陶瓷基板上自動(dòng)鍵合各參數(shù)對(duì)鍵合形貌的影響研究

摘要：

通過(guò)控制單一變量的試驗(yàn)方法，研究了金絲變形度、超聲功率、超聲時(shí)間和鍵合壓力等參數(shù)對(duì)自動(dòng)鍵合一致性和可靠性的影響，分析了每個(gè)參數(shù)對(duì)自動(dòng)鍵合的影響規(guī)律，給出了自動(dòng)鍵合參數(shù)的參考范圍。通過(guò)正交試驗(yàn)方法，優(yōu)化了鍵合參數(shù)組合，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。給出了不同基材自動(dòng)鍵合的參數(shù)參考范圍，對(duì)自動(dòng)鍵合工藝具有一定的指導(dǎo)意義。

引線鍵合實(shí)現(xiàn)了微電子產(chǎn)品優(yōu)良的電氣互連功能，在微電子領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。自動(dòng)引線鍵合技術(shù)作為一種先進(jìn)的引線鍵合技術(shù)具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。自動(dòng)鍵合技術(shù)是自動(dòng)鍵合機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的程序，自動(dòng)完成引線鍵合過(guò)程。自動(dòng)鍵合具有可控化、一致性好和可靠性高等優(yōu)勢(shì)。

隨著電子封裝技術(shù)的不斷發(fā)展，微波組件正在不斷向小型化、高密度、高可靠、高性能和大批量方向發(fā)展，對(duì)產(chǎn)品的可控化、高一致性、高可靠性和生產(chǎn)的高效率都提出了更高的要求，順應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)已成為一種趨勢(shì)。所以，對(duì)自動(dòng)化鍵合工藝的研究和優(yōu)化是非常有必要的。

1 自動(dòng)金絲鍵合特點(diǎn)

自動(dòng)鍵合技術(shù)是鍵合機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的程序，自動(dòng)完成引線鍵合過(guò)程。鍵合程序的編制包括圖像識(shí)別點(diǎn)設(shè)置、鍵合線設(shè)置、鍵合參數(shù)設(shè)置和程序優(yōu)化。自動(dòng)鍵合工藝過(guò)程包括圖像識(shí)別和鍵合。自動(dòng)鍵合具有以下特點(diǎn)：

a）鍵合線長(zhǎng)度、弧度、尾絲長(zhǎng)度、弧高和鍵合參數(shù)等可編程控制；

b）深腔鍵合能力達(dá)13 mm；

c）靜態(tài)和動(dòng)態(tài)壓力控制精度可達(dá)±1 cN；

d）弧高控制70～20 mm，精細(xì)間距40 μm；

e）連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控鍵合質(zhì)量；

f）鍵合一致性好，效率高。

2 試驗(yàn)方法

基于HESSE-BJ820自動(dòng)鍵合機(jī)，采用延展率1%～4%、金質(zhì)量分?jǐn)?shù)99.99%、直徑25 μm的金絲，TCLHE-1/16-1-45-CG-2020-M型劈刀，選取陶瓷基板為鍵合基板樣品，熱臺(tái)溫度設(shè)定為110 ℃。選定金絲變形度、超聲功率、超聲時(shí)間和鍵合壓力等鍵合參數(shù)作為試驗(yàn)的控制變量，采用控制單一變量的方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)。通過(guò)鏡檢和拉力測(cè)試等方法分析不同參數(shù)對(duì)自動(dòng)鍵合形貌、一致性和可靠性的影響規(guī)律。

設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，得到優(yōu)化的自動(dòng)鍵合參數(shù)組合，并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)鏡檢和拉力測(cè)試等方法進(jìn)行試驗(yàn)分析，統(tǒng)計(jì)分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出均值、標(biāo)準(zhǔn)方差和 C PK 等值，對(duì)鍵合一致性和可靠性進(jìn)行評(píng)估。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 自動(dòng)鍵合參數(shù)的影響

3.1.1 金絲變形度對(duì)鍵合的影響

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，將超聲功率設(shè)定為20%，超聲時(shí)間設(shè)定為100 ms，鍵合壓力設(shè)定為0.18 N，對(duì)金絲變形度進(jìn)行單一變量研究。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，確定試驗(yàn)范圍，在所選范圍內(nèi)確定14個(gè)數(shù)值，每個(gè)值對(duì)應(yīng)鍵合5根絲，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)和分析。試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

按照以上參數(shù)和方案進(jìn)行自動(dòng)鍵合，通過(guò)鏡檢和拉力測(cè)試等方法分析金絲變形度對(duì)自動(dòng)鍵合的影響。分別使用60倍和200倍光學(xué)顯微鏡對(duì)鍵合金絲結(jié)果和鍵合點(diǎn)的形貌進(jìn)行鏡檢，發(fā)現(xiàn)金絲變形度為20%（自動(dòng)鍵合機(jī)允許的最低值）時(shí)，金絲沒(méi)有鍵合上；金絲變形度為21%時(shí)，有3根引線脫鍵；其余鍵合金絲和鍵合點(diǎn)形貌都正常，且滿(mǎn)足鍵合標(biāo)準(zhǔn)，如圖1所示。使用Dag-4000拉力測(cè)試儀對(duì)鍵合好的金絲進(jìn)行100%（沒(méi)有鍵合上的和脫鍵的除外）的拉力測(cè)試，每組取其平均值，結(jié)果見(jiàn)表2。不同金絲變形度下，拉力測(cè)試值的走勢(shì)如圖2所示。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析得出：金絲變形度太小（允許的最低值為20%）＜22%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鍵合不上或者鍵合點(diǎn)脫鍵；當(dāng)金絲變形度＞22%時(shí)，鍵合強(qiáng)度會(huì)隨著金絲變形度的增大而減小，金絲變形度過(guò)大，會(huì)造成鍵合點(diǎn)根部受損。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般陶瓷基板上金絲鍵合金絲變形度都控制在25%～48%的范圍內(nèi)。由以上結(jié)果可知，在此范圍內(nèi)，金絲和鍵合點(diǎn)的形貌都符合實(shí)際要求，鍵合強(qiáng)度也滿(mǎn)足要求。

3.1.2 超聲功率對(duì)鍵合的影響

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，將金絲變形度設(shè)定為42%，超聲時(shí)間設(shè)定為100 ms，鍵合壓力設(shè)定為0.18 N，對(duì)超聲功率進(jìn)行單一變量研究。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，確定試驗(yàn)范圍，在所選范圍內(nèi)確定12個(gè)數(shù)值，每個(gè)值對(duì)應(yīng)鍵合5根絲，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)和分析。試驗(yàn)方案見(jiàn)表3。

按照以上參數(shù)和方案進(jìn)行自動(dòng)鍵合，通過(guò)鏡檢和拉力測(cè)試等方法分析超聲功率對(duì)自動(dòng)鍵合的影響。分別使用60倍和200倍光學(xué)顯微鏡對(duì)鍵合金絲結(jié)果和鍵合點(diǎn)的形貌進(jìn)行鏡檢，發(fā)現(xiàn)相對(duì)超聲功率在1%～5%的范圍內(nèi)時(shí)，金絲沒(méi)有鍵合上；相對(duì)超聲功率＞5%時(shí)，鍵合金絲和鍵合點(diǎn)形貌都正常，且滿(mǎn)足鍵合標(biāo)準(zhǔn)，如圖3所示。使用Dag-4000拉力測(cè)試儀對(duì)鍵合好的金絲進(jìn)行100%（沒(méi)有鍵合上的除外）的拉力測(cè)試，每組取其平均值，結(jié)果見(jiàn)表4。不同超聲功率下，拉力測(cè)試值的走勢(shì)如圖4所示。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析得出：超聲功率太小，當(dāng)相對(duì)超聲功率＜5%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鍵合不上；當(dāng)相對(duì)超聲功率＞5%時(shí)，鍵合金絲和鍵合點(diǎn)形貌都滿(mǎn)足要求；相對(duì)超聲功率在5%～7%范圍內(nèi)，金絲鍵合強(qiáng)度會(huì)隨著超聲功率的增大而增大；當(dāng)相對(duì)超聲功率＞7%時(shí)，鍵合強(qiáng)度基本是隨著超聲功率的增大而減?。桓鶕?jù)超聲功率變化的間距，和其所對(duì)應(yīng)的鍵合強(qiáng)度的變化，可以看出，超聲功率對(duì)鍵合的影響很大。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般陶瓷基板上金絲鍵合相對(duì)超聲功率都控制在9%～20%的范圍內(nèi)。由以上結(jié)果可知，在此范圍內(nèi)，金絲和鍵合點(diǎn)的形貌都符合實(shí)際要求，鍵合強(qiáng)度也滿(mǎn)足要求。

3.1.3 超聲時(shí)間對(duì)鍵合的影響

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，將金絲變形度設(shè)定為42%，相對(duì)超聲功率設(shè)定為20%，鍵合壓力設(shè)定為0.18 N，對(duì)超聲時(shí)間進(jìn)行單一變量研究。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，確定試驗(yàn)范圍，在所選范圍內(nèi)確定13個(gè)數(shù)值，每個(gè)值對(duì)應(yīng)鍵合5根絲，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)和分析。試驗(yàn)方案見(jiàn)表5。

按照以上參數(shù)和方案進(jìn)行自動(dòng)鍵合，通過(guò)鏡檢和拉力測(cè)試等方法分析超聲時(shí)間對(duì)自動(dòng)鍵合的影響。分別使用60倍和200倍光學(xué)顯微鏡對(duì)鍵合金絲結(jié)果和鍵合點(diǎn)的形貌進(jìn)行鏡檢，發(fā)現(xiàn)超聲時(shí)間為2 ms（自動(dòng)鍵合機(jī)允許的最低值）時(shí)，金絲沒(méi)有鍵合上；超聲時(shí)間＞3 ms時(shí)，鍵合金絲和鍵合點(diǎn)形貌都正常，且滿(mǎn)足鍵合標(biāo)準(zhǔn)，如圖5所示。使用Dag-4000拉力測(cè)試儀對(duì)鍵合好的金絲進(jìn)行100%（沒(méi)有鍵合上的除外）的拉力測(cè)試，每組取其平均值，結(jié)果見(jiàn)表6。不同超聲時(shí)間下，拉力測(cè)試值的走勢(shì)如圖6所示。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析得出：超聲時(shí)間太小（允許的最小值為2 ms），會(huì)導(dǎo)致鍵合不上；當(dāng)超聲時(shí)間＞3 ms時(shí)，鍵合金絲和鍵合點(diǎn)形貌都滿(mǎn)足要求，金絲鍵合強(qiáng)度會(huì)隨著超聲時(shí)間的增大而減小。根據(jù)超聲時(shí)間變化的間距，和其所對(duì)應(yīng)的鍵合強(qiáng)度的變化，可以看出，超聲時(shí)間對(duì)鍵合的影響不是很大，超聲時(shí)間在很大的變化范圍內(nèi)，鍵合強(qiáng)度變化基本成平緩態(tài)勢(shì)。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般陶瓷基板上金絲鍵合的超聲時(shí)間都控制在10～80 ms的范圍內(nèi)。由以上結(jié)果可知，在此范圍內(nèi)，金絲和鍵合點(diǎn)的形貌都符合實(shí)際要求，鍵合強(qiáng)度也滿(mǎn)足要求。

3.1.4 鍵合壓力對(duì)鍵合的影響

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，將金絲變形度設(shè)定為42%，相對(duì)超聲功率設(shè)定為20%，超聲時(shí)間設(shè)定為100 ms，對(duì)鍵合壓力進(jìn)行單一變量研究。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)，確定試驗(yàn)范圍，在所選范圍內(nèi)確定10個(gè)數(shù)值，每個(gè)值對(duì)應(yīng)鍵合5根絲，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)和分析。試驗(yàn)方案見(jiàn)表7。

按照以上參數(shù)和方案進(jìn)行自動(dòng)鍵合，通過(guò)鏡檢和拉力測(cè)試等方法分析鍵合壓力對(duì)自動(dòng)鍵合的影響。分別使用60倍和200倍光學(xué)顯微鏡對(duì)鍵合金絲結(jié)果和鍵合點(diǎn)的形貌進(jìn)行鏡檢，發(fā)現(xiàn)鍵合壓力為0.04 N時(shí)，金絲有兩根脫鍵；鍵合壓力＞0.06 N時(shí)，鍵合金絲和鍵合點(diǎn)形貌都正常，且滿(mǎn)足鍵合標(biāo)準(zhǔn)，如圖7所示。使用Dag-4000拉力測(cè)試儀對(duì)鍵合好的金絲進(jìn)行100%（脫鍵的除外）的拉力測(cè)試，每組取其平均值，結(jié)果見(jiàn)表8。不同鍵合壓力下，拉力測(cè)試值的走勢(shì)如圖8所示。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析得出：鍵合壓力太小＜0.06 N，會(huì)導(dǎo)致鍵合不上或者脫鍵；當(dāng)鍵合壓力＞0.06 N時(shí)，金絲鍵合和鍵合點(diǎn)形貌都滿(mǎn)足要求，金絲鍵合強(qiáng)度基本上會(huì)隨著鍵合壓力的增大而減小。根據(jù)鍵合壓力變化的間距和其所對(duì)應(yīng)的鍵合強(qiáng)度的變化，可以看出，鍵合壓力在一定的范圍內(nèi)0.12～0.18 N，鍵合強(qiáng)度變化基本成平緩態(tài)勢(shì)。

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，一般陶瓷基板上金絲鍵合壓力都控制在0.08～0.18 N的范圍內(nèi)。由以上結(jié)果可知，在此范圍內(nèi)，金絲和鍵合點(diǎn)的形貌都符合實(shí)際要求，鍵合強(qiáng)度也滿(mǎn)足要求。

4 參數(shù)優(yōu)化

在以上試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，來(lái)優(yōu)化陶瓷基板上自動(dòng)鍵合的工藝參數(shù)。由于只單一優(yōu)化陶瓷基板上自動(dòng)鍵合的參數(shù)，所以選擇在如上所述的陶瓷基板表面鍵合且鍵合第一點(diǎn)與第二點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置相同。首先采用4因素5水平的正交試驗(yàn)方法，試驗(yàn)方案見(jiàn)表9。

根據(jù)以上試驗(yàn)方案，匹配各參數(shù)，每組鍵合20根絲，通過(guò)鏡檢和拉力測(cè)試等方法分析鍵合的一致性和可靠性。通過(guò)試驗(yàn)得出以下最佳參數(shù)組合，見(jiàn)表10。

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證以上參數(shù)組合。根據(jù)以上參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，自動(dòng)鍵合600根絲，通過(guò)鏡檢、拉力測(cè)試和C PK 值等測(cè)算來(lái)分析鍵合的形貌、一致性和可靠性。分別使用60倍和200倍光學(xué)顯微鏡對(duì)鍵合金絲結(jié)果和鍵合點(diǎn)的形貌進(jìn)行鏡檢，發(fā)現(xiàn)鍵合金絲和鍵合點(diǎn)形貌都一致良好，且滿(mǎn)足要求，如圖9所示。使用Dag-4000拉力測(cè)試儀對(duì)鍵合好的金絲進(jìn)行100%的破壞性拉力測(cè)試實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，失效模式基本一致，如圖10所示，且拉力測(cè)試值分布均勻，一致性好，見(jiàn)表11。拉力數(shù)據(jù)分布曲面圖更加直觀地表示出了拉力數(shù)據(jù)的分布，如圖11所示。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證，做了數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析得出，拉力測(cè)試值的平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)方差、均值和 C PK 等值見(jiàn)表12。

通過(guò)以上數(shù)據(jù)分析得出，鍵合拉力測(cè)試值分布在0.109 8～0.136 6 N范圍內(nèi)，平均值為0.122 3 N，都滿(mǎn)足要求。根據(jù) C PK 值的判斷標(biāo)準(zhǔn)， C PK 值越大表示品質(zhì)越佳， C PK ＞2.0為A ++ 級(jí)，可見(jiàn)鍵合狀態(tài)穩(wěn)定，一致性好。同時(shí)數(shù)據(jù)呈標(biāo)準(zhǔn)方差為0.005 N，均值為0.107 3 N的正態(tài)分布，且過(guò)程控制可以達(dá)到3 σ 的水平，受控概率為99.73%，可以看出拉力測(cè)試值分布均勻，狀態(tài)穩(wěn)定。

5 結(jié)論

1）陶瓷基板上自動(dòng)金絲鍵合，金絲變形度太?。ㄔ试S的最低值為20%）＜22%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鍵合不上或者鍵合點(diǎn)脫鍵；當(dāng)金絲變形度＞22%時(shí)，鍵合強(qiáng)度會(huì)隨著金絲變形度的增大而減小，金絲變形度太大，會(huì)造成鍵合點(diǎn)根部受損。

2）陶瓷基板上自動(dòng)金絲鍵合，相對(duì)超聲功率太?。?%時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鍵合不上；當(dāng)超聲功率＞5%時(shí)，金絲鍵合和鍵合點(diǎn)形貌都滿(mǎn)足要求；相對(duì)超聲功率在5%～7%范圍內(nèi)，金絲鍵合強(qiáng)度會(huì)隨著超聲功率的增大而增大；當(dāng)相對(duì)超聲功率＞7%時(shí)，鍵合強(qiáng)度基本是隨著超聲功率的增大而減??；超聲功率對(duì)鍵合的影響較大。

3）陶瓷基板上自動(dòng)金絲鍵合，超聲時(shí)間太?。ㄔ试S的最小值為2 ms），會(huì)導(dǎo)致鍵合不上；當(dāng)超聲時(shí)間＞3 ms時(shí)，金絲鍵合和鍵合點(diǎn)形貌都滿(mǎn)足要求，金絲鍵合強(qiáng)度會(huì)隨著超聲時(shí)間的增大而減小。超聲時(shí)間對(duì)鍵合的影響較小，超聲時(shí)間在很大的變化范圍內(nèi)，鍵合強(qiáng)度變化基本成平緩態(tài)勢(shì)。

4）陶瓷基板上自動(dòng)金絲鍵合，鍵合壓力太?。?.06 N時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鍵合不上或者脫鍵；當(dāng)鍵合壓力＞0.06 N時(shí)，金絲鍵合和鍵合點(diǎn)形貌都滿(mǎn)足要求，金絲鍵合強(qiáng)度基本上會(huì)隨著鍵合壓力的增大而減小。鍵合壓力在一定的范圍內(nèi)0.12～0.18 N，鍵合強(qiáng)度變化基本成平緩態(tài)勢(shì)。

5）通過(guò)正交試驗(yàn)得出陶瓷基板上自動(dòng)金絲鍵合的優(yōu)化參數(shù)，鍵合形貌好，一致性高。拉力測(cè)試值分布在0.109 8～0.136 6 N范圍內(nèi)，平均值為0.122 3 N。根據(jù) C PK 值的判斷， C PK ＞2.0為A ++ 級(jí)，可見(jiàn)鍵合狀態(tài)穩(wěn)定，一致性好。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方差、均值和西格瑪可以看出，拉力測(cè)試值分布均勻，狀態(tài)穩(wěn)定。

在實(shí)際生產(chǎn)中，不同的基材對(duì)應(yīng)不同的鍵合參數(shù)。根據(jù)本文的試驗(yàn)方法進(jìn)行了大量試驗(yàn)，結(jié)合日常生產(chǎn)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，給出不同鍵合基材的自動(dòng)鍵合參數(shù)的參考范圍見(jiàn)表13。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了陶瓷基板上自動(dòng)鍵合各參數(shù)對(duì)鍵合形貌、一致性和可靠性的影響，也通過(guò)正交試驗(yàn)給出了優(yōu)化參數(shù)組合。在實(shí)際工作中要根據(jù)實(shí)際情況，綜合其他各種因素，如原材料、劈刀、溫度和前道工序工藝等都會(huì)對(duì)自動(dòng)鍵合造成影響。所以，要根據(jù)試驗(yàn)，采取最優(yōu)化組合，從而提高鍵合的可靠性和一致性。

審核編輯：劉清