（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥230088）

微組裝金絲鍵合工序統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)

范少群，趙 丹

（中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥230088）

金絲鍵合質(zhì)量是影響微波多芯片組件(MMCM)可靠性的一個(gè)主要因素，有效識(shí)別和控制鍵合過程的波動(dòng)，是保證工藝穩(wěn)定性和合格率的有效手段。SPC技術(shù)是定量判斷工藝是否處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)的核心技術(shù)。文中對(duì)某型號(hào)產(chǎn)品中抽取的金絲拉力數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布擬合及正態(tài)性檢驗(yàn)，采用均值-標(biāo)準(zhǔn)差、均值-極差控制圖對(duì)金絲拉力數(shù)據(jù)穩(wěn)定性進(jìn)行分析，討論了不同波動(dòng)異常情況下的影響因素及解決方法。另外對(duì)金絲鍵合工序能力指數(shù)Cpk進(jìn)行計(jì)算、評(píng)價(jià)，著重分析了提高Cpk值的有效方法。

金絲鍵合；統(tǒng)計(jì)過程控制SPC；工序能力指數(shù)；分析

1 引言

金絲鍵合是多芯片微波組件微組裝工藝中的一道關(guān)鍵工序，由于其工藝實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低廉、適用于多種封裝形式而成為芯片與芯片之間、內(nèi)部芯片與外部器件之間實(shí)現(xiàn)電氣互連的主要模式[1]。金絲鍵合質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響微波組件的可靠性，是決定產(chǎn)品質(zhì)量與成品率的重要環(huán)節(jié)，因此對(duì)金絲鍵合工序質(zhì)量的控制顯得尤為重要。元器件可靠性常規(guī)評(píng)價(jià)手段有產(chǎn)品檢驗(yàn)、可靠性壽命試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)積累使用壽命數(shù)據(jù)等。但這些傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法均只對(duì)工藝的最終結(jié)果進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，而不能定量反映工藝水平及工藝過程狀態(tài)的穩(wěn)定性程度。統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)（SPC）是一項(xiàng)能夠定量判斷工藝過程是否處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)的質(zhì)量與可靠性評(píng)價(jià)方法。美國規(guī)定軍用微電路生產(chǎn)線在1991年前必須建立SPC體系，我國近年對(duì)軍用微電路貫標(biāo)生產(chǎn)線也作出了SPC體系建設(shè)要求[2]。

文中采用統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)（SPC），根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析理論，對(duì)連續(xù)采集的多批金絲鍵合關(guān)鍵工藝參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行定量的統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)鍵合工序能力指數(shù)Cpk進(jìn)行計(jì)算、評(píng)價(jià)，定量反映金絲鍵合工藝水平；運(yùn)用均值-極差、均值-標(biāo)準(zhǔn)差等控制圖對(duì)金絲鍵合工序的穩(wěn)定性進(jìn)行定量分析。

2 鍵合原理及關(guān)鍵控制指標(biāo)數(shù)據(jù)采集

金絲鍵合是指采用18 μm、25 μm等不同直徑的金線，通過熱壓、超聲或熱超聲等不同形式的能量實(shí)現(xiàn)芯片與電路或引線框架之間的連接。熱壓鍵合是低溫?cái)U(kuò)散和塑性流動(dòng)的結(jié)合，使原子發(fā)生接觸，導(dǎo)致固體擴(kuò)散鍵合。超聲鍵合是塑性流動(dòng)與摩擦的結(jié)合，在靜壓力和振動(dòng)的作用下劈刀、引線、鍵合面三者之間相互摩擦并發(fā)生塑性變形，致使金屬接觸面達(dá)到原子距離的結(jié)合。熱超聲鍵合是同時(shí)利用高溫和超聲能進(jìn)行鍵合的方法。根據(jù)焊點(diǎn)形狀，金絲鍵合分為金絲球焊及金絲壓焊兩種形式。本文進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）的金絲鍵合工序?yàn)榍蜴I合工藝。

進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過程控制（SPC）前，應(yīng)確定定量表征金絲鍵合特征和狀態(tài)的關(guān)鍵工藝指標(biāo)。金絲拉力強(qiáng)度是決定鍵合質(zhì)量的重要指標(biāo)，因此將金絲鍵合強(qiáng)度作為關(guān)鍵控制指標(biāo)，通過對(duì)該指標(biāo)實(shí)施SPC控制，確定本工序的統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)，定量評(píng)價(jià)鍵合工序的能力水平。

以某型微波多芯片組件中復(fù)合介質(zhì)板上Φ25 μm鍵合金絲為研究對(duì)象，對(duì)金絲鍵合工序關(guān)鍵控制指標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及分組，具體步驟為：（1）每間隔4 h抽取一只復(fù)合介質(zhì)板產(chǎn)品作為試驗(yàn)件；（2）按照GJB548B方法2011.1鍵合強(qiáng)度（破壞性鍵合拉力試驗(yàn)）要求，采用鍵合拉力測(cè)試設(shè)備對(duì)每只組件隨機(jī)抽取5根金絲進(jìn)行引線拉力測(cè)試；（3）每5根金絲的拉力數(shù)據(jù)作為一組，連續(xù)采集40組數(shù)據(jù)構(gòu)成SPC分析中的一批數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 鍵合拉力采樣數(shù)據(jù)表

3 金絲鍵合工序正態(tài)性檢驗(yàn)

工序過程控制主要包括兩個(gè)方面：工序能力指數(shù)Cpk與工序波動(dòng)性（即穩(wěn)定性）。使用工序能力指數(shù)Cpk要求過程必須處于受控狀態(tài)，且產(chǎn)品控制的關(guān)鍵指標(biāo)服從正態(tài)分布。而定量分析工藝受控狀態(tài)的基本工具是控制圖，控制圖的使用一般同樣要求控制指標(biāo)符合某種參數(shù)分布，如正態(tài)分布、二項(xiàng)分布或泊松分布等[3]。因此，在對(duì)金絲鍵合工序進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過程控制SPC之前需驗(yàn)證采集的拉力鍵合數(shù)據(jù)是否符合正態(tài)分布特點(diǎn)。繪制直方圖并進(jìn)行正態(tài)分布擬合分析及檢驗(yàn)，步驟如下：

(1）計(jì)算表1金絲鍵合數(shù)據(jù)的極差范圍：R=Xmax-Xmin=12.9-6.9=6.0。

（2）確定分組的組數(shù)K和組距h，將分組數(shù)K定為10，組距為：h=R/K=60/10=0.6。

（3）依次計(jì)算各組邊界值（見表2）。

表2 數(shù)據(jù)區(qū)間及密度

（4）正態(tài)分布擬合及檢驗(yàn)。對(duì)采集的數(shù)據(jù)作直方圖，對(duì)金絲鍵合拉力數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)分布擬合，如圖1所示?？芍庇^分析金絲鍵合工序正態(tài)分布擬合圖與常見正態(tài)分布的直方圖形狀相近。為更加客觀地評(píng)價(jià)金絲鍵合工序是否滿足正態(tài)分布要求，需對(duì)金絲鍵合工序數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)。正態(tài)性檢驗(yàn)的判據(jù)為：P值大于α=0.05即表明統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布特點(diǎn)。對(duì)表1中的金絲鍵合拉力數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)性檢驗(yàn)，如圖2所示。從圖2中可以看出P值為0.265，由于α=0.05時(shí)正態(tài)分布概率密度的面積值為95%，所以當(dāng)P=0.265＞0.05時(shí)，說明金絲鍵合工序滿足正態(tài)分布要求。

圖1 鍵合工序正態(tài)分布擬合圖

圖2 鍵合工序正態(tài)性檢驗(yàn)結(jié)果

4 金絲鍵合工序穩(wěn)定性控制

統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)中定量分析工藝受控狀態(tài)的基本工具是控制圖，通過控制圖定量反映工序的波動(dòng)或穩(wěn)定性情況。通過正態(tài)性檢驗(yàn)，可知金絲拉力強(qiáng)度值滿足正態(tài)分布的特點(diǎn)。因此可使用均值-極差控制圖、均值-標(biāo)準(zhǔn)差控制圖來監(jiān)控鍵合工序工藝狀態(tài)的穩(wěn)定性?？刂茍D中主要有3條標(biāo)志線，分別是CL（中心線）、UCL（上控制線）和LCL（下控制線），通過中心值（均值或中位數(shù)）和分散性（極差或標(biāo)準(zhǔn)差）描述參數(shù)分布特性[4]。

4.1 運(yùn)用均值-標(biāo)準(zhǔn)差控制圖對(duì)鍵合工序?qū)嵤┻^程控制

（1）計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)差控制圖的中心線及上、下控制限。下列公式中S為拉力數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差的均值；B3與B4是與每組數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)n有關(guān)的常數(shù)，當(dāng)n=5時(shí)，B3=0，B4=2.089；k為批次數(shù)。將表1的金絲拉力數(shù)據(jù)代入下列公式中，對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差中心線、上下控制限如下：

上控制限：UCL=B4S=2.26

下控制限：LCL=B3S=0

（2）計(jì)算均值控制圖的中心線和上、下控制限。下列公式中x=為每個(gè)分組數(shù)據(jù)均值的均值；A3是與每組數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)n有關(guān)的常數(shù)，當(dāng)n=5時(shí)，A3=1.427，代入下列公式中進(jìn)行計(jì)算，對(duì)應(yīng)均值中心線、上下控制限如下：

中心線：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果作分析用的均值-標(biāo)準(zhǔn)差控制圖，如圖3所示。

4.2 運(yùn)用均值-極差控制圖對(duì)鍵合工序?qū)嵤┻^程控制

上控制限：UCL=D4=2.114×2.67=5.63

下控制限：LCL=D3=0

圖3 鍵合工序均值-標(biāo)準(zhǔn)差（x-s）分析用控制圖

中心線：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果作分析用的均值-極差控制圖，如圖4所示。

4.3 金絲鍵合工藝過程受控狀態(tài)的判斷、分析

根據(jù)工藝過程處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)下小概率事件不應(yīng)出現(xiàn)的原理，可將出現(xiàn)小概率事件作為判斷工藝過程出現(xiàn)了失控的依據(jù)。對(duì)金絲鍵合工序的均值-極差（-R）分析用控制圖、均值-標(biāo)準(zhǔn)差（x-s）分析用控制圖進(jìn)行分析，無點(diǎn)出界、連續(xù)上升或下降等小概率情況發(fā)生，說明整個(gè)鍵合工藝過程處于統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)。

圖4 鍵合工序均值-極差（x-R）分析用控制圖

一般在分析鍵合控制圖時(shí)，首先應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差s控制圖進(jìn)行分析，因?yàn)榫悼刂茍D在計(jì)算上、下控制限時(shí)用到每組數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值。因此只有保證s控制圖表現(xiàn)為統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)偏差的平均值計(jì)算的均值控制圖才有意義。當(dāng)s控制圖與控制圖同時(shí)出現(xiàn)失控或失控傾向時(shí)，首先分析s控制圖的失控原因，在多數(shù)情況下，這將會(huì)自動(dòng)解決x控制圖的失控問題。這同樣適用于均值-極差（x-R）控制圖的失控分析。當(dāng)控制圖出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，根據(jù)違反的判定規(guī)則可從以下列舉的批次性問題、鍵合儀器設(shè)備問題、測(cè)試設(shè)備問題、材料管理問題、操作問題、記錄失控狀態(tài)（時(shí)間、產(chǎn)品批次、操作人員、失控現(xiàn)象）等幾個(gè)方面進(jìn)行失控分析，最終確定失控原因，采取糾正措施，使過程回到工藝受控狀態(tài)。

4.4 分析用控制圖轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂朴每刂茍D

（1）當(dāng)分析用控制圖出現(xiàn)異常點(diǎn)情況后，應(yīng)將整改措施固化到鍵合工藝規(guī)范中。

（2）再次采集數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算及控制圖繪制，判定工序是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。

（3）當(dāng)Cpk達(dá)到目標(biāo)值，且工序處于穩(wěn)定狀態(tài)，即可將分析用控制圖轉(zhuǎn)變成控制用控制圖。

表3 鍵合工序失控原因分析

5 工序能力指數(shù)計(jì)算及評(píng)價(jià)分析

5.1 鍵合工序能力指數(shù)Cpk計(jì)算

從前面SPC控制圖分析可知，當(dāng)前金絲鍵合工序工藝處于統(tǒng)計(jì)過程受控狀態(tài)，工藝穩(wěn)定，且金絲鍵合工藝過程符合正態(tài)分布的特點(diǎn)，因此可以進(jìn)行工序能力指數(shù)Cpk的計(jì)算。

鍵合工序過程為單側(cè)規(guī)范情況，由于采集的數(shù)據(jù)為Φ25 μm金絲鍵合第二點(diǎn)加球形式，因此在GJB548B方法2011.1要求的規(guī)范限基礎(chǔ)上提高，將加球后的金絲拉力下規(guī)范限定為LSL=5 g。

Cpk計(jì)算公式如下：

代入到Cpk計(jì)算公式中，則：

5.2 鍵合工序能力指數(shù)Cpk的評(píng)價(jià)及分析

統(tǒng)計(jì)過程控制的目的是使關(guān)鍵工序處于穩(wěn)定的統(tǒng)計(jì)受控狀態(tài)，并逐漸提高工序能力，使Cpk值不小于1.33或在原有水平上提高10%。根據(jù)上節(jié)中對(duì)Cpk的計(jì)算，可知微組裝鍵合工序Cpk值為1.35，工序能力是充分的。Cpk值已達(dá)到1.33，所以可固化現(xiàn)有工藝狀態(tài)，通過SPC控制使Cpk值繼續(xù)保持在1.33以上。

若鍵合工序Cpk值未達(dá)到指定的目標(biāo)，則需從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)6方面進(jìn)行分析。Cpk的計(jì)算公式為：

式中TU為上規(guī)范，TL為下規(guī)范，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，μ為均值。

從上面的公式看，Cpk值偏低主要有兩方面原因：

（1）金絲拉力數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ偏大。從原理上分析，標(biāo)準(zhǔn)偏差應(yīng)該越小越好。實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于單側(cè)規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)偏差不應(yīng)大于規(guī)范值與工藝參數(shù)均值之差的四分之一，即σ≤-TL)/4，否則說明標(biāo)準(zhǔn)偏差過大。對(duì)于單側(cè)規(guī)范的鍵合工序：

說明微組裝鍵合工序標(biāo)準(zhǔn)偏差符合要求，且數(shù)據(jù)分布比較集中。如果標(biāo)準(zhǔn)偏大則說明鍵合工藝設(shè)備的精度不夠，鍵合后金絲拉力大小分散性較大，需要對(duì)鍵合設(shè)備進(jìn)行維修、矯正等。另外鍵合金絲的拉力測(cè)試設(shè)備如果精度不夠，或工藝過程狀態(tài)出現(xiàn)不正常情況如工藝參數(shù)設(shè)置變化、鍵合機(jī)熱臺(tái)溫度、環(huán)境溫濕度、鍵合區(qū)的鍍層質(zhì)量及鍵合絲的質(zhì)量等，也會(huì)導(dǎo)致鍵合金絲拉力數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差偏大。

（2）金絲拉力數(shù)據(jù)的均值與規(guī)范的中心值之間的差太大，即|μ-(TU+TL)/2|過大。從Cpk的計(jì)算公式可知即使金絲拉力數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ偏小，而|μ-(TU+TL)/2|過大也會(huì)造成Cpk值偏低。在實(shí)際生產(chǎn)中，如果|μ-(TU+TL)/2|≤1.5σ，則表明均值與規(guī)范的中心值之差基本正常。否則，則說明均值與規(guī)范的中心值之間差距偏大，應(yīng)該仔細(xì)調(diào)整鍵合工藝過程中鍵合工藝參數(shù)設(shè)置是否合適（如工作臺(tái)溫度、劈刀溫度、壓力、超聲波功率、時(shí)間等參數(shù)），以減少它們之間的偏差。

6 結(jié)束語

文中對(duì)某型產(chǎn)品金絲鍵合工序進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)研究，關(guān)鍵控制指標(biāo)金絲拉力符合正態(tài)分布及正態(tài)性檢驗(yàn)要求，利用均值-標(biāo)準(zhǔn)差、均值-極差控制圖對(duì)鍵合工藝穩(wěn)定性進(jìn)行定量控制。從控制圖中分析可知金絲鍵合工序無失控情況產(chǎn)生，工藝處于統(tǒng)計(jì)過程受控狀態(tài)。并對(duì)工序波動(dòng)異常情況下的影響因素及解決方法進(jìn)行了分析。另外，金絲鍵合工序能力指數(shù)為1.35，說明鍵合工序能力充分，可固化現(xiàn)有工藝狀態(tài)，通過SPC控制使Cpk值繼續(xù)保持在1.33以上。最后從影響標(biāo)準(zhǔn)偏差、均值與規(guī)范中心值之差兩方面分析，提出可從工藝參數(shù)設(shè)置變化、鍵合機(jī)熱臺(tái)溫度、環(huán)境溫濕度、鍵合區(qū)的鍍層質(zhì)量及鍵合絲的質(zhì)量等方面逐漸提高Cpk值。

[1]晁宇晴.引線鍵合技術(shù)進(jìn)展 [J].電子工藝技術(shù)，2007，28 (4)：205-209.

[2]張皓東.芯片粘接工序工藝能力和受控狀態(tài)評(píng)價(jià)技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué)，1997.

[3]賈新章，李京苑.統(tǒng)計(jì)過程控制與評(píng)價(jià)——Cpk、SPC和PPM技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[4]GB/T4091-2001.常規(guī)控制圖[S].

Research of Statistic Process Control in Gold Wire-bonding

FAN Shaoqun,ZHAO Dan
（China Electronics Technology Group Corporation No.38Research Institute,Hefei230088,China）

The quality of gold wire-bonding is an important influential factor of reliability and microwave characteristic of microwave multi-chip module(Microwave MCM).Identifying and controlling the volatility effectively during the bonding process is significant to ensure stability and yields.Statistic Process Control (SPC)is the core technology to quantitatively measure the status of controllment.In the paper,normal distribution fitting and normality test are performed based on a product′s bonding strength data.The x-s control chart and x-R control chart are adopted to analyze the stability of bonding strength data.The influential factors and solutions are discussed in different volatility conditions.The process capability index of gold wire-bonding are calculated and evaluated.Furthermore,an effective method of improving the Cpk value is discussed in details.

gold wire-bonding;statistical process control（SPC）;process capability index;analysis

TN305.94

A

1681-1070（2016）12-0001-05

2016-5-12