基于正交试验的金丝键合工艺参数优化_宋云乾

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Electronics Process Technology

电子工艺技术

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。

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

( 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 in? uence of bonding parameter on the bonding quality. The orthogonal experiment design method is applied to experimental study on parameter optimization which in? uences the ? rst bond quality, determine the combination of optimal parameter, improve the reliability of the wire bonding.

Key Words: Gold wire bonding; Parameter optimization; Orthogonal experiment designDocument 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。

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

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

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75

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

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。

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

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。

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）。

表１　金丝键合正交试验因素水平表因素超声功率Ｐ／Ｗ超声时间ｔ／ｍｓ劈刀压力Ｆ／Ｎ键合温度θ／℃

１１６５４００．１８８０

水平２１５５３５０．２０１００

３１４５３００．２２１２０

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

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

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

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３．２．２　响应设计

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2014年3月

由表3计算出的极差值可知，极差大小顺序为

在金丝键合质量评估中，重点考察的是金丝键合强度。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L9（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。

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

Ｐｔ／ｍｓＦ／Ｎθ／℃Ｆ／Ｎ

１１６５４００．１８８００．０７３　３２１６５３５０．２０１０００．０６７　３３１６５３００．２２１２００．０７０　７４１５５４００．２０１２００．０７８　０５１５５３５０．２２８００．０６０　０６１５５３００．１８１０００．０６８　９７１４５４００．２２１０００．０６３　１８１４５３５０．１８１２００．０８２　９９１４５３００．２０８００．０５５　２　　　注：超声功率１　０００相等于２．５　Ｗ

RD＞RB＞RA＞RC。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 ℃。

０．０８

０．０８

拉力值Ｆ／Ｎ

０．０６

拉力值Ｆ／Ｎ

１６５　　　　　１５５　　　　　　１４５

０．０７０．０７

０．０６

０．０５０．０５

４０　　　　　　　　３５　　　　　　　　３０

超声功率Ｐ

注：超声功率１　０００相等于２．５　Ｗ０．０８

０．０８

超声时间ｔ／ｍｓ

拉力值Ｆ／Ｎ

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

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，极差分析计算结果如表3所示。

表３　极差分析计算结果

因素试验结果

水平劈刀压力键合温度拉力平均值超声功率Ｐ超声时间ｔ／ｍｓＦ／Ｎθ／℃Ｆ／Ｎ１１６５４０１８８００．０７３　３２１６５３５２０１０００．０６７　３３１６５３０２２１２００．０７０　７４１５５４０２０１２００．０７８　０５１５５３５２２８００．０６０　０６１５５３０１８１０００．０６８　９７１４５４０２２１０００．０６３　１８１４５３５１８１２００．０８２　９９１４５３０２０８００．０５５　２均值１６．５３３６．９９３７．０８３６．１６７　　　均值２７．０８３７．０５０６．６１７６．９１７　　　均值３６．７００６．３３３６．６１７７．２３３极差０．５５００．７１７０．４６６１．０６６极差顺序３２４１注：超声功率１　０００相等于２．５　Ｗ

０．０６

拉力值Ｆ／Ｎ

１８　　　　　　　２０　　　　　　　　２２

０．０７０．０７

０．０６

０．０５０．０５

８０　　　　　　１００　　　　　　１２０

劈刀压力Ｆ／Ｎ键合温度θ／℃

图１　各因子对键合强度的影响

３．３．２　方差分析与显著性检验

表3是通过极差的大小来评价各因素对金丝键合强度影响的大小和顺序，但是为了考察极差要小到什么程度时可认为该因素水平变化对可靠性无显著影响，需要采用正交法的方差分析对有关数据进行方差分析，以得出方差因素水平的显著性对比。

表４　方差分析计算结果

方差来源超声功率超声时间劈刀压力键合温度误差总和

偏差平方和０．４７７０．８８７０．４３６１．８０１３．６７．２０１

自由度２２２２８１６

Ｆ比０．５３００．９８５０．４８４２．００１

Ｆ临界值显著性８．６５０８．６５０８．６５０８．６５０

不显著显著不显著最显著

从表4可以看出，四个因素的显著性排序为

RD＞RB＞RA＞RC，与上述极差分析结果一致。３．３．３　验证试验

将最佳工艺参数组合A2B2C1D3，重复试验多次，测得拉力平均值为0.08.6 N，高于（下转第１２１页）

第35卷第2期

参考文献：

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ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｄｉｏｘｉｄｅ　ａｎｄ　ｓｕｌｆｕｒ　ｄｉｏｘｉｄｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｐｐｅｒ　ａｔ　ｌｏｗ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｈｕｍｉｄｉｔｙ　ｖａｌｕｅｓ　［Ｊ］．

［８］Ｗａｔａｎａｂｅ　Ｍａｓａｍｉｔｓｕ，　Ｈｉｇａｓｈ　Ｉ　Ｙａｓｕｈｉｒｏ，　Ｔｏｈｒｕ　Ｔａｎａｋａ．　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｓ　

ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｆｏｒｍｅｄ　ｏｎ　ｃｏｐｐｅｒ　ｅｘｐｏｓｅｄ　ｉｎ　Ｔｏｋｙｏ　ｉｎ　ｓｕｍｍｅｒ　ａｎｄ　ｗｉｎｔｅｒ［Ｊ］．Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００３，４５：１４３９－１４５３．［９］Ｌｅｎｇｌｅｔｍ，　Ｌｏｐｉｔａｕｘ　Ｊ，　Ｌｅｙｇｒａｆｃ，　ｅｔ　ａｌ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ　

ｆｏｒｍｅｄ　ｏｎ　ｃｏｐｐｅｒ　ｉｎ　Ｈ２Ｓ／Ｃｌ２／ＮＯ２　ｅｘｐｏｓｕｒｅ［Ｊ］．　Ｊｏｕｍａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，１９９５，１４２（１１）：３６９０－３６９６．

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ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｐｐｅｒ　Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｈｕｍｉｄｉｆｙ，　ｓｕｌｆｕｒ　ｄｉｏｘｉｄｅ，　ｏｚｏｎｅ　ａｎｄ　ｎｉｔｒｏｇｅｎ　ｄｉｏｘｉｄｅ［Ｊ］．　Ｊｏｕｍａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，　２０００，１４７（７）：２５４３－２５５１．

［１１］Ｌｏｂｎｉｇｅｒｅ，　Ｓｉｃｏｎｏｌｆｉｄ　Ｊ，　Ｍａｉｓａｎｏ　Ｊ，　ｅｔ　ａｌ．　Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ　ｏｆ　ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　

ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｐｐｅｒ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｅｎｃｅ　ｐｆ　ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ　ａｍｍｏｎｉｕｍ　ｓｕｌｆａｔｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ａｔ　３００　ａｎｄ　３７３Ｋ［Ｊ］．　Ｊｏｕｍａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ，　１９９４，１４１（１１）：２９３５－２９４１．

收稿日期：2014-01-18

（上接第７６页）表2中的最高键合强度0.829 N，证明了参考文献：

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［５］雷斌．　金丝键合工艺技术研究［Ｊ］．　电子工艺技术，２０１２，３３

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［６］吴懿平．　引线键合原理与工艺［Ｊ］．　环球ＳＭＴ与封装，２００７（７－

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［７］旷仁雄，谢飞．　２５μｍ　Ａｕ丝引线键合正交试验研究［Ｊ］．　半导体

技术，２０１０，３５（４）：３６９－３７２．

收稿日期：2014-01-04

工艺参数的优化结果与实际相符。与正交试验基本一致, 证明工艺条件稳定可行。

４　总结

键合工艺参数的优化对于提高键合质量乃至微波多芯片组件质量都起着十分重要的作用。影响金丝键合质量的因素主要有超声功率、超声时间、键合压力、键合面温度。本文采用正交试验方法，对25 μm金丝键合第一键合点质量的工艺参数优化进行了试验研究，确定了最优化的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，键合面温度为120 ℃。　　　

（上接第１１３页）通过调用Android系统的SurfaceFlinger服处，进一步增加了代码被破解的难度，提升了系统安全性。因此这套方案具有较高的实用和推广价值。参考文献：

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２０１１．

［２］柯元旦．　Ａｎｄｒｏｉｄ内核剖析［Ｍ］．　北京：电子工业出版社，２０１１．

收稿日期：2014-02-24

务实现了提示信息的显示功能。

４　结束语

采用ALPU-M3加密芯片，为OTT机顶盒乃至嵌入式系统提供的软件加密方案是一种低成本且实用可靠的解决方案。通过在Android上将芯片驱动代码和加密运算代码分别放在Uboot、内核和应用程序三