金丝球焊工艺参数优化

金丝球焊工艺参数优化

廖希异

廖希异

中国电子科技集团公司第二十四研究所重庆400030

摘要：金丝键合作为混合微电路组装中芯片电气互联方式的关键技术被广泛应用。最优化的键合参数是批量生产实现键合高可靠性、高质量、高效的重要保障。本文作者采用正交试验法安排在两种不同型号键合机上完成了金丝球焊第二点工艺参数优化，并进行了实验验证，得到了适用于25um金丝球焊的工艺参数。

关键词：正交试验法；金丝球焊；工艺参数优化

1、引言

键合是通过施加压力、机械振动、电能或热能等不同能量与焊接头，形成连接接头的一种方法。在混合集成微电路的组装过程中，大量采用引线键合进行电气互连。因此，对引线键合工艺设计的第二点参数开展研究，并且得到参数敏感度和重要性的排列顺序，是提高混合集成微电路产品质量和可靠性的关键技术。

金丝球焊键合的主要参数有超声功率、键合压力、键合时间、键合温度。键合第二点参数异常，会出现飞丝、不粘等现象。正是由于影响键合因素多，且出现问题分析起来难度较大，如果所调试的工艺参数无法满足大批量生产时，再对第二点键合参数进行调试或使用材料和设备进行更改，则需要技术人员具有丰富的键合经验，且费时，影响生产效率和产品质量。工艺参数的组合众多，技术人员仅凭经验难以得到最优的键合工艺参数。本研究将正交试验方法用于两台键合机的参数优化，得出了优化后的工艺参数，进行了优化后参数键合质量的可靠性验证，并得出了出现键合第二点异常情况时的解决方案。

2、键合工艺参数优化

本论文主要的目的在于对直径25um金丝球焊键合在XX和YY键合机上进行第二键合点优化，同时分析各参数对键合强度的影响程度。键合质量首先以金丝的拉力测试值来评价，初始拉力值越高，说明参数越接近最优化参数。

在工艺参数优化过程中，影响因素的取值范围相当重要。根据理论和以往经验，确定影响键合强度的主要因素为超声功率、键合压力、键合时间、键合温度。由于经验参数值能够键合强度较稳定，故只针对超声功率（USP）、键合压力（BF）、键合时间（UST）三个因素进行进一步优化，XX键合机中简称为因子AXX，BXX，CXX；YY键合机中简称为因子AYY，BYY，CYY。在各因子的取值范围内，每个因子在经验值范围内均匀地取3个水平，如表1所示。

表1正交实验的因素及水平

正交表的选择是正交试验设计的首要问题。从方便试验的角度出发，试验仅考虑各因素对键合强度的影响效果，不考虑各因素的交互作用。按照正交表的选择原则，在能够安排下试验因素和交互作用的前提下，尽可能选用较小的正交表，以减少试验次数。因此本实验选用L9（33）正交表。

3、结果与讨论

根据键合拉力测试结果，拉力值越大键合质量越高，由表2可以得到XX与YY键合的优化组合分别为：AXX（USP）=30BXX（BF）=50CXX（UST）=30；AYY（USP）=100BYY（BF）=50CYY（UST）=30。

表2正交实验结果

表2中所示R为极差，极差的大小反映了因素水平改变时对试验结果的影响大小。这里因素的极差是指各水平平均值的最大值与最小值之差。从表3的计算结果看，XX中三种因素水平的变化对试验结果的影响程度为：B>A>C，即压力的影响最大；YY中三种因素水平的变化对试验结果的影响程度为：A>B>C，即超声的影响最大。即使在不同的键合机中，超声和压力仍是影响键合强度的主要因素。这一实验结果也在实践中得到了验证。

同时由图1可以看出XX键合机三因素的最好水平为：AXX1BXX2CXX2；由图2可以看出YY键合机三因素的最好水平为：AYY2BYY2CYY3。

图1图2

为了保证键合第二点键合质量，在第二点键合参数优化的条件下，仍有可能会出现因为送线系统异常、键合界面沾污及厚度异常引起飞丝问题，从而严重影响键合可靠性。此时，结合前面各因素对键合质量影响的灵敏度，并针对飞丝或不粘异常况及第二点键合界面进行仔细观察。通过以下方法进行了排查：

a.若穿丝过程出现金丝崩断，则考虑送线系统异常，可通过逐步清洗送线系统得以解决；

b.若显微镜下观察键合界面有明显沾污，则可通过清洗、前工序控制等方法排除；

c.若第二键合焊盘材料厚度出现异常，则根据飞丝现象对键合各参数根据其灵敏度在一定范围内微调，以适应第二键合点界面。

最终我们得到了XX与YY第二键合点的最终优化参数分别为：AXX（USP）=35BXX（BF）=50CXX（UST）=30；AYY（USP）=100BYY（BF）=55CYY（UST）=30。

4、结果验证

分别针对XX、YY键合机进行了优化后参数的300°1h可靠性实验验证，实验结果如表3所示。XX键合机的拉力平均值为13.083g；YY键合机的拉力平均值为14.1g，拉力值均大于1.5g，满足GJB548相关要求。

表3验证试验实验结果

5、结论

本论文采用了正交分析法对XX键合机及YY键合机25um金丝球焊第二键合点的主要参数进行了优化试验，分析了各参数的敏感度和重要性，通过实验验证了正交试验法参数优化所得到的参数，并对优化后参数进行键合时会出现的部分异常情况进行了分析。按照优化后的参数进行键合的键合丝键合强度一致性好，且满足GJB548B-2005要求。本论文说明在了解工艺参数（超声功率、压力、时间）的一定范围时，采用正交试验法可以高效寻找到键合工艺参数的最优解，再结合一定的键合相关实践经验能够很好地保证键合质量。这对采用正交实验法确定其他优化工艺参数方面，具有一定的参考意义。

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