金絲球焊工藝在電子器件封裝中扮演著至關重要的角色，其質(zhì)量直接關系到連接點的可靠性和整體性能。為了深入研究金絲球焊鍵合過程中的影響因素，本研究通過采用單因素試驗方法系統(tǒng)地探究了超聲功率、超聲時間、超聲壓力和加熱臺溫度對鍵合強度的影響。通過詳盡分析各個參數(shù)對金絲鍵合強度的影響規(guī)律，為手動球焊控制參數(shù)提供了科學的參考范圍。
在研究的基礎上，我們進一步采用正交試驗方法對產(chǎn)品鍵合工藝參數(shù)進行驗證，通過優(yōu)化鍵合參數(shù)組合，取得了顯著的實驗效果。這一過程不僅為金絲鍵合工藝提供了新的優(yōu)化思路，而且通過試驗驗證，為金絲球焊連接點的質(zhì)量提升提供了可靠的實踐指導。
綜上所述，本文科準測控小編將介紹，如何利用單因素試驗方法和正交試驗手段對金絲球焊工藝參數(shù)影響性分析和優(yōu)化驗證，為金絲球焊工藝的優(yōu)化和實際生產(chǎn)提供了有益的指導和參考，具有一定的理論和實用價值。
一、測試原理
金絲球焊工藝參數(shù)的影響性分析以及優(yōu)化驗證原理的綜合研究是為了深刻理解超聲功率、時間、壓力和溫度等主要參數(shù)對鍵合強度的影響規(guī)律。通過系統(tǒng)實施單因素試驗和正交試驗，以及依據(jù)《微電子器件試驗方法和程序》標準的金絲拉力測試方法，從而驗證并優(yōu)化金絲球焊工藝參數(shù)的組合。這一綜合性的研究旨在為生產(chǎn)過程提供科學的指導，實現(xiàn)金絲球焊連接點鍵合強度的優(yōu)化，從而提升整體工藝性能和產(chǎn)品可靠性。
二、測試儀器
1、深腔球焊機
2、推拉力測試機
三、金絲球焊工藝參數(shù)影響性分析
（一）試驗方法
1、單因素試驗法
2、測試標準
通過調(diào)整單一因素變量的方法進行試驗，依據(jù)《微電子器件試驗方法和程序》標準 GJB 548C—2021 中的方法 2011.1，采用了25μm的金絲拉力測試方法進行鍵合強度的測定。
3、試驗內(nèi)容
試驗選用了與特定產(chǎn)品相同技術(shù)狀態(tài)的材料，并將金絲球焊工藝的關鍵參數(shù)，包括超聲功率、時間、壓力和溫度，作為研究試驗的控制對象。在試驗過程中，通過分析不同因素對鍵合強度的影響規(guī)律，我們能夠全面了解金絲球焊工藝在超聲功率、時間、壓力和溫度等方面的變化如何影響鍵合強度。
a、超聲功率對破壞性鍵合拉力測試值的影響
1）試驗過程
試驗時保持超聲時間３０ｍｓ、鍵合壓力４０ｇｆ、熱臺溫度１５０℃不變，超聲功率步進值由１００增加至９９９，對破壞性鍵合拉力測試值進行單因素變量研究。每組參數(shù)取５根金絲測試破壞性鍵合拉力值的均值，所得見表１，對應的折線圖如圖３所示。
2）結(jié)論
試驗結(jié)果顯示，當超聲功率步進值小于200時，可能導致鍵合不良或脫鍵；在200-500步進值范圍內(nèi)，鍵合強度拉力測試值均大于12gｆ，形貌規(guī)則；然而，隨著超聲功率的增加，拉力測試值呈下降趨勢，同時鍵合點根部受損的跡象逐漸增大。
b、超聲時間對破壞性鍵合拉力測試值的影響
1)試驗過程
試驗時保持超聲功率步進值３００、鍵合壓力４０ｇｆ、熱臺溫度１５０℃不變，超聲時間由１０ｍｓ增加至３００ｍｓ，對破壞性鍵合拉力測試值進行單因素變量研究。每組參數(shù)?。蹈鸾z測試破壞性鍵合拉力值的均值，對應的折線圖如圖所示。
2）結(jié)論
在試驗及數(shù)據(jù)分析中，發(fā)現(xiàn)超聲時間參數(shù)小于10ms時可能導致無法鍵合或容易脫鍵；在30-70ms范圍內(nèi)，鍵合強度相對穩(wěn)定，鍵合點形貌規(guī)則；但隨著超聲時間的增加，拉力測試值下降趨勢明顯。試驗表明超聲時間的增加要求手動球焊設備和操作員協(xié)調(diào)性更高，對手部動作的穩(wěn)定性要求更高，直接影響球焊鍵合點形狀和拉力測試結(jié)果。
c、鍵合壓力對破壞性鍵合拉力測試值的影響
1）試驗過程
試驗時保持超聲功率步進值３００、超聲時間３０ｍｓ、熱臺溫度１５０℃不變，鍵合壓力由１０ｇｆ增加至６５ｇｆ，對破壞性鍵合拉力測試值進行單因素變量研究。每組參數(shù)?。蹈鸾z測試破壞性鍵合拉力值的均值，所得見表３，對應的折線圖如圖５所示。
2）結(jié)論
通過試驗及數(shù)據(jù)分析得知：在鍵合壓力小于10gｆ時，可能導致鍵合不良或容易脫鍵；而在20-40gｆ范圍內(nèi)，鍵合點形貌和拉力測試值都滿足要求；然而，隨著鍵合壓力的進一步增大，拉力測試值呈下降趨勢，同時鍵合點的變形和根部受損的跡象也逐步增大。
d、熱臺溫度對破壞性鍵合拉力測試值的影響
1)試驗過程
試驗時保持超聲功率步進值３００、超聲時間３０ｍｓ、鍵合壓力４０ｇｆ不變，熱臺溫度由常溫２０℃增加至１５０℃，對破壞性鍵合拉力測試值進行單因素變量研究。每組參數(shù)?。蹈鸾z測試破壞性鍵合拉力值的均值，對應的折線圖如圖所示。
2）結(jié)論
通過試驗和數(shù)據(jù)分析得知：當熱臺溫度小于80℃時，破壞性鍵合拉力相對較小。提高熱臺溫度會使拉力測試值增大，符合一般規(guī)律，即材料溫度越高，利于材料分子間的擴散結(jié)合。在實際生產(chǎn)中，需綜合考慮所采用基板材料的Tg玻璃化溫度等因素。
四、金絲球焊工藝參數(shù)優(yōu)化驗證
（一）正交試驗
1、試驗標準
按照標準ＧＪＢ?。担矗福?/span>—２０２１《微電子器件試驗方法和程序》中方法２０１１．１鍵合強度（破環(huán)性鍵合拉力試驗）２５μｍ的金絲拉力測試方法進行測試，２５μｍ金絲最小鍵合強度為３．０ｇｆ。
2、試驗過程
試驗選用了超聲功率、超聲時間、鍵合壓力和熱臺溫度這四個因素，每個因素在產(chǎn)品規(guī)定的工藝參數(shù)范圍內(nèi)選擇了三個參數(shù)。具體而言，超聲功率（因素A）的參數(shù)為A1=300、A2=350、A3=400；超聲時間（因素B）的參數(shù)為B1=30ms、B2=40ms、B3=50ms；鍵合壓力（因素C）的參數(shù)為C1=20gｆ、C2=30gｆ、C3=40gｆ；熱臺溫度（因素D）的參數(shù)為D1=120℃、D2=135℃、D3=150℃。
a、選擇正交表
本試驗設計３種參數(shù)的４種因素試驗，采用Ｌ９（３４）正交表，試驗過程需進行９次試驗（見表５）
b、試驗數(shù)據(jù)收集
試驗樣本采用與該產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)相同的材料、操作人員和設備完成金絲鍵合過程，
每組試驗參數(shù)取１０次試驗結(jié)果的平均值，對試驗情況進行極差分析，計算結(jié)果見表６。
C、工藝參數(shù)改進及驗證
從表6數(shù)據(jù)分析得知，在該產(chǎn)品金絲球焊工藝參數(shù)窗口內(nèi)，各組參數(shù)條件下破壞性鍵合拉力測試值均滿足標準要求的最小鍵合強度3.0gｆ。因素C和A對破壞性鍵合拉力結(jié)果的影響最大，其次是因素D，而因素B的影響相對較小。為了實現(xiàn)破壞性鍵合拉力值的優(yōu)化，采用C1、A1、D3、B2的參數(shù)組合（超聲壓力20gｆ、超聲功率步進值300、熱臺溫度150℃、超聲時間40ms）進行驗證，測試100根金絲拉力，均值達到12.836gｆ，且拉力測試值分布相對均勻，破壞性拉力測試過程中失效模式基本一致。
d、結(jié)論
通過正交試驗，針對高性能環(huán)氧樹脂板上 25μm 的手動金絲球焊，得出以下結(jié)論：
1)超聲功率小于 200 時，可能導致鍵合不良或容易脫鍵，而在 200-400 范圍內(nèi)，鍵合強度較好。增大超聲功率可能減小鍵合強度，而過大的功率會導致鍵合點根部受損。
2)超聲時間小于 10ms 時，可能導致鍵合問題，而在 30-70ms 范圍內(nèi)，鍵合強度相對穩(wěn)定。超聲時間進一步增大時，鍵合強度變化趨于平緩，但對手動設備和操作員的要求增加，可能引入人為不穩(wěn)定因素。
3）鍵合壓力小于 10gｆ 時，可能導致鍵合不良，而在 20-40gｆ 范圍內(nèi)，鍵合強度相對穩(wěn)定。增大鍵合壓力可能減小鍵合強度，且引起球焊點變形和根部受損。
4）熱臺溫度小于 80℃時，破壞性鍵合拉力相對較小。提高熱臺溫度有利于材料分子間擴散結(jié)合，但應根據(jù)基板材料的 Tg 玻璃化溫度等因素綜合考慮。
5）通過正交試驗得出優(yōu)選參數(shù)組合（超聲壓力 20gｆ、超聲功率步進值 300、熱臺溫度 150℃、超聲時間 40ms），鍵合點形貌良好，破壞性鍵合強度穩(wěn)定，滿足產(chǎn)品要求。
6）采用手動型鍵合設備時，人為因素影響顯著。操作人員技能狀態(tài)、疲勞程度等因素會直接影響鍵合點質(zhì)量，因此需采用科學的試驗和過程控制方法，選取相對優(yōu)化的工藝參數(shù)組合，提高金絲球焊工藝鍵合點的可靠性和一致性。
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