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BJ820自动金丝键合工艺参数优化

作者:王安瑞 来源:科学与财富 202019期 时间:2020-11-17

摘要:本文介绍了BJ820自動金丝键合机的特点,阐述了影响自动键合金丝质量和可靠性的主要工艺参数,包含金丝形变量、超声能量、焊接压力、焊接时间等,分析了每个工艺参数...

  摘要:本文介绍了BJ820自動金丝键合机的特点,阐述了影响自动键合金丝质量和可靠性的主要工艺参数,包含金丝形变量、超声能量、焊接压力、焊接时间等,分析了每个工艺参数对键合的影响规律,得出了自动键合工艺参数的参考范围,通过正交试验的方法优化了工艺参数,提高了自动键合焊接的可靠性和质量,对自动键合实际生产具有一定指导意义。

  关键词:自动键合;工艺参数;可靠性;正交试验

  1.? 概述

  在微电子行业中,导电连接主要以焊接连线来完成,超声波焊接利用高于听得见的限度的频率的摩擦来制造连线,这就是BONDJET820自动键合机的工作方法。随着半导体电子封装技术的不断发展,我所微组装产品越来越多,微波组件不断向小型化、高密度、高可靠性、高性能、高效率和大批量方向发展。自动化生产已成为一种未来趋势,为顺应发展,我所采购了BJ820全自动键合机来满足生产需求,自动化生产可满足高一致性、高可靠性和高效率的金丝焊接,因此对自动键合工艺参数的研究和优化是非常必要的。

  2.? BJ820自动金丝键合的特点

  自动键合技术主要采用编程来执行相应的程序动作。自动键合工艺过程包含图像识别和键合。BJ820程序编程主要涉及参照系PR及Point设置、Teachwire连线设置、Teachboard/Chip多腔或多芯片设置、焊接工艺参数设置等。它具备以下特点:

  (1) 它是一个有4个精确的快速运动轴线的灵活系统。它具有X和Y轴线可在305mm×410mm(12”×16”)工作范围内移动焊头,Z轴线的工作量程为30mm,P轴线可在420°范围内旋转。

  (2) 能处理12.5um~85um线径焊线和6um×35um至25um×250um线带。

  (3) 图像识别系统配有一个CCD相机,识别精度可达正负1微米。基板和芯片上的对位点和参照图像可教定和自动识别,保证高质量的效果和自动化生产,芯片位子和型号错误可被识别到。

  (4) 键合金丝一致性好、可靠性高、生产效率高,可连续实时监控键合质量。

  4.? 实验与结果分析

  4.1???? 金丝变形量对键合的影响

  自动键合金丝变形量是指当达到最大焊接时间或者设定变形量后,焊接工序停止。首先对金丝变形量进行单一量研究。据表一设定的实验定量值,把超声能量设置为15%,超声压力设置15cN,超声时间设置45ms进行实验。采取设定一个金丝变形量的实验范围值,确定12个变量,每个变量键合6根金丝,得出平均拉力值。

  3.实验方法

  本次实验主要采用控制变量法进行研究。基于BJ820自动键合设备,选取陶瓷薄膜基板,采用延展率2%~6%,含金量99.99%,直径为25um的金丝,型号为TSCLHD-1/16-1”-45-CG-2015-M的劈刀,热台温度设置110℃。选定金丝变形量、超声能量、焊接压力、焊接时间等关键工艺参数作为实验对象,采用控制单一变量的方法来进行实验设计。通过镜检和拉力测试的方法设计响应机制,得出该单一变量对金丝键合质量可靠性的影响,得出拉力较优范围值。在设计正交试验,得出优化后的工艺参数组合,进行实验验证,并得出结论。

  通过实验,把不同金丝变形量的各组金丝进行镜检以及使用FMF1200拉力剪切力设备进行检验,根据实验结果分析,发现当金丝变形量小于16%时,拉力值为0,两点焊点都焊接不上。当金丝变形量大于16%时,金丝拉力值都满足国军标要求。当金丝变形量增大到45%时,键合拉力值最佳,平均拉力值达到7.3g。随着金丝变形量的继续增大,在40倍镜下发现,键合焊点形变逐渐变大,金丝根部受损越来越严重,平均拉力值逐渐下降。

  根据以上实验,在超声能量、超声压力、超声时间一定时,可以得出金丝变形量设置范围在33%~48%较合适,键合拉力值较好。

  4.2???? 超声能量对键合的影响

  自动键合超声能量采取的是超声波发生器最大有效输出值的一个百分比来编制的,超声波频率直接影响焊接摩擦效果。据表一设定的实验定量值,把金丝变形量设定35%,超声时间设定45ms,键合超声压力设置15cN,对超声能量进行单一变量研究。采取确定一个超声能量的范围值,

  设定12个变量,每个值对应键合6根金丝进行拉力测试,得出平均拉力值。

  经过实验,得出对应值的超声能量的6根金丝拉力值的平均值如下表。

  通过实验,把不同焊接压力下的各组金丝进行镜检以及使用FMF1200拉力剪切力设备进行检验,可根据实验结果分析,发现当焊接压力小于7cN时,拉力值为0,两点焊点都焊接不上。当焊接压力大于7cN时,金丝拉力值都满足国军标要求,但是随着焊接压力大于29cN后,设备出现报错6368代码,设备弹出对话框需要增加探头下坠速度或增加下降

  接触力。在40倍镜下发现,键合焊点形变已经非常大,金丝根部受损很严重。

  根据以上实验,在超声能量、金丝形变量、超声时间一定时,可以得出焊接压力设置范围在15%~27%之间较合适,键合拉力值较好。

  4.4焊接时间对键合的影响

  焊接时间是指劈刀与键合表面作用时间长短,作用时间过短可能导致虚焊或焊接不上,作用时间过长可能导致变形量太大或金丝根部受损。自动键合焊接时间可自由编排或取决于达到的变形量而停止。同样对焊接时间进行单一量研究。据表一设定的实验定量值,把超声能量设置为15%,超声压力设置15cN,金丝变形量设置35%进行实验。设定一个焊接时间的实验范围值,确定12个变量,每个变量键合6根金丝,得出平均拉力值。

  通过实验,把不同超声能量的各组金丝进行镜检以及使用FMF1200拉力剪切力设备进行检验,可根据实验结果分析,发现当超声能量小于8%时,拉力值为0,两点焊点都焊接不上。当超声能量大于10%时,金丝拉力值都满足国军标要求,当超生能量的增大到16%时,键合拉力值最佳,平均拉力值达到6.7g。随着超声能量的继续增大,键合焊点形变逐渐变大。在40倍镜下发现,当超声能量达到30%时,金丝根部变薄受损严重,平均拉力值逐渐下降。

  根据以上实验,在金丝变形量、超声压力、超声时间一定时,可以得出超声能量设置范围在16%~22%较合适,键合拉力值较好。

  4.3焊接压力对键合的影响

  自动键合焊接压力是以cN单位来编排的。焊接压力对金丝焊盘的变形起着关键作用。同样对焊接压力进行单一量研究。据表一设定的实验定量值,把超声能量设置为15%,金丝变形量设置35%,超声时间设置45ms进行实验。设定一个超声压力的实验范围值,确定12个变量,每个变量键合6根金丝,得出平均拉力值。

  经过实验,得出对应值的焊接压力的6根金丝拉力值的平均值如下表。

  经过实验,得出对应值的焊接时间的6根金丝拉力值的平均值如下表。

  通过实验,把不同焊接时间下的各组金丝进行镜检以及使用FMF1200拉力剪切力设备进行检验,可根据实验结果分析,发现当焊接时间小于6ms时,拉力值为0,两点焊点都焊接不上。当焊接时间大于10ms时,键合拉力值满足国军标要求。随着焊接时间的继续增大,一直增加到130ms,发现对焊接拉力值基本没影响。

  根据以上实验,在超声能量、金丝型变量、超声压力一定时,可以得出焊接时间对键合质量的影响较小。通常设置20~50ms之间即可,键合拉力值较好。

  5.? 参数优化

  通过以上实验,得到四个关键工艺参数较优范围(取平均拉力值大于6g)见表十。接着设计正交试验,从中选取有代表性的4个水平值,来优化

  基于陶瓷薄膜上自动键合的工艺参数。设计4因素4水平的正交试验方法,试验方案见下表十一:

  根据正交试验的原理,采用L16(44)正交表安排4因素4水平的正交试验,每组参数键合12根金丝,并得出键合工艺参数因素水平正交设计表及实验结果,如表十二所示。

  接下来计算出极差值R。极差分析法,是利用整理统计方法计算出正交表中每列的极差值,从而可以解决以下两个问题:(1)求最佳水平组合;

  (2)求影响因素的主次顺序。某个因素的极差定义为该因素的最大水平和最小水平之差,极差大表明该因素大,是主要因素;极差小说明该因素的影响小,为次要因素。极差分析计算结果如表十三所示。

  由表十三实验计算出的极差值R可得,极差大小顺序为B>A>C>D。影响金丝键合强度因素的大小顺序为超声能量,其次是金丝变形量,再次是超声压力和焊接时间。此外还得出在陶瓷薄膜基板上的金丝键合最佳工艺参数水平组合为A2B2C2D2,即金丝变形量值为37%,超声能量为17%,焊接压力为18cN,超聲时间30ms。

  接着采取优化参数组合A2B2C2D2进行实验验证,在陶瓷薄膜基板上打120根金丝,并进行数据分析。

  通过优化参数实验得出下面数据分析结果如表十四。

  通过以上数据分析,金丝拉力失效模式基本一致如图十,得出了拉力主要分布在6.518~7.7728g范围内,拉力平均值在7.106g,满足要求。标准方差0.448,说明金丝拉力偏离中心平均数值不明显,效果较好;Cpk值1.57,处于1.67与1.33之间,评判等级A级,为能力良好,状态稳定,效果较好。

  6.? 结论

  通过本次试验,在基于陶瓷薄膜基板、劈刀型号、金丝特性、BJ820设备一定的情况下,通过采取控制变量法,对超声能量、金丝变形量、超声压力及超声时间进行单一定量研究,得出结论如下:

  同时通过正交试验的方法,得出在陶瓷薄膜基板上的优化工艺参数水平组合如下:

  7.结束语

  自动化生产已成为一种未来趋势,它可满足高一致性和、可靠性和高效率的金丝焊接。本文研究了自动键合上各关键工艺参数对金丝形貌、一致性和可靠性的影响,通过正交试验得出了优化参数结论。但我们对自动键合的基础研究还远远不够,比如下触参数,线弧运动轨迹参数,扯线参数、焊接2段或3段补偿参数、线夹与劈刀之间的位置关系等,还包含劈刀型号选择、金丝特性选择、前后道工艺影响因素等,都会对金丝键合质量带来影响。所以,在实际生产中,要根据实际情况采取对应实验措施,优化工艺参数,从而保证键合质量及可靠性。

  参考文献:

  [1]Hesse&Knipps.BJ820超声波键合压焊机33100Paderborn2006.[2]韩雷.微电子封装超声键合机理与技术.北京:科学出版社,2014.[3]刘文卿.实验设计/正交试验设计.北京:清华大学出版社,2005.[4]恩云飞.电子元器件失效分析技术.北京:电子工业出版社,2015.

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