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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:陳柏光
研究生(外文):Po-kuang Chen
論文名稱:應用田口法探討銲線製程參數最佳化
論文名稱(外文):Wire Bonding Parameters Optimization by Using Taguchi’s Method
指導教授:張勁燕張勁燕引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:逢甲大學
系所名稱:資訊電機工程碩士在職專班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2009
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:157
中文關鍵詞:田口方法金線拉力測試積體電路銲線金球推力測試金球尺寸
外文關鍵詞:Taguchi’s methodgold wire pull testgold ball sizegold ball shear testwire bondingICintegrated circuits
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摘 要
電子技術的發展以及顧客對電子產品的需求,持續朝高性能、高複雜方向前進從未停過。在封裝技術的演進上,不斷朝高腳數、小型化、低成本的封裝之途邁進。在目前積體電路(integrated circuits, IC)封裝領域中,銲線製程大多使用金線來連接晶片與載板,以作為電性信號傳遞的橋樑。半導體封裝之銲線(wire bonding)製程已朝向微細銲墊間距的高精密度銲線技術發展,並著重銲線製程能力的提升;因此製程的參數設計,在製程技術發展上扮演極重要的一環,而透過最佳化參數設計,不但可以縮短製程開發及上線的時程,還可以降低成本。
然而對於具有多重品質特性的產品或製程最佳化的問題,目前工程師多半只能依賴其工程經驗做出判斷,依據不同的品質特性,分別找出各品質特性的最佳因子水準組合。因此,如何藉由最佳化方法,找出製程最佳操作參數,是業界目前關切最要的議題。
本研究將針對封裝銲線製程,透過田口方法(Taguchi’s method)進行實驗,以找出製程中之關鍵因子(key factor)、水準(level)與最佳參數組合,再經由金球推力測試(gold ball shear test)及金球尺寸(gold ball size)之品質特性來分析第一銲點的黏著強度;以金線拉力測試(gold wire pull test)來分析第二銲點的黏著強度。由實驗結果得知,第一銲點最佳參數為超音波功率:90 mW、銲接力量:100 g、銲接時間:15 ms、銲接溫度:250 ℃,影響最大的關鍵因子為超音波功率。第二銲點最佳參數分別為超音波功率:130 mW、銲接力量:210 g、銲接時間:20 ms、銲接溫度:270 ℃,影響最大關鍵因子也是超音波功率,在搭配製程能力指數,可驗證最佳之品質特性。
Abstract
On the development of electrical technology and consumer’s demand on the electric products, humans never stop chasing on the trend of high performance and complex. Based on the innovation of SOP (small outline package) technology, it is always on the movement of high pincounts (I/O), miniaturization and low cost. During the process of wire bonding, it uses gold wire to connect chips and substrates in order to bridge the electric signals in the Integrated Circuits, IC. The wire bonding process of semiconductor is on the progress of developing the high precision wire bonding technology of the bond pad fine pitch; furthermore, it also focuses on upgrading the skill of wire bonding. Therefore, the parameters are extremely important on the innovation of manufacturing process. Based on the optimization parameters, it is not only reducing the timeframe of innovation process, but it can also decrease the cost.
Regarding to the variable quality characteristics on products and the optimization parameters, most of engineers make their determination only relied on their own personal experiences based on its different quality characteristics to distinguish its optimization combination for each characteristic. Therefore, an important subject what this industry is most concern about is how to utilize the optimization combination to discover the optimization parameters.
This research will be focused on the operation of wire bonding via experimenting Taguchi’s method to determine the key factors, levels and optimization parameters. To analyze the strength of first bonding, it can apply the gold ball shear test and the quality characteristics of gold ball size. And then, the gold wire pull test can examine the strength of second bonding. As a result of the experiment, the optimization quality characteristics can
be verified.
目 錄

摘要………………………………………………………………………i
Abstract…………………………………………………………iii
誌謝…………………………………………………………v
目錄………………………………………………………vi
圖目錄……………………………………………………………x
表目錄……………………………………………………………xiv
第一章、緒論……………………………………………………………1
1.1 研究動機…………………………………………………………1
1.2 研究目的…………………………………………………………2
1.3 研究方法……………………………………………………3
1.4 文獻探討………………………………………………………4
1.5 章節提要……………………………………………………………8
1.6 專有名詞中英文對照………………………………………………8
第二章、半導體封裝銲線…………………………………………………23
2.1半導體封裝發展趨勢………………………………………………23
2.2半導體製程介紹……………………………………………………23
2.3 封裝型態……………………………………………………………29
2.3.1電晶體外型封裝………………………………………………31
2.3.2雙列直入型封裝………………………………………………32
2.3.3小外型封裝…………………………………………………33
2.3.4方形扁平式封裝;塑膠扁平組件式封裝……………………33
2.3.5針柵陣列封裝…………………………………………………34
2.3.6晶片承載器封裝………………………………………………35
2.3.7球柵陣列封裝…………………………………………………35
2.3.8覆晶接合封裝…………………………………………………36
2.3.9多晶片模組封裝………………………………………………37
2.3.10晶片尺寸封裝………………………………………………38
2.3.11晶圓級封裝…………………………………………………38
2.3.12捲帶式晶片載體封裝………………………………………39
2.3.13特殊封裝……………………………………………………39
2.4銲線原理…………………………………………………………40
2.4.1 銲線由來………………………………………………………40
2.4.2 銲線接合………………………………………………………41
2.4.3 銲線製程…………………………………………………43
第三章、研究方法………………………………………………………48
3.1田口法…………………………………………………………48
3.2田口法原理………………………………………………………48
3.2.1 參數設計……………………………………………………49
3.2.2 損失函數……………………………………………………50
3.2.3 品質特性的分類……………………………………………53
3.2.4 訊號雜訊比…………………………………………………54
3.2.5 直交陣列………………………………………………………55
3.3品質工程分析………………………………………………58
3.3.1 製程能力分析…………………………………………………58
3.3.2 製程能力指標…………………………………………………59
3.3.3 Ca與Cp定義與公式…………………………………………59
3.3.4 Cpk之定義與公式…………………………………………61
第四章、實驗系統架構……………………………………………………63
4.1 實驗目的……………………………………………………63
4.2 實驗流程……………………………………………………63
4.3 實驗材料與設備……………………………………………63
4.4 實驗參數設計………………………………………………64
4.5 半導體封裝銲線線路品質檢驗……………………………………65
4.5.1 金球推力檢驗………………………………………65
4.5.2 金線拉力檢驗…………………………………………67
第五章、實驗結果與討論………………………………………………69
5.1 機台能力驗證………………………………………………………69
5.1.1 超音波功率能力驗證………………………………………69
5.1.2 銲接力量能力驗證…………………………………………70
5.1.3 銲接時間能力驗證…………………………………………70
5.1.4 銲接溫度能力驗證…………………………………………71
5.2 田口法實驗分析……………………………………………71
5.2.1 第一銲點實驗結果………………………………………72
5.2.2 第二銲點實驗結果………………………………………73
5.3 製程能力分析……………………………………………………74
第六章、建議與未來展望…………………………………………………75
6.1 結論……………………………………………………………75
6.2 未來的研方向與建議……………………………………………77
參考文獻…………………………………………………………………79

圖目錄

圖2.1 半導體製程…………………………………………………………82
圖2.2 半導體封裝流程…………………………………………………83
圖2.3 銲線站……………………………………………………………83
圖2.4 銲線完成…………………………………………………………83
圖2.5 封裝連接方式;(a)打線式,(b)捲帶式,(c)覆晶式………………84
圖2.6 TO-8 8隻腳封裝型式;(a)外觀圖,(b)X射線上視圖,(c)構造圖…85
圖2.7 TO-252 3隻腳封裝;(a)外觀圖,(b)X射線圖,(c)解析圖………86
圖2.8 DIP 8隻腳封裝;(a)外觀圖,(b)X射線圖,(c)解析圖……………87
圖2.9 DIP 40隻腳封裝;(a)外觀圖,(b)銲線圖,(c)X射線圖……………..88
圖2.10 SOP 14隻腳封裝式;(a)外觀圖,(b)X射線圖,(c)解析圖………89
圖2.11 QFP 100隻腳封裝;(a)外觀圖,(b)X射線圖,(c)解析圖………90
圖2.12 PGA 168隻腳封裝型式;(a)外觀圖,(b)X射線圖,(c)解析圖…91
圖2.13 LCC 32隻腳封裝型式;(a)外觀圖,((b)X射線圖………………92
圖2.14 BGA錫球分布型式;(a)交錯式,(b)環列式,(c)矩陣式………93
圖2.15 BGA封裝型式……………………………………………………93
圖2.16 覆晶封裝技術……………………………………………………94
圖2.17 FC封裝型式;(a)外觀圖,(b)X射線圖……………………………94
圖2.18 MCM封裝型式;(a)外觀圖,(b)電路圖…………………………95
圖2.19 CSP封裝型式;(a)外觀圖,(b)X射線圖…………………………96
圖2.20 WLP封裝型式;(a)傳統封裝,(b)晶圓封裝,(c)晶圓封裝外觀…97
圖2.21 TCP和COF封裝型式;(a)TCP外觀,(b)COF外觀,(c)二種型式示意
圖…………………………………………………………………97
圖2.22 封裝外觀;(a)COG,(b)TCP,(c)COF……………………………98
圖2.23 堆疊封裝型式;(a)相同尺寸,(b)懸吊式交叉,(c)金字塔圖…100
圖2.24 金鋁混合銲線接合型式;(a)球形結合,(b)楔形結合…………100
圖2.25 球型與楔形型式;(a)楔形,(b)球形放大……………………..100
圖2.26 銲線步驟圖……………………………………………………103
圖3.1 影響銲線品質的特性魚骨圖…………………………………104
圖3.2 望目特性損失函數關係圖…………………………………104
圖3.3 望小特性損失函數關係圖……………………………………105
圖3.4 望大特性損失函數關係圖……………………………………105
圖3.5 金球脫落與金線斷線樣本圖…………………………………106
圖3.6 銲線高度異常樣本…………………………………………106
圖4.1 實驗流程圖……………………………………………………107
圖4.2 銲線機外觀圖……………………………………………………107
圖4.3 銲線機系統示意圖………………………………………………108
圖4.4 金相顯微鏡外觀圖………………………………………………108
圖4.5 金相顯微鏡量測系統示意圖……………………………………109
圖4.6 X-射線量測系統示意圖…………………………………………109
圖4.7 金球徑量測方法;(a)投影機,(b)金球徑量測,(c)金球示意圖..110
圖4.8 金球厚度量測方法;(a)金相顯微鏡外觀,(b)金球厚度量測…111
圖4.9 金球應剪力判定標準……………………………………………112
圖4.10 金球推力機外觀圖……………………………………………..113
圖4.11 金線高度量測標準;(a)金相顯微鏡,(b)金線高度量測………114
圖4.12 金線拉力示意圖.................................................................115
圖4.13 金線拉力判定方法;(a)金線拉力判定,(b)金線拉力示意圖…115
圖5.1 超音波功率對第一銲點金球推力的影響………………………116 圖5.2 超音波功率對第二銲點金線拉力的影響………………………116
圖5.3 銲接力量對第一銲點金球推力的影響…………………………117
圖5.4 銲接力量對第二銲點金線拉力的影響…………………………117
圖5.5 銲接時間對第一銲點金球推力的影響…………………………118
圖5.6 銲接時間對第二銲點金線拉力的影響…………………………118
圖5.7 銲接溫度對第一銲點金球推力的影響…………………………119
圖5.8 銲接溫度對第二銲點金線拉力的影響…………………………119
圖5.9 各參數金球推力訊號雜訊比的影響…………………………120
圖5.10 各參數金線拉力訊號雜訊比的影響……………………………120














表目錄

表2.1 IC封裝中英對照表................................................121
表2.2 IC封裝技術表.......................................................121
表2.3 封裝材料比較表.......................................................122
表2.4 傳統封裝規格表.......................................................122
表2.5 基板封裝規格表..........................................................123
表2.6 晶片尺寸封裝與晶片封裝比較表....................................123
表2.7 銲線機接合方式表........................................................124
表2.8 球型與楔型差異表........................................................124
表3.1 3n 直交陣列水準分配表………………………………………125
表3.2 3n 直交陣列分布表……………………………………………125
表3.3 半導體封裝銲線直交陣列水準分配表…………………………126
表3.4 半導體封裝銲線直交陣列分布表………………………………126
表3.5 半導體封裝銲線直交陣列水準分配表…………………………127
表3.6 直交陣列分布表…………………………………………………127
表3.7 直交陣列分布表…………………………………………………128
表3.8 Ca等級處理原則對照表………………………………………129
表3.9 Cp等級處理原則對照表……………………………………129
表3.10 Cpk等級處理原則對照表……………………………………...129
表4.1 實驗材料規格表…………………………………………………130
表4.2 銲線機台規格表…………………………………………………130
表4.3 金相顯微鏡規格表………………………………………………130
表4.4 X-射線檢查機規格表…………………………………………131
表4.5 第一銲點實驗參數設定直交表…………………………………131
表4.6 第一銲點實驗參數之 直交水準分配表………………….132
表4.7 第二銲點實驗參數設定直交表…………………………………133
表4.8 第二銲點實驗參數之 直交水準分配表………………….134
表4.9 金球推力機規格表……………………………………………135
表4.10 金球推力強度判定表…………………………………………135
表4.11 金線拉力機規格表……………………………………………135
表4.12 金線拉力強度判定表…………………………………………136
表4.13 直交陣列………………………………………………136
表4.14 半導體封裝銲線水準組合表…………………………………136
表5.1 第一銲點量測值………………………………………………137
表5.2 第一銲點S/N量測量……………………………………………137
表5.3 第一銲點變異分析……………………………………………138
表5.4 第二銲點量測值………………………………………………138
表5.5 第二銲點S/N量測量……………………………………………139
表5.6 第二銲點變異分析……………………………………………139
表5.7 第一銲點製程能力分析………………………………………140
表5.8 第二銲點製程能力分析………………………………………140
參考文獻
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