基于正交试验的金丝键合工艺参数优化_宋云乾

极差分析方法，是利用数理统计方法计算出
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
平与最小水平之差，极差大表明该因素影响大，是
主要因素；极差小说明该因素的影响小，为次要因
素。根据表2中所示的键合强度拉力平均值，极差分
( AVIC Radar and Avionics Institute, Wuxi 214063�china )
Abstract: Gold Wire bonding is the critical technique for realizing the interconnect of microwave multichip module. Present the wire bonding process, and analyze the influence of bonding parameter on the bonding quality. The orthogonal experiment design method is applied to experimental study on parameter optimization which influences the first bond quality, determine the combination of optimal parameter, improve the reliability of the wire bonding.
析计算结果如表3所示。
表３ 极差分析计算结果
因素
水平
超声功率Ｐ
超声时间 ｔ ／ｍｓ
劈刀压力 Ｆ ／Ｎ
１
１６５
４０
１８
２
１６５
３５
２０
３
１６５
３０
２２
４
１５５
４０
２０
５
１５５
３５
２２
６
１５５
３０
１８
７
１４５
４０Fra Baidu bibliotek
２２
８
１４５
３５
１８
９
１４５
３０
２０
均值１
６．５３３
６．９９３
７．０８３
均值２
７．０８３
７．０５０
波多芯片组件质量都起着十分重要的作用。
１ 引线键合技术 引线键合技术就是指在专用设备上键合工具
（劈刀或楔）提供的热、压力和／或超声能量的共 同作用下，使用金属引线（金丝或铝丝）将芯片与 基板上相应的焊区位置连接（压焊）起来的一种电 气互连技术，是一个金属原子“扩散”、“嵌合” 的过程。根据能量的施加方式，引线键合工艺可以 分为三种：热压键合、超声键合和热声键合[4-6]。 热声键合因其同时使用热压和超声能量，可降低加 热温度，提高键合强度，有利于器件可靠性而逐步 取代热压键合和超声键合，成为当前的主流键合工 艺。根据键合工具的不同，引线键合主要有两种基 本形式：球键合与楔键合。 １．１ 球键合
关键词：金丝键合；工艺参数优化；正交试验 中国分类号：ＴＮ６０５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－３４７４（２０１４）０２－００７４－０４
Gold Wire Bonding Parameter Optimization on Orthogonal Experiment Design
SONG Yun-qian
金丝键合质量的优劣直接决定微波多芯片组件 的可靠性、稳定性乃至整体电性能。键合质量受控 于引线材料、键合面膜层质量、键合工艺参数等多 方面因素，不同工艺参数的设置及匹配会对键合质 量的形成构成显著影响。只有充分掌握工艺参数对 键合质量的影响规律，才可能在实际操作中准确协 调各工艺参数，使键合效果达到最佳状态。因此， 研究键合工艺参数的优化对于提高键合质量乃至微
０．０７８ ０
５
１５５
３５
０．２２
８０
０．０６０ ０
６
１５５
３０
０．１８
１００
０．０６８ ９
７
１４５
４０
０．２２
１００
０．０６３ １
８
１４５
３５
０．１８
１２０
０．０８２ ９
９
１４５
３０
０．２０
８０
０．０５５ ２
注：超声功率１ ０００相等于２．５ Ｗ
３．３ 试验数据分析
根据正交试验分析方法，分别从极差和方差角 度对数据结果进行分析。 ３．３．１ 极差分析
超声时间是指在键合点上施加超声功率和键合 压力时的时间。只有在合适的超声时间范围内才能 形成良好的键合，过短的时间会导致剥离，过长会
导致根切现象。其本质就是控制超声能量的输入。 ２．３ 键合压力
键合压力的作用就是使金丝与键合表面紧密 地接触在一起，是键合不可或缺的部分。键合压力 的大小将直接影响到换能系统的输出。在保证超声 功率与键合面温度等因素不变的条件下，在一定的 键合压力范围内，键合强度与键合压力的大小成正 比，其他范围则成反比。键合压力的大小还会影响 到键合界面是否发生滑移或微滑。 ２．４ 键合面温度
表１ 金丝键合正交试验因素水平表
因素
水平
１
２
３
超声功率Ｐ ／Ｗ
１６５
１５５
１４５
超声时间ｔ ／ｍｓ
４０
３５
３０
劈刀压力Ｆ ／Ｎ
０．１８
０．２０
０．２２
键合温度θ ／℃
８０
１００
１２０
电子工艺技术
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Electronics Process Technology
2014年3月
３．２．２ 响应设计 在金丝键合质量评估中，重点考察的是金丝键
球键合一般采用直径75μm以下的细金丝，因为
作者简介：宋云乾（１９７９－ ），男，毕业于北京大学，高级工程师，主要从事微组装与封装工艺技术研究工作。
第35卷第2期
宋云乾：基于正交试验的金丝键合工艺参数优化
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其在高温受压状态下容易变形、抗氧化性能好、成 球性好。金丝球键合的方式可以是热压键合或热超 声键合。金丝球键合的第一个焊点是球焊点，毛细 管劈刀可以自由移动，键合不受方向限制，因此它 比楔键合要快的多，适用于大批量生产的场合。但 目前金丝球键合的焊盘间距极限为50 μm，而且金 丝球键合需要光滑、洁净的焊区表面，表面的洁净 程度会影响引线键合的可靠性。 １．２ 楔键合
２ 键合工艺参数对键合质量的影响 影响引线键合质量的因素众多，从设备角度
看，它与超声功率、超声时间、键合压力等有关； 从被键合表面看，它与被键合表面清洁度、材料性 质、处理工艺等有关[7]。通过大量的试验研究发现， 影响金丝热声楔键合质量的最主要因素可以归结为： 超声功率、超声时间、键合压力、键合面温度。 ２．１ 超声功率
由表3计算出的极差值可知，极差大小顺序为 R D＞R B＞R A＞R C。即影响金丝键合强度因素的大 小顺序为键合温度最大，其次为超声时间，再次为 超声功率，最后为劈刀压力。此外由图1还可以得出 键合强度最高的金丝键合最佳工艺参数水平组合为 A2B2C1D3，即超声功率值为155，超声时间为35 ms， 劈刀压力为0.18 N，键合温度为120 ℃。
超声功率与键合强度的大致关系为：当超声功 率小于某一个值时，增加超声功率有利于提高键合 强度；当超声功率大于某一个值时，增加超声功率 将降低键合强度，并增加键合强度的离散程度。当 超声功率达到一定程度时，键合强度就变的毫无规 律。当超声功率处于上述两个值之间时，能够产生 比较稳定的具有足够强度的键合。 ２．２ 超声时间
６．６１７
均值３
６．７００
６．３３３
６．６１７
极差
０．５５０
０．７１７
０．４６６
极差顺序
３
２
４
注：超声功率１ ０００相等于２．５ Ｗ
键合温度 θ ／℃ ８０ １００ １２０ １２０ ８０ １００ １００ １２０ ８０ ６．１６７ ６．９１７ ７．２３３ １．０６６ １
试验结果 拉力平均值
Ｆ ／Ｎ ０．０７３ ３ ０．０６７ ３ ０．０７０ ７ ０．０７８ ０ ０．０６０ ０ ０．０６８ ９ ０．０６３ １ ０．０８２ ９ ０．０５５ ２
电子工艺技术
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2014年3月 第35卷第2期
基于正交试验的金丝键合工艺参数优化
宋云乾
（中航工业雷达与电子设备研究院，江苏 无锡 ２１４０６３）
摘 要：金丝键合是实现微波多芯片组件电气互连的关键技术。介绍了引线键合技术的基本形式，分析了 键合工艺参数对键合质量的影响。基于正交试验方法，通过对影响２５ μｍ金丝键合第一键合点质量的工艺参数 优化进行试验研究，确定最优化的工艺参数水平组合，达到提高金丝键合工艺可靠性的目的。
键合面温度能够帮助去除键合表面的污染物， 增加金属原子的活跃程度，有利于原子间的接合。 但是过高的温度会影响键合材料的物理和化学性 质；过低的温度则会导致键合强度偏低。只有合适 的键合面温度范围加上与之对应的键合压力和超声 功率才能产生满足强度要求的键合。键合面温度的 改变还会引起超声功率输出的变化。
表２ 金丝键合工艺参数优化正交设计表及试验结果
因素
试验结果
水平 超声功率Ａ 超声时间Ｂ 键合压力Ｃ 键合温度Ｄ 拉力平均值
Ｐ
ｔ ／ｍｓ
Ｆ ／Ｎ
θ ／℃
Ｆ ／Ｎ
１
１６５
４０
０．１８
８０
０．０７３ ３
２
１６５
３５
０．２０
１００
０．０６７ ３
３
１６５
３０
０．２２
１２０
０．０７０ ７
４
１５５
４０
０．２０
１２０
合强度。因此，在每次试验后，需要做破坏性的拉 力测试。本试验采集的键合强度两点拉力测试数据 均是在第一键合点颈部位置断裂的失效模式，这样 更有利于判断第一键合点的键合质量。 ３．２．３ 试验方案设计及结果
在明确了试验的输入（因子）和输出（响应） 后，需要设计试验的方案。根据正交试验设计的原 理，采用L 9（34）正交表安排4因数3水平的正交试 验，得出金丝键合工艺参数因数水平正交设计表如 表2所示。
０．０８
０．０８
拉力值Ｆ ／Ｎ 拉力值Ｆ ／Ｎ
楔键合的引线可以是金丝，也可以是铝丝。二 者的区别在于铝丝采用室温下的超声键合，而金丝 采用150 ℃下的热声键合。楔键合只能单向键合，即 第二键合点的位置必须要在第一键合点的轴线上， 并且在第一键合点的后面。因此，其键合速度比球 键合要慢的多，但它具有更小间距键合能力。由于 在楔键合过程中不会出现焊球，其形成的焊点小于 球键合，这有利于提高微波电路的性能，特别适用 于微波器件、微波多芯片组件的封装。
与球键合相比，楔键合一直是焊点节距最细 的引线键合方法，主要是因为在楔键合中，键合 区引线变形只有20％～30％，而球键合中则达到 60％～80％。此外，楔键合工艺中，引线的拱高（引 线弓形较平）和跨距均小于球键合工艺，更容易控制 引线几何形状，而且楔键合的成品率高于球键合。
因此，在微波多芯片组件中，通常采用热声金 丝楔键合互连工艺。
Key Words: Gold wire bonding; Parameter optimization; Orthogonal experiment design Document Code: A Article ID: 1001-3474,2014,02-0074-04
金丝键合是实现微波多芯片组件电气互连的关 键技术。在微波多芯片组件中，通常采用金丝键合 技术，实现单片微波集成电路（MMIC）、集总式电 阻和电容等元器件与微带线、共面波导的互连，以 及微波传输线之间或与射频接地面的互连[1-3]。虽然 倒装芯片和载带自动焊技术发展迅速，但金丝键合 具有工艺简单、价格低廉、热膨胀系数小等优点， 在航空航天领域的微波多芯片组件中具有突出的应 用价值。
３ 金丝键合互连工艺参数的正交试验研究
３．１ 正交试验方法 正交试验是多因子试验中最重要的一种设计方
法。它是根据因子设计的分式原理，采用由组合理 论推导而成的正交表来设计试验，并对结果进行统 计分析的多因子试验方法。正交试验设计基于一定 的规则设计正交表，确保以最小数目的试验获得全 因子试验中影响性能参数的全部信息。采用正交试 验设计金丝键合工艺参数组合，可减少试验次数和 成本，只需在所有可能的金丝键合工艺参数组合中 挑选一小部分因子组合进行试验，即可确保以最少数 目的试验获得全部试验中影响性能参数的全部信息。 ３．２ 试验过程
本试验研究的目的是通过对影响25 μm金丝键 合第一键合点强度的工艺参数进行正交试验，确定 最优化的工艺参数水平组合，达到提高键合工艺可 靠性的目的。 ３．２．１ 因子设计及初始参数
根据金丝键合实际应用工艺，选取影响金丝键 合强度的四个关键因素为：超声功率、超声时间、 键合压力、键合面温度。四个因素均选取三个水 平，如表l所示（因素是指影响试验结果的原因，水 平是指试验中因素所设定的不同量或质的级别）。