金丝球焊工艺参数影响性分析和优化验证（内含推拉力测试机的应用）

金丝球焊工艺在电子器件封装中扮演着至关重要的角色，其质量直接关系到连接点的可靠性和整体性能。为了深入研究金丝球焊键合过程中的影响因素，本研究通过采用单因素试验方法系统地探究了超声功率、超声时间、超声压力和加热台温度对键合强度的影响。通过详尽分析各个参数对金丝键合强度的影响规律，为手动球焊控制参数提供了科学的参考范围。

在研究的基础上，我们进一步采用正交试验方法对产品键合工艺参数进行验证，通过优化键合参数组合，取得了显著的实验效果。这一过程不仅为金丝键合工艺提供了新的优化思路，而且通过试验验证，为金丝球焊连接点的质量提升提供了可靠的实践指导。

综上所述，本文科准测控小编将介绍，如何利用单因素试验方法和正交试验手段对金丝球焊工艺参数影响性分析和优化验证，为金丝球焊工艺的优化和实际生产提供了有益的指导和参考，具有一定的理论和实用价值。

一、测试原理

金丝球焊工艺参数的影响性分析以及优化验证原理的综合研究是为了深刻理解超声功率、时间、压力和温度等主要参数对键合强度的影响规律。通过系统实施单因素试验和正交试验，以及依据《微电子器件试验方法和程序》标准的金丝拉力测试方法，从而验证并优化金丝球焊工艺参数的组合。这一综合性的研究旨在为生产过程提供科学的指导，实现金丝球焊连接点键合强度的优化，从而提升整体工艺性能和产品可靠性。

二、测试仪器

1、深腔球焊机

2、推拉力测试机

三、金丝球焊工艺参数影响性分析

（一）试验方法

1、单因素试验法

2、测试标准

通过调整单一因素变量的方法进行试验，依据《微电子器件试验方法和程序》标准 GJB 548C—2021 中的方法 2011.1，采用了25μm的金丝拉力测试方法进行键合强度的测定。

3、试验内容

试验选用了与特定产品相同技术状态的材料，并将金丝球焊工艺的关键参数，包括超声功率、时间、压力和温度，作为研究试验的控制对象。在试验过程中，通过分析不同因素对键合强度的影响规律，我们能够全面了解金丝球焊工艺在超声功率、时间、压力和温度等方面的变化如何影响键合强度。

a、超声功率对破坏性键合拉力测试值的影响

1）试验过程

试验时保持超声时间３０ｍｓ、键合压力４０ｇｆ、热台温度１５０℃不变，超声功率步进值由１００增加至９９９，对破坏性键合拉力测试值进行单因素变量研究。每组参数取５根金丝测试破坏性键合拉力值的均值，所得见表１，对应的折线图如图３所示。

2）结论

试验结果显示，当超声功率步进值小于200时，可能导致键合不良或脱键；在200-500步进值范围内，键合强度拉力测试值均大于12gｆ，形貌规则；然而，随着超声功率的增加，拉力测试值呈下降趋势，同时键合点根部受损的迹象逐渐增大。

b、超声时间对破坏性键合拉力测试值的影响

1)试验过程

试验时保持超声功率步进值３００、键合压力４０ｇｆ、热台温度１５０℃不变，超声时间由１０ｍｓ增加至３００ｍｓ，对破坏性键合拉力测试值进行单因素变量研究。每组参数取５根金丝测试破坏性键合拉力值的均值，对应的折线图如图所示。

2）结论

在试验及数据分析中，发现超声时间参数小于10ms时可能导致无法键合或容易脱键；在30-70ms范围内，键合强度相对稳定，键合点形貌规则；但随着超声时间的增加，拉力测试值下降趋势明显。试验表明超声时间的增加要求手动球焊设备和操作员协调性更高，对手部动作的稳定性要求更高，直接影响球焊键合点形状和拉力测试结果。

c、键合压力对破坏性键合拉力测试值的影响

1）试验过程

试验时保持超声功率步进值３００、超声时间３０ｍｓ、热台温度１５０℃不变，键合压力由１０ｇｆ增加至６５ｇｆ，对破坏性键合拉力测试值进行单因素变量研究。每组参数取５根金丝测试破坏性键合拉力值的均值，所得见表３，对应的折线图如图５所示。

2）结论

通过试验及数据分析得知：在键合压力小于10gｆ时，可能导致键合不良或容易脱键；而在20-40gｆ范围内，键合点形貌和拉力测试值都满足要求；然而，随着键合压力的进一步增大，拉力测试值呈下降趋势，同时键合点的变形和根部受损的迹象也逐步增大。

d、热台温度对破坏性键合拉力测试值的影响

1)试验过程

试验时保持超声功率步进值３００、超声时间３０ｍｓ、键合压力４０ｇｆ不变，热台温度由常温２０℃增加至１５０℃，对破坏性键合拉力测试值进行单因素变量研究。每组参数取５根金丝测试破坏性键合拉力值的均值，对应的折线图如图所示。

2）结论

通过试验和数据分析得知：当热台温度小于80℃时，破坏性键合拉力相对较小。提高热台温度会使拉力测试值增大，符合一般规律，即材料温度越高，利于材料分子间的扩散结合。在实际生产中，需综合考虑所采用基板材料的Tg玻璃化温度等因素。

四、金丝球焊工艺参数优化验证

（一）正交试验

1、试验标准

按照标准ＧＪＢ　５４８Ｃ—２０２１《微电子器件试验方法和程序》中方法２０１１．１键合强度（破环性键合拉力试验）２５μｍ的金丝拉力测试方法进行测试，２５μｍ金丝最小键合强度为３．０ｇｆ。

2、试验过程

试验选用了超声功率、超声时间、键合压力和热台温度这四个因素，每个因素在产品规定的工艺参数范围内选择了三个参数。具体而言，超声功率（因素A）的参数为A1=300、A2=350、A3=400；超声时间（因素B）的参数为B1=30ms、B2=40ms、B3=50ms；键合压力（因素C）的参数为C1=20gｆ、C2=30gｆ、C3=40gｆ；热台温度（因素D）的参数为D1=120℃、D2=135℃、D3=150℃。

a、选择正交表

本试验设计３种参数的４种因素试验，采用Ｌ９（３４）正交表，试验过程需进行９次试验（见表５）

b、试验数据收集

试验样本采用与该产品技术状态相同的材料、操作人员和设备完成金丝键合过程，

每组试验参数取１０次试验结果的平均值，对试验情况进行极差分析，计算结果见表６。

C、工艺参数改进及验证

从表6数据分析得知，在该产品金丝球焊工艺参数窗口内，各组参数条件下破坏性键合拉力测试值均满足标准要求的最小键合强度3.0gｆ。因素C和A对破坏性键合拉力结果的影响最大，其次是因素D，而因素B的影响相对较小。为了实现破坏性键合拉力值的优化，采用C1、A1、D3、B2的参数组合（超声压力20gｆ、超声功率步进值300、热台温度150℃、超声时间40ms）进行验证，测试100根金丝拉力，均值达到12.836gｆ，且拉力测试值分布相对均匀，破坏性拉力测试过程中失效模式基本一致。

d、结论

通过正交试验，针对高性能环氧树脂板上 25μm 的手动金丝球焊，得出以下结论：

1)超声功率小于 200 时，可能导致键合不良或容易脱键，而在 200-400 范围内，键合强度较好。增大超声功率可能减小键合强度，而过大的功率会导致键合点根部受损。

2)超声时间小于 10ms 时，可能导致键合问题，而在 30-70ms 范围内，键合强度相对稳定。超声时间进一步增大时，键合强度变化趋于平缓，但对手动设备和操作员的要求增加，可能引入人为不稳定因素。

3）键合压力小于 10gｆ 时，可能导致键合不良，而在 20-40gｆ 范围内，键合强度相对稳定。增大键合压力可能减小键合强度，且引起球焊点变形和根部受损。

4）热台温度小于 80℃时，破坏性键合拉力相对较小。提高热台温度有利于材料分子间扩散结合，但应根据基板材料的 Tg 玻璃化温度等因素综合考虑。

5）通过正交试验得出优选参数组合（超声压力 20gｆ、超声功率步进值 300、热台温度 150℃、超声时间 40ms），键合点形貌良好，破坏性键合强度稳定，满足产品要求。

6）采用手动型键合设备时，人为因素影响显著。操作人员技能状态、疲劳程度等因素会直接影响键合点质量，因此需采用科学的试验和过程控制方法，选取相对优化的工艺参数组合，提高金丝球焊工艺键合点的可靠性和一致性。

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