铜线键合二焊点参数正交试验探析

杨千栋，崔卫兵，宋玉，殷娟

天水华天科技股份有限公司

摘要：

本文研究了影响二焊点键合力大小的关键因素：超声功率（A）、压力（B）、研磨次数（C）、振幅（D）、频率（E）对二焊点拉力的影响程度，采用正交试验法分析研究，得出各因素影响力大小为 D＞B＞A＞E＞C，较优化的工艺方案为“A 1 B 1 C 1 D 2 E 2 ”。得出线性回归模型为 Y=12.026-0.012A-0.017B-0.005C-0.174D-0.001E。通过实际验证，理论分析与实际相吻合。以上理论依据为 20μm 铜线键合的二焊点参数应用提供了指导方法。

0 引言

引线键合是用金、铜、银等导线将粘在引线框架上的芯片与框架（或芯片与芯片、焊点与焊点）管脚连通，即芯片通过管脚与外部电路形成通路，来发挥其功能。压焊过程包括 4 个阶段，打火烧球，第一焊点焊接，线弧成型，第二焊点焊接。本文重点分析影响二焊点的主要参数因子：键合功率（USG）、压力（Force）、研磨次数（Scrub cycle）、振幅（Amplitude）、频率 （Frequency）。先确定 3 个因子水平，采用20μm 铜线进行正交实验，通过对二焊点参数、极差、方差及各因子间的交互作用的分析，排序影响二焊点键合强度的因素，建立线性回归模型，优化工艺方案，验证优化后的工艺方案并得出结论。

1 试验过程

1.1 键合方式

引线键合通常分为三种方式：热压键合、超声键合、超声热压键合 [1] ，本文选取 20μm 铜线采用超声热压键合方式进行研究。压焊机使用的是业内主流的 K&S 公司 Connx Plus 全自动焊线机。

1.2 影响二焊点键合工艺质量的参数分析

本文选取影响二焊点键合参数的如下几个因素作为主要研究对象：键合功率、压力、研磨次数、振幅、频率 [2] 。其中，超声功率起到了两个方面的作用：超声软化和摩擦 [3] ，金属在超声激励下强度和硬度减小的现象称为超声软化。在超声软化的作用下，金属会在相对较低的应力下变形。在高速运动的情况下，还与接触时劈刀尖端的抖动（即二焊点研磨的次数、振幅和频率）有很大的关系 [4] 。此外焊接时间也是一项很重要的影响因素，在实际应用中，第二焊点焊接时间主要是由研磨次数、振幅、频率搭配组合来确定。本文采用正交试验对上述影响因素进行分析，综合运用极差法、方差法及线性回归法进行系统分析对铜线第二焊点键合强度的影响。

1.3 正交试验

为了优化制备方案，确定主要的影响因素，根据预试验及生产经验结果，以键合功率、压力、研磨次数、振幅、频率为考察因素，以键合强度拉力平均值为评价指标，每个因素分别取 3 个水平，见表 1。依据表 1 使用 JMP 软件中田口矩阵制表方法，选择 5个因素 3 水平的 L 27 （3 3 ）正交表进行实验，在表格中输入试验数据，正交试验结果见表 2。

注：本文中的引线键合是在镀银铜框架上进行，镀银厚度为 2～5μm，考察的键合拉力测试均是第一焊点颈部断裂的失效模式。其中 K 值指的是各因素各水平所对应的指标相加值。即 ：

K 1j = 因素所在的列中数码“1”所对应的指标值之和；K 2j = 因素所在的列中数码“2”所对应的指标值之和；K 3j = 因素所在的列中数码“3”所对应的指标值之和。

各因素水平变化对试验指标影响的大小，可用该因素各水平间的极差 R 表示。这是由于正交表是从全面试验中挑选出部分有代表的点进行试验，这些点具有“均匀”和“整齐”的特点。如表 2 所示，A 列上的拉力 K 1j 、K 2j 和 K 3j 的差异可认为主要是由 A 列上的不同水平引起的；同样 B 列、C 列、D列、E 列上的拉力间的差异也可认为主要是由 B列、C 列、D 列、E 列上的不同水平引起的。即某因素的极差大，就表明该因素对试验的指标影响大。因此由表 2 极差的大小可得各考察因素影响力大小为 D＞B＞A＞E＞C，由 K 值大小得到优化方案为 A1B1C1D2E2。文中所有的显著性检验的检验水准均为 0.1。

2 试验结果和分析讨论

2.1 试验结果分析

2.1.1 极差分析

从表 2 中可以看出，振幅的大小对于二焊点键合强度的影响最大，其次是压力、超声功率、频率，研磨次数影响较小。振幅在超声波换能器及设备变幅杆之间传输，对于需要焊接的材料来说是一个关键参数。超声波的效果取决于四个参数，即时间、功率、频率、振幅。前面的两个参数控制、调整和显示都很方便，也是日常操作中的重要调节参数。超声波振动的振幅（位移量）是超声波设备的关键指标，也是最难测量的一个物理量。对于超声波振动系统，主要的指标叫做超声波的声强 I。它是指在垂直于行进波的传播方向上每平方厘米每秒所传递的能量，即I=1/2ρcω 2 ξ 2 。其中：ρ 是材料的密度，C 是材料中超声波传播的速度，ω 是角频率，ξ 是超声波振幅，随着超声波振幅增大，超声波能量就以平方的关系成倍增大。这一结论和以往的理论研究结果一致 [5] 。

需要指出的是在实际生产中键合温度对于键合强度的影响也需要考虑，本文中已将键合温度固定，理论上在一定的区间内，键合温度越高拉力越大，键合温度越低拉力越小，产品可靠性也随之降低。

2.1.2 方差分析

为了更进一步了解影响键合强度各因素之间的差别，应用方差分析对表 2 的实验结果进行分析，见表 3。同极差分析结果，根据概率 P 值大小可得各因素影响力大小为 D＞B＞A＞E＞C。

2.1.3 考虑交互作用的方差分析与结果

考虑到 5 个因素之间的交互作用，将 5 个因素的交互作用引入方差分析进一步研究，分析结果如表 4 所示。

根据表 4 可知，SS 表示离差平方和，MS 表示均方误差，P 值的大小显示因素 A、B、C、D、E 均显著，因素 A、B、C、D、E 的较好水平分别为 A 1 、B 1 、C 1 、D 2 、E 2 ，又因为交互作用 A*B 也高度显著，可列二元表算出 A 和 B 两个水平组合下的平均结果，如表 5所示。

从表 5 可以看出 A 1 B 1 的搭配效果比较好，所以A 取 A 1 ，B 取 B 1 较好，其因素影响力大小为 D＞B＞A＞E＞C。因此，最后选择的较优作业条件为A 1 B 1 C 1 D 2 E 2 ，即键合功率为 60，压力 60，研磨的次数1，振幅 3，频率 300。

2.2 回归分析

从试验结果的考核指标可以看出，在一定的范围内拉力值会随着振幅的变化而变化，同时也会随着压力等其它因子的变化而改变，为了验证二焊点的拉力与键合功率、压力、研磨次数、振幅、频率的线性关系，进行了回归分析的试验。将拉力值对其影响较大的 A、B、C、D、E 因素建立线性回归模型如下：Y=12.026-0.012A-0.017B-0.005C-0.174D-0.001E。对回归方程进行线性相关检验，实际的检验结果见图 1。

由图 1 可看出本例回归方程代表样本数据的点基本在代表理论分布的对角线上，说明回归方程拟合效果较好。

由表 6 可以看出回归分析得出的结果 F 统计值为 4.951，P 值为 0.004，小于显著性检验水准 0.1，回归关系显著，即拉力值和振幅、压力、键合功率、频率、研磨次数在实验范围取值内有显著性的回归关系，回归方程有效。

2.3 验证试验

将优化后的工艺方案“A 1 B 1 C 1 D 2 E 2 ”重复试验 2次，测得的焊线拉力平均值为 10.17g，高于表 2 中的最大值 9.79g，验证结果与正交试验一致，证明工艺条件稳定可行。

3 结束语

20μm 铜线键合在半导体传统引线键合封装中广泛应用，确定对其二焊点键合的影响因素，找出优化工艺参数具有重要意义。本文中选取主要因素：振幅、压力、键合功率、频率、研磨次数以及之间的交互作用。在实验范围内各因素的影响大小为 D＞B＞A＞E＞C。以上理论依据，为进一步研究二焊点引线键合参数提供重要依据。例如，在实际工程应用中，已知研磨次数对二焊点的拉力影响因素较小，则不需要增加很多的研磨次数，既浪费生产效率，也不会起到预期的效果。依据研究结果，较优化的工艺参数方案为“A 1 B 1 C 1 D 2 E 2 ”，线性回归模型为 Y=12.026-0.012A-0.017B-0.005C-0.174D-0.001E。