The Study of the Optimized Model Parameters by Using Nd: YAG/YVO4 laser for the QFN Package

本研究利用波長為1064nm之紅光固體雷射-Nd：YAG（YVO4） Laser打印機進行QFN（Quad FlatNo-lead）膠體（Package）刻字（Marking），其是將雷射刻字打於模壓樹脂（EMC）之上。由於現在雷射加工的文獻絕大部分是以金屬、木材或不銹鋼的材料來進行研究。較少有人針對IC（Integrated Circuit）膠體刻字進行相關研究，也沒有針對雷射IC膠體刻字提供雷射參數最適化的選取方式，而且刻字品質較少受到關注。 因此，實驗參數是否最佳化，對整個實驗的正確性扮演著重要的關鍵。本研究利用田口法（Taguchi method：TM）得到最適化之雷射參數，以提高雷射刻字品質，藉由此次研究能為實驗室或是使用Nd：YAG（YVO4）雷射IC膠體刻字機的廠商提供一套可以遵循的操作模式，例如：參數設計(Parameter Design)、參數驗證(Parameter Verification)等等，以節省大量的實驗時間及測試成本。 田口法及變異數分析為本研究所採用的實驗方法，以雷射打印機之Laser Current、Q-Switch Frequency、Laser Speed、Laser Beam off delay Time、Laser Beam on delay Time、Delay Galvo Max、Delay Galvo Min 及Jump Speed等8個參數對小字體刻字品質的辨識度有重大的影響。由實驗結果得知，1、要打印小字體於模壓樹脂上，以Laser Current為最主要之因子，可作業到0.404mm及0.403mm 之平均字高；2、如再加上刻字品質的辨識，則Laser Beam off delay Time為最主要之因子，可得到99.17及99.58之平均評分，而刻字深寬比(Marking Depth Width Ratio)在0.1844-0.2325間。This research is to apply the red light solid state laser with wavelength 1064 nm-Nd: YAG(YVO4) laser marking machine to perform QFN package marking. It is that we use the laser to mark onto the epoxy molding compound(EMC).Nowadays, most researches apply laser process to focus on some particular materials, such as metals, wood, or stainless steel. Few researchers give attention to IC package marking, nor does anyone provides the most appropriate method to select the parameters of laser about IC package marking; moreover, the quality of marking is not regarded with more emphasis. Therefore, whether the parameters are optimized is a key factor to experiment. As a result, this research applies TM (Taguchi Method) to get optimized parameters and uses these parameters to enhance the quality of laser marking. To wish to provide laboratories and industries using Nd: YAG(YVO4) laser IC marking machines have a standard model, such as parameter design and parameter verification,and so on to reduce time and cost spent on testing. The Taguchi Method and Analysis of Variance(ANOVA)are used by this research. The eight sets of parameters of laser marking machine (Laser Current, Q-Switch Frequency, Laser Speed, Laser Beam off delay Time, Laser Beam on delay Time, Delay Galvo Max, Delay Galvo Min, and Jump Speed) are critical effect on resolution of marking quality with small size character. There are several results can be obtained from the experiment:(1)to mark small size character on the epoxy molding compound, the main factor is “Laser Current”. It can mark the average character height in 0.404mm and 0.403mm and (2) to add the adjudging marking quality again, the main factor is “Laser Beam off delay Time”. It could be given the average score with 99.17 and 99.58.And, the marking depth /width ratio is between 0.1844 and 0.2325.致謝辭 i 中文摘要 ii Abstract iii 目錄 iv 表目錄 vii 圖目錄 viii 第一章 緒論 1 1.1 研究介紹 1 1.1.1 IC封裝的作業流程 2 1.1.2 QFN Package 2 1.1.3 IC封裝的目的 6 1.1.4 IC打印（Mark）的目的 6 1.1.5 IC封裝的發展 7 1.2 研究動機 8 1.3 研究目的 9 1.4 研究方法 10 1.5 研究流程 10 1.6 論文架構 11 第二章 相關文獻回顧與雷射相關技術發展介紹 12 2.1 IC封裝製程 12 2.2 模壓樹脂（Epoxy Molding Compound） 17 2.3 IC Marking的演進 19 2.4 雷射打印的原理 22 2.4.1 雷射打印的種類 23 2.5 何謂雷射 24 2.5.1 雷射的發展簡史 24 2.5.2 雷射的基本特性 25 2.5.3 雷射的種類 26 2.5.3.1 固體Laser的種類 27 2.5.3.2 釹釔鋁石榴石雷射（Nd：YAG Laser）介紹 28 2.5.3.3 釹釔鋁石榴石雷射(Nd：YAG Laser)晶體的優點 28 2.5.3.4 釹釔鋁石榴石雷射（Nd：YAG Laser）的構造 28 2.5.3.5 釹（Nd3+）能階圖 30 2.6 雷射光的脈衝特性 31 2.7 雷射功率輸出的時間特性 32 2.8 雷射的基本構成 33 2.9 物質與輻射作用的三個基本過程 34 2.10 波茲曼（Boltzmann）函數分布 36 2.11 雷射受激發射的過程 37 2.12 相關文獻回顧 39 第三章 田口式實驗設計法 44 3.1 前言 44 3.2 田口式實驗法 44 3.3 控制因子及雜訊因子 45 3.4 信號雜訊比（S/N Ratio）之特性 46 3.5 直交表 48 3.6 交互作用 50 3.7 田口式實驗法的基本步驟 51 3.8 變異數分析（Analysis of Variance- ANOVA） 52 3.9確認實驗 55 3.10田口法之相關文獻 55 第四章 實驗系統與架構 58 4.1 實驗目的 58 4.2 實驗步驟 58 4.3 實驗材料及環境 59 4.4 實驗設備 60 4.5 品質量測設備 62 4.6 實驗之軟體程式 67 4.7 實驗參數之設定 68 4.8 雷射印字品質之檢驗 70 第五章 實驗結果與討論 71 5.1 實驗之雷射打印內容及詳細程序 72 5.2 第一項實驗-字高量測 73 5.3 第二項實驗-雷射印字品質檢驗 93 5.4實驗參數確認 117 5.5 實驗結果統合分析 118 第六章 結論與未來研究方向 119 6.1 研究結論 119 6.2 未來研究方向 120 參考文獻 121 附錄 124 A1 （M1）之雷射深度及刻劃線徑寬量測（Unit：μm） 124 A2 （M2）之雷射深度及刻劃線徑寬量測（Unit：μm） 125 A3 （M1）之取樣一目視判讀評分 126 A4 （M2）之取樣一目視判讀評分 12