到6.7g。隨著超聲能量的繼續(xù)增大，鍵合焊點(diǎn)形變逐漸變大。在40倍鏡下發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超聲能量達(dá)到30%時(shí)，金絲根部變薄受損嚴(yán)重，平均拉力值逐漸下降。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)，在金絲變形量、超聲壓力、超聲時(shí)間一定時(shí)，可以得出超聲能量設(shè)置范圍在16%～22%較合適，鍵合拉力值較好。

4.3焊接壓力對(duì)鍵合的影響

自動(dòng)鍵合焊接壓力是以cN單位來編排的。焊接壓力對(duì)金絲焊盤的變形起著關(guān)鍵作用。同樣對(duì)焊接壓力進(jìn)行單一量研究。據(jù)表一設(shè)定的實(shí)驗(yàn)定量值，把超聲能量設(shè)置為15%，金絲變形量設(shè)置35%，超聲時(shí)間設(shè)置45ms進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)定一個(gè)超聲壓力的實(shí)驗(yàn)范圍值，確定12個(gè)變量，每個(gè)變量鍵合6根金絲，得出平均拉力值。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，得出對(duì)應(yīng)值的焊接壓力的6根金絲拉力值的平均值如下表。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，得出對(duì)應(yīng)值的焊接時(shí)間的6根金絲拉力值的平均值如下表。

通過實(shí)驗(yàn)，把不同焊接時(shí)間下的各組金絲進(jìn)行鏡檢以及使用FMF1200拉力剪切力設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)焊接時(shí)間小于6ms時(shí)，拉力值為0，兩點(diǎn)焊點(diǎn)都焊接不上。當(dāng)焊接時(shí)間大于10ms時(shí)，鍵合拉力值滿足國軍標(biāo)要求。隨著焊接時(shí)間的繼續(xù)增大，一直增加到130ms，發(fā)現(xiàn)對(duì)焊接拉力值基本沒影響。

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)，在超聲能量、金絲型變量、超聲壓力一定時(shí)，可以得出焊接時(shí)間對(duì)鍵合質(zhì)量的影響較小。通常設(shè)置20～50ms之間即可，鍵合拉力值較好。

5.? 參數(shù)優(yōu)化

通過以上實(shí)驗(yàn)，得到四個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)較優(yōu)范圍（取平均拉力值大于6g）見表十。接著設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，從中選取有代表性的4個(gè)水平值，來優(yōu)化

基于陶瓷薄膜上自動(dòng)鍵合的工藝參數(shù)。設(shè)計(jì)4因素4水平的正交試驗(yàn)方法，試驗(yàn)方案見下表十一：

根據(jù)正交試驗(yàn)的原理，采用L16（44）正交表安排4因素4水平的正交試驗(yàn)，每組參數(shù)鍵合12根金絲，并得出鍵合工藝參數(shù)因素水平正交設(shè)計(jì)表及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如表十二所示。

接下來計(jì)算出極差值R。極差分析法，是利用整理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算出正交表中每列的極差值，從而可以解決以下兩個(gè)問題：（1）求最佳水平組合;

（2）求影響因素的主次順序。某個(gè)因素的極差定義為該因素的最大水平和最小水平之差，極差大表明該因素大，是主要因素;極差小說明該因素的影響小，為次要因素。極差分析計(jì)算結(jié)果如表十三所示。

由表十三實(shí)驗(yàn)計(jì)算出的極差值R可得，極差大小順序?yàn)锽>A>C>D。影響金絲鍵合強(qiáng)度因素的大小順序?yàn)槌暷芰浚浯问墙鸾z變形量，再次是超聲壓力和焊接時(shí)間。此外還得出在陶瓷薄膜基板上的金絲鍵合最佳工藝參數(shù)水平組合為A2B2C2D2，即金絲變形量值為37%，超聲能量為17%，焊接壓力為18cN，超聲時(shí)間30ms。

接著采取優(yōu)化參數(shù)組合A2B2C2D2進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在陶瓷薄膜基板上打120根金絲，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

通過優(yōu)化參數(shù)實(shí)驗(yàn)得出下面數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表十四。

通過以上數(shù)據(jù)分析，金絲拉力失效模式基本一致如圖十，得出了拉力主要分布在6.518～7.7728g范圍內(nèi)，拉力平均值在7.106g，滿足要求。標(biāo)準(zhǔn)方差0.448，說明金絲拉力偏離中心平均數(shù)值不明顯，效果較好;Cpk值1.57，處于1.67與1.33之間，評(píng)判等級(jí)A級(jí)，為能力良好，狀態(tài)穩(wěn)定，效果較好。

6.? 結(jié)論

通過本次試驗(yàn)，在基于陶瓷薄膜基板、劈刀型號(hào)、金絲特性、BJ820設(shè)備一定的情況下，通過采取控制變量法，對(duì)超聲能量、金絲變形量、超聲壓力及超聲時(shí)間進(jìn)行單一定量研究，得出結(jié)論如下：

同時(shí)通過正交試驗(yàn)的方法，得出在陶瓷薄膜基板上的優(yōu)化工藝參數(shù)水平組合如下：

7.結(jié)束語

自動(dòng)化生產(chǎn)已成為一種未來趨勢(shì)，它可滿足高一致性和、可靠性和高效率的金絲焊接。本文研究了自動(dòng)鍵合上各關(guān)鍵工藝參數(shù)對(duì)金絲形貌、一致性和可靠性的影響，通過正交試驗(yàn)得出了優(yōu)化參數(shù)結(jié)論。但我們對(duì)自動(dòng)鍵合的基礎(chǔ)研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，比如下觸參數(shù)，線弧運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)，扯線參數(shù)、焊接2段或3段補(bǔ)償參數(shù)、線夾與劈刀之間的位置關(guān)系等，還包含劈刀型號(hào)選擇、金絲特性選擇、前后道工藝影響因素等，都會(huì)對(duì)金絲鍵合質(zhì)量帶來影響。所以，在實(shí)際生產(chǎn)中，要根據(jù)實(shí)際情況采取對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)措施，優(yōu)化工藝參數(shù)，從而保證鍵合質(zhì)量及可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hesse&Knipps.BJ820超聲波鍵合壓焊機(jī)33100Paderborn2006.[2]韓雷.微電子封裝超聲鍵合機(jī)理與技術(shù).北京：科學(xué)出版社，2014.[3]劉文卿.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)/正交試驗(yàn)設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2005.[4]恩云飛.電子元器件失效分析技術(shù).北京：電子工業(yè)出版社，2015.