（机械电子工程专业论文）超声引线键合过程俯仰振动的小波分析.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 摘要 本文以超声键合实验平台为基础，围绕劈刀安装长度、键合压力 等不同工艺参数对引线键合质量及超声换能系统的影响展开。利用 p s v - 4 0 0 m 2 扫描式多普勒测速仪及其信号采集系统对换能系统振 动、电信号加载情况进行了非接触精密测试和实时监测，并采用 d a g e 4 0 0 0 多功能焊接强度测试仪对键合强度进行检测；同时利用小 波分析方法对实验获取的振动及电信号进行了时频联合分析。主要内 容如下： ( 1 ) 通过大量实验，考察了工艺参数劈刀安装长度、键合压力 对超声引线键合强度的影响，发现了较好的劈刀安装长度及键合压力 范围。 ( 2 ) 研究了工艺参数劈刀安装长度、键合压力对换能系统特性 的影响，采用时域统计的方法描述了基板振动、换能系统振动( 本文 主要为变幅杆俯仰振动) 及其电信号加载状况在这两种工艺参数改变 时的变化情况；比较分析了超声引线键合强度与基板振动、换能系统 振动及其电信号加载状况的相对变化趋势。 ( 3 ) 针对单纯时域、频域分析方法的不足，采用小波分析方法 对劈刀不同安装长度、不同键合压力下基板振动、换能系统振动( 本 文主要为变幅杆俯仰振动) 及其电信号进行时频联合分析，展示了引 线键合过程中这些信号在时频面内各频率段的变化特征，为深入理解 隐含在时变加载过程内部的信息提供了途径。 本文以大量实验为基础，展示了劈刀安装长度、键合压力等工艺 参数对键合质量及换能系统特性的影响，为今后键合中劈刀安装长 度、键合压力的选择提供了参考，为键合动态模型的建立提供了依据。 关键词：超声引线键合、劈刀安装长度、键合压力、小波分析 a b s t r a c t t h i sp a p e rw a sb a s e do nt h eu l t r a s o n i cb o n d i n gf l a ta n di tw a sm a i n a b o u tt h ei n f l u e n c et ot h et h eb o n d i n gq u a l i t ya n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f u l t r a s o n i cw i r eb o n d i n gs y s t e mw h i c hc a m ef r o md i f f e r e n tc a p i l l a r y m o u n t e dl e n g t h e sa n db o n d i n gp r e s s u r e s t h ev i b r a t i o no fu l t r a s o n i c t r a n s d u c e ra n di t sp o w e ri n p u tw e r ec o l l e c t e db yp s v - 4 0 0 一m 2l a s e r d o p p l e rv e l o m e t e ra n di t ss i g n a lc o l l e c t i o ns y s t e m t h eb o n d i n gs t r e n g t h w a st e s t e db yt h ed a g e 4 0 0 0m a c h i n e t h es i g n a l so fv i b r a t i o na n d e l e c t r i c i t yw e r ea n a l y s e db y w a v e l e t t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e d ： ( 1 ) t h r o u g ham a s so fe x p e r i m e n t st h ei n f l u e n c et ob o n d i n gs t r e n g t h b yd i f f e r e n tc a p i l l a r ym o u n t e dl e n g t h e s a n db o n d i n gp r e s s u r e sw e r e o b s e r v e d ，a n dt h eg o o dr a n g e so fc a p i l l a r ym o u n t e dl e n g t h e sa n db o n d i n g p r e s s u r e sw e r eo b t a i n e d ，a tt h es a m et i m e s e v e r a le x p l a n a t i o n st ot h e p h e n o m e n aw e r eg i v e n ( 2 ) t h ei n f l u e n c et ob o n d i n gq u a l i t y a n dt h ec h a r a c t e r i s t i co f u l t r a s o n i cw i r eb o n d i n gs y s t e mw h i c hc a m ef r o md i f f e r e n tc a p i l l a r y m o u n t e dl e n g t h e sa n db o n d i n gp r e s s u r e sw e r ed i s c u s s e d t h ev i b r a t i o no f s u b s t r a t e ，u l t r a s o n i ct r a n s d u c e ra n di t se l e c t r o n i cs i g n a lw i t ht h ec h a n g e s o ft h et w oc o m p o n e n t sw e r ed e s c r i b e db yu s i n gt h et i m e - d o m a i ns t a t is t i c m e t h o d s t h ev a r i e t yt r e n do fu l t r a s o n i cw i r eb o n d i n gs t r e n g t h e sw i t ht h e v i b r a t i o no fs u b s t r a t e ，u l t r a s o n i ct r a n s d u c e ra n di t se l e c t r o n i cs i g n a lw a s d i s c u s s e d ( 3 ) b e c a u s e o ft h el i m i t a t i o no ft h e t i m e d o m a i no r f r e q u e n c y d o m a i nm e t h o d s ，w a v e l e ta n a l y s i s i su s e dt oa n a l y z et h e v i b r a t i o no fs u b s t r a t e ，u l t r a s o n i ct r a n s d u c e ra n di t se l e c t r o n i cs i g n a lw i t h d i f f e r e n t c a p i l l a r y m o u n t e dl e n g t h e so r b o n d i n gp r e s s u r e s i nt h e t i m e f r e q u e n c yd o m a i n t h i s w i l lo f f e ran e ww a yt ou n d e r s t a n da b o n d i n gp r o c e s s t h i sp a p e ri sb a s e do nag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t s t h ei n f l u e n c et o b o n d i n gs t r e n g t h ，c h a r a c t e r i s t i co fu l t r a s o n i cw i r eb o n d i n gs y s t e mb yt h e d if f e r e n t c a p i l l a r y m o u n t e d l e n g t h e s a n d b o n d i n gp r e s s u r e s w e r e c o m p a r e da n dd i s c u s s e d t h er e s u l t so ft h i s a r t i c l em a yb eh e l p f u lt o s e l e c tas u i t a b l ec a p i l l a r ym o u n t e dl e n g t ha n dt h em o d e l sp a r a m e t e r so f 中南大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h eu l t r a s o n i cw i r eb o n d i n g p r o c e s s k e yw o r d s ：u l t r a s o n i cw i r eb o n d i n g ， c a p i l l a r ym o u n t e dl e n g t h ， b o n d i n gp r e s s u r e ，w a v e l e ta n a l y s i s 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地方外，不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书 而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语 中作了说明。 作者签名： 同期：迎翌年垃月 皇f t 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部 分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或 湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规定中的任何一项，本人表 示同意，并愿意提供使用。 作者签名：导师签名： b 澎 只期：砬年垃月 中南大学硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 引线键合技术由美国贝尔实验室于1 9 5 7 年发明，是历史最悠久且目前应用 最为广泛的芯片内部连接技术n 1 。其中超声键合技术，由于其在常温下即可充分 去除金属表面氧化膜、不会因加热而损伤芯片，而在铝丝键合中得到广泛使用。 业界围绕针对影响高键合质量形成的各种因素的研究成为探索的重点。已有的针 对超声键合开展的研究工作显示，超声键合的核心组成部分一换能系统的工作状 况、不同工艺参数的匹配情况及不同键合材料等均会对键合质量的形成造成显著 影响伫啦! 。因此，只有准确记录换能系统的实际工作状况、工艺参数的最佳匹配 窗口以及不同键合材料的特性才能有效地提升键合质量。基于此，本文研究围绕 不同工艺参数下换能系统工作状况及对应键合质量变化情况展开，深入展示了其 中蕴含的变化情况，为进一步了解影响超声引线键合质量形成的因素提供了参 考。 1 2 超声引线键合相关研究概况 针对超声引线键合技术的研究工作，主要从两个层面展开。首先，作为一种 芯片互连方式，键合质量是衡量、评定键合效果的重要指标，因此，不同工艺参 数( 如：键合时间、键合压力、超声功率等) 对键合质量形成的影响一直是研究 的重点；另一方面，超声键合作为微电子封装制造领域的一项重要技术，围绕其 核心组成部分一换能系统的研究也是一个重要环节。超声引线键合是一个涉及超 声能量发生、传递、加载及超声振动的复杂动力学过程，因而准确掌握超声键合 机理、充分理解键合过程中不同因素对它的影响显得尤为重要，这也将为键合动 态模型的最终建立提供重要帮助。由于超声键合技术的重要性，中南大学近几年 来开展了大量有针对性的研究工作，并获得了一系列重要的结论。 实际应用中，用于键合的压电换能系统具有很多非线性因素。工作环境温度， 加载电压大小，以及键合工具和换能杆之间的连结松紧度的变化都会引起压电换 能器电学特性的改变。周宏权等的研究工作显示乜1 ，工作环境温度的变化会导致 换能系统共振频率发生变化；加载电压既会引起压电换能器共振频率的改变，也 会导致阻尼的增大；连结松紧度则对换能系统的机械共振频率基本上没有影响， 主要影响压电换能器的阻尼大小。许文虎的工作表明口1 ，劈刀与换能杆连接较松 时，系统谐振频率、机械品质因数、机电耦合系数等参数明显较小，远低于未安 中南人学硕上论文第一章绪论 装劈刀时系统的参数值，系统性能较差；而劈刀与换能杆连接紧密后，系统的各 项参数与未安装劈刀时系统的参数值很接近，且紧密程度继续增加对系统参数几 乎没有影响。因此，劈刀与换能杆应紧密连接，但连接紧密后再增加连接的紧密 度对系统已基本无影响。许文虎的工作还说明劈刀安装的不对称性引起了换能系 统性能的显著下降，只有当劈刀安装基本处于对称位置时换能系统才与劈刀阻抗 匹配的最好。广明安则通过实验n 1 ，发现劈刀的存在降低了换能系统的固有频率， 改变了换能系统的能量分布和耗散；肋环夹持状态不是改变换能系统谐振频率的 主要因素，在有劈刀存在时肋环系统主要表现为改变换能系统的能量分布。可见， 键合工具( 劈刀) 是直接作用于键合界面的子系统，是影响换能系统特性的主要 因素，是理解换能系统动力学特性的关键睛1 。根据课题组的研究成果，换能系统 动力学特性并非线性，宋爱军根据实验数据对超声换能杆末端轴向、俯仰、横向 三个方向的空载振动时间序列的关联维数和非线性判据进行了准确计算，结果表 明超声换能杆空载时测得其末端俯仰和横向振动中具有明显的非线性成份，而轴 向振动的非线性成分相对较少哺1 。课题组实验研究中非线性动力学方法的引入是 一个创新和特色，这为认识换能系统振动的复杂性及进一步深入研究键合机理提 供了新的框架。 上述大量为理解换能系统特性进行的空载测试实验为进一步开展研究奠定 了基础，同时，课题组开展了一系列超声引线键合实验。王福亮通过实验讨论了 超声功率对引线键合强度的影响：超声功率小于0 9 7 w 时，增大功率有助于键 合强度的提升；当超声功率大于1 5 3 w 时，增大功率将会导致欠键合，造成键 合强度下降；只有当超声功率适中，即在1 1 6 - 1 3 4 w 时，才能获得稳定且可靠 的键合强度n 1 。同时，他还就不同超声功率条件下键合时问对粗铝丝引线键合强 度的影响规律进行了研究，发现在小超声功率条件下键合强度对键合时间敏感， 而在大超声功率下敏感性下降；短键合时间下主要的失效形式为剥离及无粘接， 大超声功率长键合时间下的键合失效形式多为根切口引。隆志力通过实验研究了不 同温度对超声键合强度的影响规律，发现最佳键合窗口在2 0 0 2 4 0 ，温度过 低( 低于6 0 ) 或过高( 高于3 0 0 ) 都将导致键合不成功或键合强度偏低乜“捌。 高容芝改变劈刀松紧度实验结果显示，劈刀安装松紧度同样会对键合强度造成显 著影响，松紧度在增大过程中使键合强度出现了一个最佳键合窗口，即在松紧度 适中( 4 5 0 n m m ) 的情况下，键合强度才能达到最大阳1 。另外，他在改变键合 压力实验中发现键合强度随键合压力增大而增大并在键合压力1 4 2 1 7 5 之 间达到最佳键合，键合压力继续增大后键合强度下降陋朋1 。一系列研究工作显示， 过大或过小的键合工艺参数在一定意义上都会影响到系统的状态，使系统工作不 稳定，只有适中的工艺参数设置才能促成高键合质量的形成隅1 。 2 中南人学硕上论文 第一章绪论 以上工作均在中南大学微电子封装实验室超声键合平台上展开，该平台由键 合设备、数据采集监测设备、键合强度测试设备等一系列性能精良的实验装置构 成，保证了实验结果的准确、可靠。在积极开展实验测试的同时，课题组在分析 方法上也不断求新，高荣芝在分析换能系统电信号、变幅杆及劈刀末端振动时尝 试了小波分析方法，在时频面内展示了各类信号的变化规律，挖掘出了一系列蕴 含在信号内部的信息，如：改变劈刀安装松紧度，键合强度与劈刀末端的速度呈 现明显的对应关系，即键合强度较大的点，劈刀末端的速度幅值较大，在变幅杆 速度上，稳定性能简单反映出键合强度的变化；劈刀末端速度对键合压力的改变 较敏感，且不稳定的振动多发生在键合初期，表明寄生模态的影响因素多数来自 于劈刀与基板的接触阳1 ，这些工作丰富了超声键合机理研究手段。 国内外一些科研院所也针对引线键合开展了大量研究工作。华中科技大学在 国家8 6 3 计划支持下开展了“超细间距球引线键合工艺的研究 ，研究显示，在 影响键合点直径的诸如冲击速度、超声能量、键合时间、键合压力等工艺参数中 金球金线直径比对第一键合点直径形成影响最大；键合过程中，而导致键合失 败的主要原因是键合过程中未能对键合压力、键合时间、键合温度这三个影响键 合质量形成的主要工艺参数进行及时、有效的调整，上海交通大学以此为出发点 对键合过程中这三种参数的自调整控制进行了深入探讨嘲；有研究显示，劈刀作 为直接作用于键合界面的子系统，其内斜面形状对键合强度的形成有很大影响， 特别是扯丝时对一焊键合点强度的影响n 引；z w z h o n g 和k s g o h 等对超声键合 换能系统的劈刀末端振动进行实验研究1 ；r p u f a l l 提出在靠近劈刀处安装力传 感器，在换能器附近安装压电传感器分别对键合压力、超声波振幅进行实时检测， 通过比较键合压力信号及超声波信号与键合质量的关系来对键合质量进行实时 监测嘲。 1 3 课题来源及研究意义 本课题来源于国家重大基础研究发展计划项目( 9 7 3 计划) “高性能电子产 品设计制造精微化数字化新原理和新方法”的课题2 “复合能场作用下微互连界 面的微结构演变规律( 编号：2 0 0 3 c b 7 1 6 2 0 2 ) 。 尽管超声引线键合已经得到广泛使用，但距离全面掌握多工艺参数对键合质 量形成的影响规律、理解键合动态过程及建立精确键合过程数学模型还有大量工 作需要开展。因此，针对超声键合进行多角度、多层面的深入探索是十分必要的， 尤其是键合过程中各种工艺参数与换能系统的匹配状况将直接影响到键合质量 的优劣，因而，认识主要工艺参数对键合质量形成及换能系统工作状况带来的影 响，是实际键合中需要把握的关键和开展实验的主要目的。在整个键合过程中， 中南大学硕士论文第一章绪论 超声换能系统的振动是复杂的，文献 6 的实验表明，变幅杆末端不仅具有形成 键合强度的主要振动纵向振动，还存在俯仰及水平方向振动，这些振动形式 的存在将会影响到键合点键合质量的形成，而连接不同工艺参数与其对应键合质 量的桥梁就是换能系统电信号及各类振动信号( 如：变幅杆振动、劈刀振动等) ， 充分挖掘隐藏在这些信号中的信息将为研究键合过程提供帮助。因此，本文重点 考察了劈刀安装长度、键合压力等工艺参数改变时键合质量、换能系统俯仰振动 以及由俯仰振动引起的基板振动的变化情况；同时，为了能够准确捕捉到键合过 程中各类时变信号的多种频率成分的变化情况避免单纯时、频域分析的不足，采 用了己广泛应用于振动信号分析、图像处理、语音分解合成、机械故障诊断判别、 地震信息处理等领域啪3 的小波分析方法对信号进行时频处理，通过时频分析得 到的蕴含在信号内部的信息，将为多角度认识键合过程、理解不同工艺参数对换 能系统的影响及更准确的调控键合过程提供帮助。 1 4 论文内容安排 本文主要基于两组实验展开，分别为改变劈刀安装长度实验以及改变键合压 力实验，并对键合中多种信号进行了实时监测，同时考察了键合强度的变化情况， 文章内容具体安排如下： 第一章：介绍了中南大学及国内外引线键合的研究现状，说明了课题来源、 阐述了研究意义和内容。 第二章：对改变两工艺参数键合压力和劈刀安装长度的两个实验进行了常 规分析，使用基本的时域统计方法对实验现象进行了解析，得到了键合强度随劈 刀安装长度及键合压力的宏观变化趋势。 第三章：说明了时频分析方法在解析键合过程中各种时变信号的优势，介 绍了时频分析的发展历程，并着重叙述了小波分解的理论知识；应用小波分析方 法展现了键合压力、劈刀安装长度对各信号不同频段稳定性的影响情况及其与键 合质量的内在联系，为今后引线键合机理的深入探讨提供了丰富内容。 第四章：对全文工作进行总结。 4 中南大学硕士论文 第二章超声引线键合强度实验研究 第二章超声引线键合强度实验研究 超声引线键合以工艺实现简单、成本低廉、适用于多种封装形式而广泛应用 于在大多数半导体器件的零级封装中，目前9 0 以上的芯片使用引线键合口2 棚1 。 已有的研究工作显示，引线键合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。因此，只有充分掌握了工艺参数对键合强度的影响规律，才可能 在实际操作中准确协调各个参数使键合效果达到最佳状态。可见，围绕超声键合 不同工艺参数展开的实验研究是具有重要意义的。 键合中的主要工艺参数有： 键合时间：一般来说，键合时间越长，引线球吸收的能量越多，键合点的直 径就越大，界面强度增加而颈部强度降低；但时间过长，会使键合点尺寸过大， 超出焊盘边界1 。 超声功率：超声功率对键合质量和外观影响最大，它对键合球的变形起主导 作用。功率过小会导致欠键合或尾丝翘起；功率过大导致根部断裂、键合塌陷或 焊盘破裂；键合时功率参数的设定，应根据键合点外观和键合强度进行调整，一 般来说，在焊点大小一样的情况下，长时间、小功率得到的焊点效果比短时间、 大功率得到的焊点效果好，因为焊点对超声能量的吸收需要一定的时间，超声功 率只有持续稳定地施加到键合点才能保证高键合质量的形成。 键合压力：键合时压力参数设定以保持键合表面具有良好的密切接触为准。 影响压力最终施加的因素很多，如劈刀的形状和大小、金属丝的粗细和硬度以及 芯片的压点性质等。压力偏小会引起跳动磨擦，压力过大会导致键合焊点的断裂 等。超声功率和键合压力是相互关联的参数，增大超声功率通常需要适当增大键 合压力使超声能量通过键合工具更多的传递到键合点处【3 4 1 。 超声键合最佳键合状态主要由超声功率、键合压力和键合时间三种工艺参数 的互相匹配来保证，不能单一强调某个方面的作用。实验时，可先选择功率和时 间保持在某一最佳条件附近然后再改变压力，并注意键合失效所发生的位置和现 象，经过反复调整和试验后获得最佳键合工况。 另外，劈刀质量、形状、安装松紧等因素均会影响换能系统性能及键合质量 的形成。 本章通过实验着重围绕键合压力、劈刀不同安装长度对引线键合强度形成的 影响展开，并做了初步讨论。 中南人学坝l 论文第_ ：二章超声引线键合强度实验研究 2 1 改变劈刀安装长度实验 实验在超声键合实验平台展开，该平台由键合设备一u 3 0 0 0 型粗铝丝引线键 合机、数据采集监测设备一p s v 4 0 0 m 2 高频型( 1 5m h z ) 扫描式多普勒测速仪、 键合强度测试设备- - d a g e 4 0 0 0 多功能焊接强度测试仪等一系列性能可靠、采集 精度高的实验装置构成，这些设备具体参数详见文献 8 。 2 1 1 实验步骤 1 实验中，铝丝线径3 0 0 , u m ，根据表2 1 设置引线键合机参数：时间2 3 格 ( 约1 2 5m s ) ，功率6 o 格( 约1w ) ，压力2 0 格( 约7n ) ，其他参数为默认值。 为避免改变劈刀安装长度时由紧固螺钉松紧度引起的干扰，劈刀安装时通过施加 预紧力矩来控制紧固螺钉的松紧度，预紧力矩均为( 3 5 m m 1 2 ) 4 2 0 n m m ； 另外，为采集变幅杆末端顶部振动速度，使用一个平面镜将激光束反射到该位置， 如图2 1 、2 2 ； 表2 - 1 超声波参数设置参考表1 一焊 线径( 肌) 时间( 格)功率( 格)压力( 格) 7 5 l 2小档l 3 0 1 0 5 1 0 0l 2小档 1 4 0 1 o 8 1 2 51 2小档 2 50 2 1 0 1 5 01 2 5小档2 60 4 1 5 2 0 01 5 3小档3 70 6 2 0 2 5 01 5 3中档2 41 4 2 8 3 0 01 5 4中档3 61 6 3 8 4 0 02 5中档4 6 2 5 5 8 5 0 03 7中档5 8 4 8 多昔勒哆声头蔫吵竦平字镜萝刀变? 昌杆肋哥支撑压字陶瓷片 岛 ；一一一支撑台 l i j 声发生电路 j 图2 1 实验示意图 6 中南大学硕= 匕论文 第二章超声引线键合强度实验研究 雷豫鼍骧惩黧粤想鼍烹p 哆嗍掣黪鬻黝鼍8 ；百l 万舔丽焉：霹_ 簪”硝i 季萄蠢? + 匹霹曩i i 聂i i i 了一嚣誉看丽 ! 塑! ! jj 乎o 卅忆型，t 蜘!j 国二卫一：r f l j 翟簟豫，! u o7 r , h o j e 、jr j l 一j 一1 ej ir ”r 1撕t _ y - 图2 2 实验中平面镜反射激光束至变幅杆末端顶部示意图 2 基于l a b v i e w 及多普勒的信号采集设备可同时采集两通道数据信号，在 l a b v i e w 采集界面设置数据采样频率1 啪吻，采样长度1 5 0 m s ( 1 5 0 0 0 0 点) ，电 压为触发信号，触发耦合方式选用a c 交流耦合，预触发时间2m s ( 采集界面设 置如图2 3 ) ； 图2 - 3 基于l a b v i e w 采集界面设置 3 实验数据信号采集，调整劈刀安装长度为9 m m ： 中南大学硕上论文第二章超声引线键合强度实验研究 1 ) 电信号采集 实验中超声发生电路接入一个9 q 的采样电阻r ( 阻值很小不会影响到原电 路信号) ，采集其两端的电压信号u ，计算获得换能系统电流i ( i = u 。r ) ，u 为 换能系统电压信号，如图2 1 ；另外，多普勒测振仪数据采集系统电压信号采集 上限为1 5 矿，因此采集换能系统电压信号u 时应将信号衰减1 0 倍，实验时将数 据线探头调整到“x 1 0 ”挡即可，待后继数据处理时还原( 外接电阻及数据连线 如图2 4 ) ；进行引线键合1 0 0 次，采集电压、电流信号并每次键合测量强度，从 而获得电信号及与之对应的键合强度值1 0 0 组； 图2 - 4 外接电阻及电信号采集数据线连线 2 ) 变幅杆末端顶部速度信号采集 实验仍以电压为触发信号，设置方法同上，并用速度信号取代电流信号，进 行引线键合1 0 0 次，采集电压、电流信号并测量每次键合强度，从而获得电信号 及与之对应的键合强度值1 0 0 组； 4 调整劈刀安装长度分别为1 1m m 、1 3 m m 、1 4 m m 、1 5m m 、1 7 m m 、1 9 m m ， 重复步骤3 ，调整时要改变的劈刀安装长度如图2 5 ； 压电陶瓷片 监l il 超声发生电路 口皿 图2 - 5 劈刀全长及其安装长度改变示意图 键合质量好坏往往通过破坏性实验判定，常用的方法有键合拉力测试( b p t ) 和剪切力测试( b s t ) 。键合拉力测试与拉力点位置、引线长度及拉力角度等因 素有关，存在较大的测试随机性，且作为一种破坏性检测，拉力测试不能固定于 焊或者二焊键合强度的研究。键合剪切力测试则避免了以上缺点，便于集中分 析一焊或二焊的键合特性。因而，实验采用剪切力测试作为键合强度的评判标准， 中南大学硕士论文 第二章超声引线键合强度实验研究 测试由d a g e 4 0 0 0 多功能焊接强度测试仪完成，如图2 6 ： 图2 - 6o a g e 4 0 0 0 多功能焊接强度测试仪 英国d a g e 公司作为拉力、剪切测试设备的专业研制供应商，面向全球提供 各类相关设备。d a g e 4 0 0 0 是公司近年研制推出的先进推、拉力测试系统，可对 各种电子元器件进行引线拉力、芯片剪切力、b g a 焊球粘合力等测试与分析。 其功能主要体现在一些列测试头，其中包括。驯： w p 系列测试头：用于引线拉力测试( w i r e p u l l ) ，量程5 9 5 堙 b s 系列测试头：用于焊点剪切测试( b u l ls h e a r ) ，量程2 9 - - 5 k g b p 系列测试头：用于焊点拉断测试( b u l lp u l l ) ，量程2 9 1 0 堙 t p 系列测试头：用于引镊测试( t w e e z e r p u l l ) ，量程1 0 9 5 堙 根据以前的实验工作及初步测试，实验中键合强度基本在1 0 0 0 9 以下，因 此选择0 - - 一2 5 堙b s 测试子系统即可，测试示意图如图2 7 。 卜铝丝2 一基板3 一推刀 图2 - 7 键合强度剪切力测试示意图 9 中南大学硕i ：论文第二章超声引线键合强度实验研究 2 1 2 键合强度数据处理 实验中，按上述过程每个劈刀安装长度下得到键合强度2 0 0 组，首先对实验 中不同劈刀安装长度下键合成功率及键合强度分布情况进行统计，统计结果如图 2 8 、2 9 。 不同劈刀安装长度对键合成功率的影响 零 _ 碍 督 镊 如 裂 劈刀安装长度( m m ) 图2 - 8 不同劈刀安装长度键合成功率统计 图2 - 9 不同劈刀安装长度键合强度分布直方图 图2 8 、2 - 9 显示，键合强度在劈刀安装长度9 、1 l 、1 3 、1 7 、1 9 m m 时基本 分布在6 0 0g 以上，而劈刀安装长度1 4 、1 5m m 时大量键合失败，键合成功点强 度仅2 0 0 9 上下；前5 个安装长度下键合全部成功，而1 4 、1 5 m m 时键合成功率 只有2 0 和5 0 ，且键合成功点强度很低、远不及其他长度。 表2 2 、图2 1 0 为不同劈刀安装长度下键合强度数据分布统计及均值趋势。 表2 2 不同劈刀安装长度键舍强度统计( 2 0 0 组每个长度) 劈刀安装长度( m m ) 91 l1 3 1 41 51 71 9 键合强度均值( g ) 8 2 7 27 2 6 46 4 6 6 1 7 9 35 6 1 86 9 9 16 8 4 8 键合强度标准差( g ) 7 8 7 l7 9 9 77 8 0 54 5 3 6 7 9 8 57 8 5 67 8 7 l 1 0 薅啦掣 抛 御 伽 o o p 中南大学硕士论文 第二章超声引线键合强度实验研究 口 v 瑙 黑 q 裂 不同劈刀安装长度对键合强度的影响 l； o lii； 1 一 l 卜一 li 入 j - ：、 l f ；v i 劈刀安装长度( m m ) 图2 - 10 键合强度分布及均值变化趋势 综合表2 2 、2 1 0 可以看到： 劈刀安装长度由9 m m 变化到1 3 m m 时，键合强度均值逐渐降低，均值由 8 2 7 2 9 降低到6 4 6 6 9 ；安装长度为1 4 一- 1 5 m m 左右时，键合强度均值降至最小， 仅为1 7 9 3 9 和5 6 1 8 9 ；当安装长度变化到1 7 r a m 后，键合强度回升，达到7 0 0 9 上下；键合强度均值同样显示9 、l l 、1 7 、1 9 m m 时键合强度较高，是较为合适 的劈刀安装长度。实验中，键合强度标准差除安装长度1 4 m m ( 该长度下大量键 合不成功) 以外均在7 9 9 左右，说明实验过程稳定数据可靠。 针对劈刀不同安装长度下得到的大量键合强度数据，可进一步采用w e i b u l l 分布对键合强度可靠性程度进行描述和分析。 w e i b u l l 分布是可靠性理论中最为流行和广泛使用的模型，在寿命试验数据 分析及产品可靠性分析中有着重要地位，其模型简便，适用性广。由于其物理背 景明确并得到了大量实践应用，而被广泛地应用在机械、电子等部件的失效建模 中。w e i b u l l 分布包含三个重要参数，即形状参数、尺度参数、位置参数，当参 数不同时，该分布可以蜕变为指数分布、瑞利分布、正态分布等等n 7 1 ；另外，关 于形状参数取何值时w e i b u l l 分布最接近正态分布是讨论的热点，一般来说当形 状参数在3 2 5 3 4 5 范围内时，w e i b u l l 分布接近于正态分布。 w e i b u l l 分布应用于可靠性分析时由多种表现形式，如：两参数w e i b u u 分布、 三参数w e i b u l l 分布、混合w e i b u l l 分布等等。二、三参数w e i b u l l 分布因其对数 据较好的拟合效果而得到广泛使用。 其中三参数w e i b u l l 分布函数f ( s ) 及概率密度函数厂( s ) 分别为： ，( s ) = 1 一e x p ( 一( ( s s o ) ( s o 一& ) ) 6 ) ( s 0 ) ( 2 1 ) ( s ) = ( 芋粤) b - i e x p ( 一( ( s s o y ( s o 一品”6 ) ( s o ) ( 2 - 2 ) 中南大学硕士论文 第二章超声引线键合强度实验研究 式中s 一键合强度；b 咖i b u l l 分布形状参数；咒特征强度；品一最 小键合强度( 这里三参数分别为：b 、s o 、s o ) 当s = s o 时，f ( 咒) = l e x p ( 一( ( 一s o ) ( s 一& ) ) 6 ) = l e 一= 0 6 3 2 ，即特征 寿命为键合强度数据增序排列时6 3 2 键合点失效时的键合强度嘲1 。 实验中部分键合点键合强度为零，即最小键合强度s o = 0 ，于是三参数 w e i b u l l 分布转化为二参数w e i b u l l 分布。这里即利用两参数w e i b u l l 分布对不同 劈刀安装长度键合强度数据进行分析，通过计算特征强度只( 某一劈刀安装长 度下2 0 0 个键合强度数据增序排列时6 3 2 处数据点的键合强度值) 来比较不同 劈刀安装长度键合强度可靠性。 两参数w e i b u u 分布函数f ( s ) 及概率密度函数f ( s ) 分别为： f ( s ) = 1 一e x p ( 一( s 疋) 6 )( s o ) ( 2 3 ) 邢) 2 虿b i s ) b - i e x p ( 一( s ( s o ) ( 2 _ 4 ) 式中： s 一键合强度； 6 州e i b u l l 分布形状参数：o 1 ，因此劈刀各安装长度下的密度函数f ( s ) 均是单峰，峰值即为 特征强度足。由于特征强度芝是密度函数f ( s ) 的位置参数，图2 1 3 明显看到5 个劈刀安装长度下键合强度分布情况，安装长度9 m m 时特征强度最高、接近 9 0 0 9 ，基本分布在6 0 0 - - 一1 0 0 0 9 ；其他安装长度下特征强度& 在7 0 0 9 左右，键 合强度基本5 0 0 9 0 0 9 左右。 中南大学硕士论文第二章超声引线键合强度实验研究 针对两种不同的键合强度统计方法，表2 - 4 、图2 一1 4 给出了键合强度均值与 键合特征强度疋的对比情况。 表2 4 键合强度均值与键合特征强度比较( 20 0 组每个长度) 劈刀安装长度( m m ) 91 11 31 41 51 71 9 键合强度均值( g ) 8