拉鉤位置對引線拉力試驗鍵合強度測試值影響分析

凌 勇，呂 音

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

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拉鉤位置對引線拉力試驗鍵合強度測試值影響分析

凌 勇，呂 音

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

摘 要：通過建立鍵合點鍵合拉力試驗的力學(xué)模型，分析了吊鉤位置、弧線長度、鍵合點高度差等對測試結(jié)果的影響。并比較了GJB548-2005方法2011.1與MIL-STD-883J方法2011.9關(guān)于雙鍵合點鍵合拉力試驗拉鉤位置的具體差異，最后提出了相關(guān)改進建議。

關(guān)鍵詞：雙鍵合點拉力測試；吊鉤位置；弧長；鍵合點高度差

1　引言

引線鍵合拉力試驗的目的是用于測量鍵合強度，評估鍵合強度分布或測定鍵合強度是否符合適用的訂購文件的相關(guān)要求。GJB 548B-2005方法2011.1和方法2023.2為引線鍵合強度的測試提供了相對統(tǒng)一的試驗方法和程序。雙鍵合點鍵合拉力試驗由于具備良好的可操作性，已成為目前業(yè)內(nèi)鍵合引線最為常用的鍵合質(zhì)量檢測手段之一。

2　力學(xué)模型分析

2.1雙鍵合點鍵合拉力試驗簡介

雙鍵合點鍵合拉力試驗主要過程[1]如下：首先在測試夾具上固定被測試器件，在被測器件引線下方插入一個鉤子，大約在引線中央位置施加拉力，該力方向與芯片（或基板/外殼或引線框）表面垂直。吊鉤垂直上升直至拉斷鍵合引線，記錄引起失效的力的大小和失效類別。

2.2力學(xué)模型分析

建立雙鍵合點鍵合拉力力學(xué)模型之前，我們先作如下設(shè)定：

● 鍵合絲在拉力過程中不發(fā)生彈塑性變形，即引線的長度保持不變；

● 引線各處拉力相等。

鑒于雙鍵合點通常分為同一鍵合平面和不同鍵合平面[2]兩種情況，下面分別針對這兩種情況進行分析。

2.2.1雙鍵合點位于同一鍵合平面力學(xué)模型

根據(jù)力學(xué)法則，拉鉤力F可以沿鍵合引線方向分解成兩個分力F1、F2，詳見圖1所示。

圖1　鍵合拉力示意圖（雙鍵合點位于同一平面）

故可得以下方程組：

由式（1）可知，當(dāng)x=C/2，即當(dāng)拉鉤位于兩鍵合點中間時，θ1=θ2，F(xiàn)1=F2；當(dāng)x＜C/2，θ1＜θ2，F(xiàn)1＞F2；當(dāng)x＞C/2，θ1＞θ2，F(xiàn)1＜F2。取極限情況，當(dāng)x=0時，F(xiàn)2=0，而當(dāng)x=C時，F(xiàn)1=0。

假定引線長度為kC(k＞1)，引線最小拉脫力為FM，則推出拉鉤力F表達式：

從（2）式可以看出，拉鉤力F是關(guān)于引線長度kC、雙鍵合點間距C以及拉鉤位置X的多元函數(shù)，據(jù)此公式作圖（見圖2）。

圖2　拉鉤力函數(shù)曲線（拉鉤位置不固定）

令X=C/2，則（2）式可化簡為：

據(jù)（3）式作圖，見圖3。

圖3　拉鉤力函數(shù)曲線（拉鉤位置位于雙鍵合點的中點）

從圖2和圖3可以看出，拉鉤力F也會隨著拉鉤位置X以及引線長度kC的變化而有所變化，并且通常都不等于引線最小拉脫力FM，僅當(dāng)引線長度為并且拉鉤位置位于引線中點時，拉鉤力才與引線最小拉脫力相等。

2.2.2雙鍵合點位于不同鍵合平面力學(xué)模型

在實際產(chǎn)品引線鍵合過程中，由于基板/外殼或引線框、芯片粘接以及鍵合方式等各類因素[3]的影響，導(dǎo)致相當(dāng)比例鍵合引線的雙鍵合點位于不同的鍵合平面，力學(xué)示意圖詳見圖4。

圖4　鍵合拉力示意圖（雙鍵合點位于不同平面）

而x’o’y’坐標(biāo)系與xoy坐標(biāo)系的坐標(biāo)對應(yīng)關(guān)系見式（6），其中θ為坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角。

根據(jù)式（7）作圖，如圖5所示。

圖5　拉鉤力函數(shù)曲線（拉鉤位置不固定）

從圖5可以看出，拉鉤力F也會隨著拉鉤位置k1、引線長度k以及臺階高度k2的變化而有所變化，并且通常都不等于引線最小拉脫力FM。并且從圖5可以看出，拉鉤力函數(shù)曲線在中心點左右呈現(xiàn)明顯不對稱性，并且處于中心點位置的拉鉤力數(shù)值往往小于FM。

3　驗證試驗分析

為驗證上述分析結(jié)論，我們選取了兩款型號集成電路（簡記為A型電路和B型電路，每款型號電路各3個樣本，鍵合方式均為鍥形鍵合，鍵合材料均為硅鋁絲Ф 31.75 μm），分別針對某根指定鍵合絲的不同位置進行鍵合拉力測試，實測數(shù)據(jù)分別如圖6和圖7所示。

圖6　A型電路內(nèi)部鍵合示意圖以及鍵合引線實測數(shù)據(jù)

圖7　B型電路內(nèi)部鍵合示意圖以及鍵合引線實測數(shù)據(jù)

從上可以看出，實際鍵合拉力數(shù)值隨著拉鉤位置不同會有所變化，并且變化趨勢（見圖8）與理論模型曲線（即圖5）基本一致。位于引線中間位置的鍵合拉力數(shù)值往往偏小，而在引線最高點和引線中點之間的位置（即圖6和圖7中的區(qū)域②位置）的鍵合拉力數(shù)值相對更為合理。

圖8　A型電路和B型電路鍵合拉力數(shù)據(jù)均值曲線

4　國軍標(biāo)與美軍標(biāo)表述的相關(guān)差異

在GJB548B-2005方法2011.2中，針對雙鍵合點的引線拉力試驗，具體內(nèi)容是在“引線（該引線與芯片、基板、底座或兩個端點相連）下方插入一個鉤子加緊器件，大約在引線中央施加拉力。該力方向與芯片或基板表面垂直……”。

通過理論模型計算以及驗證試驗分析，我們可以得知：位于鍵合引線中點的鍵合拉力數(shù)值隨拉鉤位置、引線長度以及臺階高度的變化而有所波動，并且該點的鍵合拉力數(shù)值通常低于引線其他位置（特別是靠近兩個鍵合點位置）的鍵合拉力數(shù)值。因此在雙鍵合點的引線拉力試驗過程中，當(dāng)雙鍵合點位于相同平面時，拉鉤最佳位置是引線中點；當(dāng)雙鍵合點位于不同平面時，拉鉤最佳位置位于引線最高點和引線中點之間。

我們查閱美軍標(biāo)MIL-STD-883J方法2011.9，針對雙鍵合點的引線拉力試驗，具體內(nèi)容是“……inserting a hook under the lead wire (attached to die,substrate or header or both ends) with the device clamped and hook contacting the wire between midspan and loop apex……”[4]，并配有參考示意圖（詳見圖9）。

通過標(biāo)準(zhǔn)比對分析，我們可以發(fā)現(xiàn)MIL-STD-883J對于鍵合引線拉鉤位置的表述更為準(zhǔn)確。我們已向國家標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)提出了修改建議，同時希望試驗人員今后在進行雙鍵合點鍵合拉力試驗時應(yīng)注意采用正確的拉鉤位置。

圖9　MIL-STD-883J方法2011.9雙鍵合點鍵合拉力試驗規(guī)定的拉鉤位置示意圖

5　結(jié)論

通過上述力學(xué)模型分析和驗證試驗，我們可以得到如下結(jié)論：雙鍵合點鍵合拉力試驗方法存在測量誤差，拉鉤力示值不一定能夠完全表征引線的最小拉脫力。為減少測試誤差，當(dāng)雙鍵合點位于相同平面時，最佳拉鉤位置是引線中點；當(dāng)雙鍵合點位于不同平面時，最佳拉鉤位置不宜選在引線中點，應(yīng)在引線最高點弧線頂點和引線雙鍵合點的中點之間。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 548B-2005[S]. 微電子器件試驗方法和程序，北京.

[2]黃強，等. 雙鍵合點破壞性引線鍵合拉力試驗的測量誤差分析[J]. 電子與封裝，2003，3（5）:13-16.

[3] 呂磊. 引線鍵合工藝介紹及質(zhì)量檢驗[J]. 電子工業(yè)專用設(shè)備，2008（3）.

[4] MIL-STD-883[S].DEPARTMENT OF DEFENSE TEST METHOD STANDARD.

凌 勇（1978—），男，安徽黃山市人，工學(xué)碩士，高級工程師，現(xiàn)在中國電子科技集團公司第58研究所質(zhì)量處從事產(chǎn)品質(zhì)量管理工作。

Analysis of Hook Position in Double Bond Pulling Test

LING Yong, LV Yin
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute, Wuxi 214035,China）

Abstract:The paper introduces the mechanics model of double bond pulling test and analyzes the effects of main factors such as hook position, arc length, bonding point height difference on the result of this test, discussing about the difference of double bond pulling test between GJB548B-2005 method2011.1 and MILSTD-883J method2011.9. In the end the paper gives some suggestions for improvement of the test method.

Keywords:double bond pulling test; hook position; arc length; bonding point height difference

作者簡介：

收稿日期：2015-9-1

中圖分類號：TN305.94

文獻標(biāo)識碼:A

文章編號：1681-1070（2016）01-0001-04