（机械电子工程专业论文）键合过程中换能系统振动的关联维数和lyapunov指数实验研究.pdf

中南火学硕士学位论文 摘要 本文主要工作是对u - 3 0 0 0 型粗铝丝引线键合机的超声换能系统 在不同键合压力下的键合过程振动特性进行研究。通过电压触发的方 式，利用p s v - 4 0 0 - m 2 扫描式多普勒测速仪对换能系统振动速度信号 进行采集，并采用d a g e 4 0 0 0 多功能强度测试仪通过对焊点进行破坏 性实验获取键合强度值。最后利用非线性动力学方法对采集的振动信 号进行分析，并建立起实测非线性统计量与键合强度之间的关系。本 文主要工作包括： 1 利用小波分析法对不同键合压力下对变幅杆端面和劈刀底端 的振动信号进行了解析，对键合压力对系统不同频段振动成分的影响 做了分析。 2 阐述了替代数据法的基本原理，并通过实例对算法的可靠性 进行验证；采用替代数据法研究了不同键合压力下换能系统中变幅杆 端面、劈刀底端横向和切向振动实测时间序列的非线性特征。 3 引入非线性动力学方法对换能系统的振动特性进行分析。利用 实时关联维数来监测键合过程中换能系统的振动复杂度变化；利用最 大l y a p u n o v 指数来监测振动速度序列中是否含有突变以及突变量大 小，并提出与换能系统振动速度有效值联合监测键合过程。 本文的研究为键合过程的监测提供了参考，同时为超声键合换能 系统的非线性动力学模型研究提供了新的思路。 关键词：超声换能系统，键合过程，关联维数，l y a p u n o v 指数 中南大学硕十学位论文 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sa b o u tt h es t u d yo ft h ev i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i co ft h e u l t r a s o n i ct r a n s d u c e rs y s t e mo ft h ea l u m i n u mw i r eb o n d i n ga td i f f e r e n t p r e s s u r e s t h ev i b r a t i o ns i g n a lo f t h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rw e r ec o l l e c t e d b yp s v - 4 0 0 m 2l a s e rd o p p l e rv e l o m e t e ra n dt h eb o n d i n gs t r e n g t hw a s e v a l u a t e db yt h ed a g e 4 0 0 0m a c h i n e t h ev i b r a t i o ns i g n a lw a sa n a l y z e d b yt h en o n l i n e a rv i b r a t i o nt h e o r y , a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h e n o n l i n e a rs t a t i s t i c sa n dt h eb o n d i n gs t r e n g t hw a se s t a b l i s h e d 1 t h ew a v e l e ta n a l y s i sw a su s e dt oa n a l y z et h ev i b r a t i o ns i g n a lo ft h e t r a n s d u c e rs y s t e ma n dt h ee f f e c t so ft h e b o n d i n gp r e s s u r e s o nt h e d if f e r e n tb a n dc o m p o s i t i o n 2 t h em e c h a n i s mo ft h es u r r o g a t ed a t am e t h o dw a se x p l a i n e d a n dt h i s m e t h o dw a si d e n t i f i e dt h en o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i co ft h ev i b r a t i o nt i m e s e r i e s ，w h i c hc o m ef r o mt h eh o r nv i b r a t i o no ft h et r a n s d u c e ra n dt h e h o r i z o n t a la n dt a n g e n t i a lv i b r a t i o no ft h eb o n d i n gt o o lb o t t o m 3 t h en o n l i n e a rd y n a m i cm e t h o dw a su s e dt oa n a l y s i st h ev i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i co ft h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r s y s t e m t h ec o r r e l a t i o n d i m e n s i o no ft h ev i b r a t i o nt i m es e r i e sw a su t i l i z e dt om o n i t o rt h e v i b r a t i o nc o m p l e x i t yo ft h et r a n s d u c e rs y s t e mi nt h eb o n d i n ga n dt h e l a r g el y a p u n o ve x p o n e n tt od e t e c tw h e t h e rt h ev e l o c i t ys i g n a lc o n t a i n s t h em u t a t i o na n di fh a v e h o wm u c ht h em u t a t i o ni s a n dw ec o u l d m o n i t o rt h eb o n d i n gs t r e n g t hb yt h el a r g e l y a p u n o ve x p o n e n ta n dt h e v e l o c i t yr m s o ft h ev i b r a t i o ns i g n a lo ft h eu l t r a s o n i ct r a n s d u c e rs y s t e m t h i sr e s e a r c hc o u l dp r o v i d er e f e r e n c ef o rt h eb o n d i n gd y n a m i c s m o n i t o r i n ga n dt h en o n l i n e a rm o d e l i n go ft h i ss y s t e m k e yw o r d s ：u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r s y s t e m ，b o n d i n gp r o c e s s ， c o r r e l a t i o nd i m e n s i o n ，l y a p u n o ve x p o n e n t l i 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：曼溜 日期：毕年上月上日 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：墨壑导师签名： 嗍爿年旺日 中自大学碰上学位论文第一章鳙论 1 1 引线键合技术概述 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。它足一种使用细金属线进行牢固焊接的过程。 在引线健台过程中，键合力会导致材料的变形，破坏表面层。如果使用超声波能 量，则可以增强焊接效果，热能可以加速原子间的扩散，形成可靠牢固的键合“1 1 。 常用的引线键合方式如图1l 所示。 图11 常见的引线键争万式 引线键合过程一般首先要使用有机粘结剂或者焊料，把芯片的背嘶紧密粘接 在芯片载体上，然后使用一种特别的焊接工具焊接金属线。根据焊接方式的不同， 引线键合技术主要可以分为三种：热压焊( t c ) 、超卢波焊( u s ) 和热声焊( t s ) 。 1 1 1 引线键合技术种类”i 1 1 1 1 球焊技术 金丝键台又称球键合，键合前金丝穿入陶瓷劈刀的空毛细管，盒丝的尖端经 电子喷火熔成球形，球形会属的表面张力使之凝固，如图1 2 a i 焊球在键合压 力和热能的作用下，经劈刀的超声振动与引线框架键合，如图12 b ：然后金丝 在焊头的作用下向后移动，形成键台高度，这是因为芯片上的焊点与引线框架上 的焊点之间的高度不同，为了防i t 键合过程中引线的拉仲埘筇一个焊点造成破 坏，则必须在第一个焊点形成后，劈刀须向第一二个焊点的反方向做一定程度的移 动，如图卜2 c ；金线在劈刀的作用f 向第二个焊点移动，在键台压力、热能和 超声振动的作用下形成第二个焊点，然后线央闭合，在劈刀向i 二的拉山的作用下 使引线断裂，如图12 d 。 中南大学碰士学位论文 第一章绪论 1 f h 一“” 、 t u r 火焰 a 形成焊球 i 诞 盛誊篓交甄画重甄遁叠 # ； 二二一薹趟 j p * c高度形成d二焊键合 图卜2 球形焊技术示意图 球形焊在键台过程中需要1 0 0 5 0 0 。c 的高温，制造过程中热来源于毛细管 或进行装配的热基座，也可以根据焊接工艺和材料上下同时加热。球形焊技术的 应用如图卜3 所示。 目卜3 球彤焊技术应用 一 一 一 一一 中南大学硕i 学位论文 第一章绪论 1 1 1 2 楔彩焊技术 楔形键合焊头形状像一个楔子，引线丝常以一个相对与水平面3 0 。6 0 。 的角度0 穿过焊头( 劈刀底端) 后面的一个小孔。在实际键合时，通常选择向前 焊接，第一个焊点焊死，第二个焊点焊点焊接剑基板上这样可以使引线和固定 焊点之间的相互影响降低。焊接时，楔形焊头f 降到芯片焊接基板上并停留几十 到几百毫秒来形成键台，然后，楔形焊头上升并向前和向上移动一定的距离和高 度以产生一个环形，在下一个焊接位置形成第二个焊点焊接完成后，引线会被 切刀切断，在切断时，引线的尾丝长度必须要适当控制太短则会严重影响第二 个焊点的键台强度，太长会使得芯片上引线的数量和间距受到很大制约。南于楔 形键台焊头特殊键合取向和机械转动等原因，使得楔形键台的键合速度要低于金 挫球焊。楔形键台如图14 所不。 囝卜4 楔形键台示意图 实际时，焊接川的引线呵以是锚线或者盒线。其区别在丁铝线是利用超声焊 在宅温下键合，而金线n g j 用热声焊在超过1 5 0 。c 的温度下键合。在实际应用 巾，由于铝线超卢波焊接的成本和t 作温度等都比较低，使其成为最普遍的楔形 焊，同时楔形焊的覆盖面积比球焊小，非常适合小型衬底的微波器件。向金丝因 为其金属特性不活泼，在键合后可以忽略密封封装。 1 1 2 引线键合技术的发展及应用 引线键台以其潜在的低成本、_ 艺实现简单、极大的设计优化空问和高叮靠 性等特点，在键台技术中占主导地位，目前所有的封装管脚的9 0 以上采用引线 键合连接。罔卜5 给出了引线键台和倒裟芯片完成的内连接数的预测。 中南大学硕i 学位论立第章绪论 蛙 鼎 划 吲 圈日线键台f w 圯) j i l l 倒装芯片g c 图15 引线键合与倒装芯片发展趋势 可以看 h 虽然倒装芯片的埔长速度较快 日直到2 0 1 1 年引线键合仍然占主 导地位。无论是封装行业多年的事实还是权威的预钡4 都表明，引线键合在可预测 的末来( 日前到2 0 2 0 年) 仍将是半导体封装尤其是低端封装内部连接的主流方 式。 1 1 2 1 键合精度 半导体生产的l 讨端始终足驱动后端前进的原动力，前端制造i 艺的发展总是 直接迅速地反府在后端生产技术上。幽i6 显示了引线键合的焊盘问距随半导体 集成电路线宽的变化趋势。 年 图卜6 引线健合闸距变化趋势 从图16 中看到，集成电路的线宽将由目前的00 9um 不断缩小，在2 0 0 8 年达到00 5 7um ，直到2 0 1 8 年的00 1 8um 。与此相应，引线键合焊盘间距将在 同一段时间从3 5um 减小到2 0um 。焊盘间距随着前端线觉不断减小是引线键台 技术最为集巾和突出的发展趋势。键合工艺的参数复杂特性决定了细问距对引线 键合技术的要求综合表现在醴蔷和材料的各个方面，如：没各的定位桔度、均匀 致的自山宁气球( f a b ) 大小、超声波和键合力的可重复控制性、劈7 j 内孔直径 以及键合引线的强度和刚度等。 总之，要实现细问距键含所需要的要微米级键合点尺寸控制，就必须充分考 后瑞薪减禽型闸距 中南大学碗学位论文 第一章绪论 虑键合工艺过程中设备、劈刀、引线间的相互作用。 l 1 2 2 键合速度 引线键台是半导体生产的极小特征尺寸和极大产量的集中体现。日| j i f 世界范 围内先进水平的键合设备已经达到了1 6 1 8 线s 的速度，工作台加速度达到了 2 7 3 0 个重力加速度。键合设备已经发展到了精度和速度同时接近极限的程度。 为了满足引线键合超高速度要求，线性电机直接驱动工作台的方案在设备中被广 泛采用。设备高速运动下不可避免地通过机械结构和控制算法等多种突进进行抑 制，同时，线弧轨迹优化也被用来提高键合设备生产效率。 1 1 2 3 键合质量与可靠性 当前键合设备中普遍聚用压电陶瓷驱动的低阻抗超声键台换能器， 振频率 基本e 在1 2 0 k h z 以上。高频超声换能器便于能量迅速有效地传递到键合点的金 属问界面，除了能提高o t 产效率、改善键合可靠性和一致性外，同时还叮以大幅 降低键台温度。 随着半导体生产各道工序控制严格度的不断增加，对键合完整性监测的要求 也不断提高。传统键台设备上的键合力、接触探测等都通过电机线圈电流、键合 头速度等间接物理量进行监测和控制，容易受外界因素的干扰而影响准确性。业 界目前已经尝试在劈刀管芯中嵌入检测传感器以在键合过程中实时监测键合力、 超卢波、接触、失线等物理量和状忐，检测的准确度和效率都会人幅度提高”1 。 1 _ 1 2 4 键合技术的应用 从小型独立芯片封装到大型高密度多芯片组件，引线键台技术都是目前微机 电系统封装采用的主要技术，其最广泛的应用是 ( 1 ) 单层和多层的烧结陶瓷和塑料焊球阵列 ( 2 ) 陶瓷和塑料的方形平面割装。 ( 3 ) 芯片尺寸封装( c s p ) 。 ( 4 ) 板上芯片瓦连、封装。 1 2 引线键合技术的研究 圈互连 超声引线键台是一个涉及超声能昔发乍、传递、加载及超声振动的复杂动力 学过程，特别是作为超声引线键台的核心部分超声换能系统，已有的研究工作显 不，其丁作状况、不同工艺参数的匹配情况驶小同键合材料等均会对键台质量的 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 形成造成显著影响盯啪3 ，而键合质量是衡量超声引线键合效果的重要的指标，所 以充分理解键合过程中不同参数对引线键合换能系统的的振动特性的影响就显 得尤为重要。目前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。 中南大学微电子课题组主要以u 3 0 0 0 型粗铝丝键合机和激光多普勒测振仪 为实验平台，在键合换能系统方面的研究主要如下： 文献 2 1 研究了不同的工作温度、加载电压、劈刀连接松紧度对换能系统共 振频率特性和阻尼特性的影响，研究发现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；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。 文献 2 2 对劈刀安装的不对称性以及劈刀与换能杆之间预紧力的大小对换 能系统性能的影响做了研究，发现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。 文献 2 3 1 以t s 2 1 0 0 金丝键合机超声键合换能系统为主要研究对象，针对换 能系统劈刀和肋环夹持等状态的改变，对换能系统进行了较为系统的研究，并对 超声键合过程中键合压力及系统俯仰振动频率特性进行了研究。研究发现肋环夹 持松紧状态对换能系统的谐振频率，s 的影响有限，无劈刀时其最大谐振频率与 最小谐振频率差值( 2 7 h z ) ，与最大谐振频率之比约为o 0 3 ；有劈刀时其最大谐 振频率与最小谐振频率差值( 2 0 h z ) ，与最大谐振频率之比约o 0 4 ；因而肋环夹 持松紧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；劈刀是影响换能系统各特征参量的最主要 因素，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。 文献 2 4 采用非接触的光学测量方法，对换能杆末端轴向、俯仰、水平方向 的振动信号进行了精确测量，实验测试了超声键合换能杆术端三个方向振动的相 对剧烈程度；用相干函数的方法分析了轴向一俯仰、轴向一水平振动耦合的相关性。 研究发现：在无劈刀和劈刀对称安装时，俯仰寄生振动是轴向振动的伴随性现象； 劈刀的非对称安装会使得轴向一俯仰振速相关性变的很微弱，俯仰振动与轴向振 动几乎不相关，这表明劈刀的非对称安装可能使换能系统的动力学模态发生变 6 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 化，从而导致了换能杆末端俯仰振动的“独立 行为，为进一步深入的研究提供 了实验证据。 文献 2 5 使用u 3 0 0 0 型粗铝丝键合实验平台，以实际键合过程为研究对象， 在改变键合压力和劈刀安装松紧度的前提下，对键合系统的各个参数进行了大量 的实验，实验分析发现，键合压力的增大使键合强度出现了一个最佳键合窗口， 即在键合压力适中的情况下，键合强度才能达到最大；松紧度的变化实验也发现 在松紧度适中的情况下，键合质量最理想。然后采用常规分析( 时域) 方法对实 验数据分析发现一些重要现象和结论：换能系统的机械阻抗随键合压力的增大而 增加；松紧度的大小直接影响到功率的加载，随着松紧度的增加，功率出现先增 大后减小的趋势。同时利用小波分析的方法，在键合压力、劈刀安装松紧度等参 数变化的情况下，对换能系统的电特性和变幅杆、劈刀的振动做了时频分析。 文献 2 6 在文献 2 5 的研究基础上，改变u 3 0 0 0 型超声引线键合机的劈刀安 装长度和键合压力参数，采用小波分析方法对工艺参数变化情况下的电压、电流、 功率等信号进行了解析。研究发现：劈刀安装长度对键合质量形成有影响，随着 安装长度由9 m m 到1 9 m m ，键合强度先减小后增大，当劈刀对称安装时，换能系 统阻抗匹配处于最佳状态，能获得最佳的键合质量；功率加载是影响键合质量形 成的重要因素，功率低于o 2 w 时，键合强度低，部分键合不成功，当上升到0 3 w 时，键合强度升高，大部分集中在6 0 0 - 7 0 0 9 ，继续增加功率到1 0 - 1 6 w 时，键 合强度约2 3 集中在6 0 0 8 0 0 9 ，1 3 在8 0 0 9 以上；同时还首次用小波对引线键 合过程中基板的振动特性的做了分析，发现键合初始阶段，基板振动o - 3 2 k h z ( 低 频段) 存在显著的衰减过程，该过程很好的满足幂函数曲线。 文献 2 7 使用u 3 0 0 0 型粗铝线键合实验平台，以实际劈刀稳态振动过程为 研究对象，在改变劈刀安装松紧度的前提下，利用l d v 对超声加载作用下劈刀的 稳态振动进行了大量实验，对测试的振动数据进行模拟，研究发现：劈刀稳态振 动的形态表现出不确定性，输入功率也呈现出波动性；同一松紧度下，劈刀的振 动中出现了单节点；但在不同松紧度下，节点出现的位置发生了变化；劈刀稳态 振动的能量( 劈刀上振动能量的分布) 随连接松紧度出现波动，且劈刀术端的振 动速度并不一定是最大；劈刀的实际振动情况与理论模型存在一定的差别，实测 振动中不同时刻出现了曲线交叉的现象；超声键合装置中劈刀的振动结构不是简 单的悬臂梁、简支梁结构，基于弹性梁振动的基本理论，由实验数据建立了劈刀 稳态振动的近似模型。 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，键合过程中，键合压力、键合时间、键合温度这三个影响键合 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 质量形成的主要工艺参数如果不进行及时、有效的调整会直接导致键合失败1 。 j u n q i 等以e a g l e6 0 一x l 型金丝键合机为研究对象，选用金丝的直径为 矽2 5 2 n ，分别改变输入功率、键合压力等参数设置，发现当键合功率和键合压 力超过某一定值( b o n d i n gp o w e r ：2 0 0 m w ，b o n d i n gf o r c e ：3 0 0 m n ) 时，金丝与铝基 板之间的键合强度( 剪切强度) 和连接面积改变不太明显，说明超过该值后金丝机 的键合能力对键合功率和键合压力的依赖性减弱强引。 z w z h o n g 和k s g o h 等用激光干涉仪对超声引线键合工具一劈刀的振幅进 行了测试，并研究了键合工具安装对键合质量，以及讨论了键合工具外形设计对 于键合时熔球的影响，最后从键合质量的角度讨论了键合工具的优化设计问题， 结果表明设计劈刀时，如果在劈刀的瓶颈角和主要锥形角之间加入一个小半径的 过渡区域，那么其放大系数( 即劈刀底端的振动位移相对与劈刀和变幅杆的耦合 点的位移之比) 会比不加入过渡区域劈刀大3 7 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口引。 上述的研究为理解超声键合机理，优化键合参数提供了有力的支持，但同时 以上研究主要集中在线性领域，线性振动研究的基础是叠加原理，优点是振动模 型简单，处理方便，求解容易；缺点是在反映系统振动机理或描述系统真实振动 状态方面有很大的局限性。随着人们对半导体芯片性能，尺寸等的要求越来越高， 这就会对封装技术提出更高的要求，会出现多引脚、超细间距等基础的高密度封 装，那么在作为目前芯片封装的主要技术的引线键合技术就占有重要地位，此时 对换能系统的线性分析就不能再满足技术进一步提高的要求，因为严格地说，绝 大多数振动系统都是非线性的，在非线性因素较弱的情况下，非线性振动系统可 按线性振动系统来近似处理。但是，由于非线性振动与线性振动之间有着本质的 区别，工程中的不少非线性振动问题在忽略非线性因素的情况下进行分析与计算， 所得结果与实际相比会有很大的误差，甚至会得出错误的结论，文献 2 4 的研究 已经表明引线超声换能系统的振动信号中含有非线性振动成分，不足之处是该文 仅研究了超声换能系统在空载下的振动情况，没有对实际键合过程中其加载振动 进行研究，所以本文在其对换能系统空载研究的基础上，对换能系统加载下的振 动中是否含有非线性成分做判定，以非线性判定结果为基础，利用关联维数、 l y a p u n o v 指数等方法，对换能系统进行非线性分析，这为进一步理解超声换能 系统的振动特性提供重要参考。 8 中南大学硕上学位论文第一章绪论 1 3 课题综述 1 3 1 课题来源 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) “超薄芯片叠层 组合互连中多域能量传递与键合形成”( 编号：2 0 0 9 c b 7 2 4 2 0 3 ) ，国家自然科学 基金“l e d s 照明器件连接制造中的非线性机理及其工艺监测研究”( 编号： 5 0 5 7 5 2 3 0 ) 。 1 3 2 研究意义 引线键合技术目前仍是微电子封装领域的主要封装方式。键合质量的可靠性 直接决定芯片功能的发挥和使用寿命的长短，它是衡量芯片质量的决定性参数之 一。那么在实际应用中，都是对已键合芯片按照一定的比例采取抽样并对键合焊 点采用破坏性试验方法，然后获取其键合强度值，对芯片进行破坏性试验后，发 现微互联界面在不同的键合参数下呈现出不同的形状，如过键合以及欠键合现 象。目前主要集中在从微观领域，即原子扩散、位错等，来解释微互连界面的形 成机理，很少从键合换能系统的动力学加载上与键合质量建立联系。 实际键合过程中，超声换能系统的振动特性决定微互连界面的形成，其振动 信号中理应包含十分丰富信息。振动信号中反映了换能系统在键合时的实时振动 状态情况，比如劈刀底端( 劈刀与基板接触端) 的振动速度信号，它不仅受到变 幅杆与劈刀耦合特性的影响，而且能够实时反映出键合界面( 如致密氧化层，键 合材料均匀性等) 特性的变化情况，反映在速度信号上，表现为突变等现象。除 此之外，振动信号还受到劈刀结构特性，如硬度、安装长度、劈刀松紧度等的影 响。所以理论上说，整个键合过程特别是微互连界面的形成过程都可能会在换能 系统的振动时间序列中反映出来，也就是说焊点的键合过程信息与振动速度有一 定关系，但是如何从振动速度信号中提取出该信息也就成为当前研究中的一个难 点。 超声引线键合过程中，键合质量也就是键合可靠性是一个非常重要的指标。 文献 3 1 的研究表明键合过程的键合时间参数的长短对键合质量有很大的影响， 如图卜8 所示： 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ， 1 0 善9 羹 二 垂4 5 钕 3 擘 2 鑫 0 05 0l o o l 5 0 2 0 0 笱d 3 3 5 0 4 0 0 4 5 0 时间t m s 图1 - 8 键合时间对焊点键合强度的影响 从上图中可以看到键合时间为1 5 0 m s 时，焊点平均键合强度有最大值。而键 合过程的好坏又与换能系统振动有直接的关系，文献 3 2 研究了键合过程的改变 对换能系统振动状态的影响，结果如图卜9 和图1 - 1 0 ： j 粤 筮 趔 制 功率设置 图1 - 9 变幅杆末端水平速度与俯仰速度比值图 图1 - 1 0 不同劈刀长度下换能杆末端轴向振动速度曲线 图卜9 和图卜1 0 表明键合过程的改变，如输入功率和劈刀安装长度的改变 对换能系统的振动速度有很大的影响。在此基础上，文献 3 3 对换能系统的振动 情况做了判别，结果表明其振动是非线性的。所以我们分析研究换能系统加载过 l o 皇 e 罗 型 溜 中南大学硕士学位论文第一章绪论 程中的实际振动特性时，对其振动时间序列处理时就不能再采用线性化的方法， 而应采用非线性，也就是符合其实际振动特性的处理方法。 有效值法是比较常用的一种方法，它主要是对高频振动信号，该信号类似高 频正弦波，依次把一定数量的数据点进行压缩处理并按照振动时间顺序进行排序 从而组成一条时序曲线的处理方法，能够在一定程度上反映换能系统键合过程中 的实际振动情况，该法的缺点在于过于粗略，如图卜1 1 所示： 时间t i m , a 压缩数据点数为5 时问t i r o s ) b 压缩数据点数为1 0 0 图卜1 1 不同压缩数据点数下的换能系统振动速度曲线 有效值处理方法能够在一定程度上显示换能系统的振动速度变化情况，但是 在进行数据压缩处理时，数据点数量的选择十分重要，否则会产生不同的结果， 从图卜1 0a 、b 可以看出，不同的压缩数据点数形成的速度变化曲线相差很大。 基于有效值处理方法的不足，以相空间重构为理论基础的非线性动力学显示 出了其优越性。相空间重构能够从一维时间振动序列中重构高维非线性动力系 统，而重构的非线性动力系统与原来的真实系统在拓扑学上意义等价。通过状态 空间重构的系统模型，就可以对系统做进一步的分析，如绘制相空间轨迹图、计 算判断振动序列中是否含有非线性成分的s 判据值、计算能够反映系统振动复杂 度并能进行故障诊断的关联维数值和能够反映混沌吸引子分维数和轨迹的 l y a p u n o v 指数值等屯3 5 驯。 文献 3 7 利用非线性动力学的方法对人的脑电波信号进行了研究，发现关联 维数对脑电波信号的变化非常敏感，能够反映大脑活动的细微变化，如人在警戒 状态和安静阅读状态下脑电波信号的关联维数是不同的，与警戒状态下的关联维 数值在5 2 5 9 相比，安静阅读时左外侧裂外侧的颞叶前部的关联维数明显升 高，达到6 6 6 9 ；文献 3 8 研究了铁路货车轴承的振动情况，发现最大l y a p u n o v 指数可以用来作为判别轴承不同故障的特征量，在正常状态下，关联维数值为 - 0 4 7 7 5 ，外圈故障时为0 0 3 6 4 ，磙子故障时为0 1 2 4 6 ；文献 3 9 研究了某型发 动机的八级轴流压气机级问压力信号的最大l y a p u n o v 指数，推断出失速和喘振 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 的起始点具有相同的动力学特性，并把最大l y a p u n o v 指数的零点作为监测气压 机的失速判据，类似的故障诊断分析方法己在电力系统短期负荷预测、股市波动 的混沌度分析、水文预报、计算机软件失效等领域得到了成功的应用。 综上可以看到，引线键合的键合质量( 即键合点类型) 、键合过程( 即键合 参数) 、换能系统的振动状态三者关系如图卜1 2 所示： 键合压力 键合功率 键合时间 键合温度 劈刀安装长 环境温度等 图卜1 2 键合质量、键合参数和换能系统振动状态关系图 从图1 - 1 2 中可以看出，键合参数、键合点类型、换能系统振动状态之间的 关系是十分复杂的，例如改变键合参数，会影响到键合点类型和换能系统振动状 态，而换能系统振动状态的变化又会影响到键合点类型，同时不同的键合点类型 又反过来影响换能系统的振动状态。在实际研究中，我们一般只能通过分析换能 系统振动信号的变化，来分析其振动特性以及这种振动特性对键合可靠性的影 响。 所以本文选择改变键合参数，分析其对键合可靠性与换能系统振动状态影 响，鉴于线性处理方法和有效值处理方法的局限性，选择了用基于关联维数、 l y a p u n o v 指数的非线性动力学的方法来研究换能系统的振动，并在分析振动速 度信号的基础上建立超声换能系统振动特性与键合质量之间的联系，这不仅能够 为建立超声换能系统非线性动力学模型提供重要参考，而且有助于建立引线键合 质量的在线监测。 1 3 3 研究内容 本文主要用非线性动力学实验方法，在键合压力参数的改变下，对换能系统 中变幅杆和劈刀的振动特性做了较深入的分析。文章内容安排如下： 第一章：介绍了引线键合技术的现状，对其核心部分超声换能系统的国内外 研究情况做了总结，提出了本文的研究内容。 1 2 厶口合合建合合键键键佳 佚鹱 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第二章：描述了超声换能系统及实验数据采集设备。解释了实验过程中选择 对引线键换能系统改变键合压力参数的原因以及选择换能系统中 变幅杆端面和劈刀底端作为测试点的重要性。同时给出了实验中所 用到的换能系统的振动速度时间序列和键合焊点的强度值分布图。 第三章：利用小波分析的方法键合压力对换能系统中变幅杆端面、劈刀底端 切向和横向的实时振动时间序列的影响做了分析。发现经小波分解 后不同频段的速度信号在键合过程中的变化特性是不同的，并解释 了这种突变发生的原因。 第四章：利用基于相空间重构的相位随机化替代数据法，对不同键合压力下 的换能系统中变幅杆端面、劈刀底端切向和横向的振动速度的原始 时间序列和替代数据的关联维数进行了计算，通过非线性判据来研 究其中是否含有非线性成分一直所含有的非线性成分的多少，为利 用非线性动力学分析换能系统振动特性提供理论依据。 第五章：用关联维数对键合过程中换能系统中劈刀和变幅杆的振动复杂度的 实时变化情况进行分析，并在此基础上对引线键合机键合性能优化 提出了建议。 第六章：利用非线性统计量l y a p u n o v 指数，对不同键合压力下换能系统中 劈刀和变幅杆的振动速度序列进行了计算，并用通过l y a p u n o v 指 数描述了振动速度信号中的突变情况。同时建立了l y a p u n o v 指数 曲线与键合焊点质量之间的联系。 第七章：对全文进行总结 中南 学碰学位论文 第二章实验平台的建立自数据的采豢 第二章实验平台的建立和数据的采集 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 台机、数据采集监测设备p s v _ 4 0 0 m 2 高频型多普勒测速仪、键台强度测试设 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。 2 1 实验设备介绍 2 1 1 引线键合系统 实验所用键合设备一u 3 0 0 0 型粗铝丝引线键台机如图2 一i 。其焊头的y 、z 方 向的运动均采用由电脑控制的步进电机驱动，精密丝杆和轨道传动。超声功率， 时间，压力等影响键合强度的参数均可通过前面板旋钮进行调节【”l 。 图2 - i 超声引线键旮设备 超声换能系统是该设备的核心部分，如图22 所示。它由换能器、变幅杆和 键合工具等组成的功率超声产生系统。在实际键合时，超声功率源将普通工频电 信号转换成6 0 k h z 的高频电信号，通过p z t 的逆压电效应，转变为换能系统的 高频振动通过变幅杆传送到劈刀，当劈刀加超声功率时劈刀产生机械的前后 振动，振幅一般为微米量级。由于劈刀对铝丝施加了一定的压力，带动铝丝在基 板的表面上来回摩擦，在负载的作用下，超声能量被金属丝吸收，铝丝与基板表 面产生塑性形变，同时破坏了铝表面的氧化膜，暴露出洁净的表面，使两纯粹的 金属面紧密接触，依靠原子间的引力实现键合，最终形成牢固的机械连接。 中南大学预学位论文第二章实验平台的建i 和数据的采集 塑篮墨变幅杆 一么曩么二二二 斟2 - 2 避声换能糸统可= 毒蚓 超声引线键台过程中劈刀的运动轨迹如图23 。 第 2 1 2 数据采集设备 囤2 - 3 劈月运动轨迹示意圈 点高度 超卢键合系统响多维动态等特点，要全程捕捉键合过程的频域特征就需要有 一种频率更高的系统进行测屠，同时也要避免测量系统对键合机的实际工作状况 有影响。因此在速度测量方面，选用了多普勒测速仪，其高分辨率、高响应速度 以及非接触式测量的特点能很好的满足实验的监控要求。本文所用多普勒测速仪 为德国p o l y l e c 公叫p s v - 4 0 0 一m 2 高频型( 15 m h z ) 扫描式多普勒测速仪，可以测 量超声振动的速度、加速度以及质点的位移。实验中利用p s v - 4 0 0 m 2 高频型多 普勒测速仪，测量换能杆负载端在键含机j f 常工作状况r 的响应速度，分析其中 隐含的键台过程信息。 中晰大学顺l 位论女 第= 章实验平台建立数据白勺采集 多普勒测速系统见图2 - 4 图25d a g e 40 0 0 多功能焊接强度测试仪 d a g e 4 0 0 0 是公司近年研制推出的先进推、托力测试系统，可对各种电子元 中南大学硕士学位论文第二章实验平台的建立和数据的采集 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h 引： w p 系列测试头：用于引线拉力测试( w i r ep u l l ) ，量程5 9 5 k g 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 l o 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，实验中选择0 - - - 5k gb s 测试子系统，测试 过程示意图如图2 6 。 坠ikk 。3：。 蓊沥勰荔荔厕i 瑟历翮i 藏蕊葱 a 推刀开始 测试位置 b 测试头下降 寻找基板 e 推刀向下 接触基板 d 推刀下降 运动停止 k 瞥旨 e 推刀位置固定 f 测试头向上移g 平台向推刀f 推刀剪切完成 动到剪切位置方向运动 卜推刀2 一硅铝丝3 一基板 图2 - 6 键合强度剪切力测试示意 2 2 实验过程描述 键合强度是衡量微电子封装好坏的一个非常重要的指标，因此研究键合强度 与键合参数的定量关系就成为实验的目的。实验中发现，进行二焊的过程中，引 线上获得的超声振动有可能影响第一焊点的键合质量，造成根部强度下降甚至断 裂，为避免两个焊点之间相互影响，简化研究对象，仅研究第一焊点。 实验中，铝丝直径为3 0 0 z m ，时间2 5 格( 约1 4 0m s ) ，功率4 5 格( 约 0 7 w ) ，压力2 o 格( 约6 8 n ) ，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束控制紧固螺 钉的松紧度，预紧力矩均为( 3 5 m m 1 2 n ) 4 2 0n m m 。 1 7 中南大学硕士学位论文 第二章实验平台的建立和数据的采集 2 2 1 选择压力参数的原因 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，只 有充分掌握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，而围绕超声键合不同工艺参数展开实验研究能够 对我们更好的理解键合机理提供帮助。 键合中的主要工艺参数有：键合时间、键合功率、键合压力。 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。 本文的实验是为了进一步研究键合过程中超声换能系统的非线性动力学振 动特性，在改变参数的实验中发现，键合压力对超声换能系统的振动特性有着较 大的影响，如图2 - 7 所示： 皇 e 西 = 比 型 期 a 键合压力对变幅杆末端轴向b 键合压力对劈刀底端切向 振动速度r m s 值的影响振动速度r m s 值的影响 图2 - 7 键合压力对换能系统振动速度r m s 值的影响 从图2 - 7 中可以看出，当键合压力参数改变时，变幅杆端面和劈刀底端切向 振动速度r m s 值发生非常显著的变化，曲线整体上随着键合压力的增加而下降， 在压力5 格时略有上升，也就是说，速度不便于控制，故实验选择改变键合压力 参数。 1 8 中南 学顿学位论文第= 章宴验 2 2 2 测试点的选择 本实验所选择的数据测试点如图2 8 所示。a 测试点为变m b 测试点为劈刀底端切向振动，c 测试点为劈刀底端横向振动 图2 - 8 实验刺试点示意图 引线键合过程的能屋传递与转换是电能通过换能器的压 效应被转换成超声能，超声能在变幅杆中传递( 以纵波形式宦 后通过变幅杆与劈刀的耦合作h ，超声能被转化为劈刀的机柱 传递) ，然后能量作用到引线与基扳键合界面，通过两者原子 强度。 从j 遂能量的传递过程发现，变幅杆和劈刀的振动是其叶 幅杆的振动特性测量选择了其端面，因为变幅杆对超卢能有利 的振动理| 仓上来| 兑是其振动幅值最大点，能够自效地反映出， 劈刀的振动卣睦参与了键合质量的形成，选择劈刀的底端，也 而的地方，此处劈刀的振动特性能够更好的反映 萁与键合届 底端在键台界 i i i 的振动井小是维振动，其在平行于基扳的平 焊点端断有着直接的影响，所以利用物理学叶1 力的合成与分静 振动分解为训向和横向振动。 中南人学l 学位论立 第二章实验平舟的建n 和数据的采集 2 2 3 信号采集 实验所采集的信号是不同键合压力下换能系统特征信号。基于l a b v i e w 及多 普恸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 m h z ，采样长度1 4 0 m s ( 1 4 0 0 0 0 点) ，电压为触发信号，触发耦合方 式选用a c 交流耦舍，预触发时间2 m s 。 所采集的三个测试点的振动速度信号如下： a 变幅杆末端轴向振动时间序列b 劈月底端切向振动时间序列 目t h c 劈月底端横向振动时间序列 图2 - - 9 超声换能系统振动时间序列 为了尽量降低实验过程中的偶然因素的影响，增加实验的可信度，每个键合 压力下的三个测试点都重复测量1 0 0 次。 中南大学硕士学位论文第二章实验平台的建立和数据的采集 富 e 暑： 到 翻 富 e = 型 爱 冒 e 岁 驾 鞠 时问m s a 压力2 格 时闻m