孫瑞婷

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

微組裝技術(shù)具有微型化、高集成、高可靠性的特點(diǎn)，采用微組裝技術(shù)的微波組件，比一般分離器件電路重量輕10～20倍，體積小4～6倍，性能和無故障時(shí)間成倍提升。微組裝一般包含清洗、器件芯片燒結(jié)、金絲鍵合、封帽等工藝流程。金絲鍵合是實(shí)現(xiàn)微波多芯片組件電氣互連的關(guān)鍵技術(shù)，金絲鍵合直接影響到電路的可靠性和穩(wěn)定性，對(duì)電路的微波特性具有很大的影響。本文主要針對(duì)微波模塊、組件中的金絲鍵合工藝進(jìn)行了研究，對(duì)提高金絲鍵合質(zhì)量起到工藝優(yōu)化的作用。

1 金絲鍵合簡介

鍵合是通過施加壓力、機(jī)械振動(dòng)、電能或熱能等不同能量于接頭處，形成連接接頭的一種方法，屬于壓力焊接的一種。在鍵合接頭內(nèi)金屬不熔化，但是在被連接面之間發(fā)生原子擴(kuò)散，即被連接面之間已達(dá)到了產(chǎn)生原子結(jié)合力的距離。將未封裝的半導(dǎo)體裸芯片直接安裝在微波多芯片組件（MCM）基板上，是微組裝技術(shù)的重要進(jìn)步。而裸芯片中的鍵合互連便是組裝MCM的關(guān)鍵技術(shù)。

鍵合互聯(lián)使用熱壓、超聲或熱超聲把鋁絲或金絲鍵合或點(diǎn)焊到裸芯片與基板的相應(yīng)焊盤位置上。隨著應(yīng)用需求的不斷提高，現(xiàn)在鋁絲鍵合的應(yīng)用越來越少，金絲鍵合已成為微組裝技術(shù)中的關(guān)鍵工藝。熱超聲鍵合是超聲波鍵合的一種變化，即再外加一個(gè)熱輸入，結(jié)合了熱壓與超聲兩者的優(yōu)點(diǎn)，熱超聲鍵合適合18～100μm的金絲。本文中選用25μm熱超聲鍵合方式。

從鍵合工具及對(duì)引線端部的工藝處理不同可將金絲鍵合分為球形鍵合（Ball Bond）和楔形鍵合（Wedge Bond），如圖1所示。

圖1 球形鍵合與楔形鍵合

球形鍵合時(shí)劈刀產(chǎn)生電火花熔化金絲在劈刀外的伸出部分，在表面張力作用下熔融金絲形成球形，球直徑一般是線徑的2～3倍，緊接著降下劈刀，在適當(dāng)?shù)膲毫投ê玫臅r(shí)間內(nèi)將金球壓在電極或芯片焊盤上完成第1焊點(diǎn)；然后劈刀運(yùn)動(dòng)到第2點(diǎn)位置，通過劈刀外壁對(duì)金絲施加壓力以楔形鍵合方式完成第2焊點(diǎn)，之后扯線使金絲斷裂，劈刀升高到合適的高度送線達(dá)到要求尾線長度，進(jìn)入下一鍵合循環(huán)。球形鍵合是一種全方位的工藝（即第2焊點(diǎn)可相對(duì)第1焊點(diǎn)360°任意角度焊接）。球形鍵合一般采用直徑75μm以下的金絲，因?yàn)槠湓诟邷厥軌籂顟B(tài)下容易變形、抗氧化性能好、成球性好，一般用于焊盤間距大于100μm的情況。

楔形鍵合時(shí)金絲穿過劈刀背面的通孔，通過劈刀傳導(dǎo)的熱、壓力或超聲波能量，金絲和焊盤金屬的表面接觸并最終形成連接。楔形鍵合是一種單一方向焊接工藝 （即第二焊點(diǎn)必須與第一焊點(diǎn)同方向）。

由于楔焊可實(shí)現(xiàn)最小的拱弧，故在微波器件中廣泛應(yīng)用。本文主要對(duì)楔焊鍵合質(zhì)量進(jìn)行研究，故以下論述中的鍵合方式全部為楔焊，所用工藝設(shè)備為美國 Westbond公司的7476E鍵合機(jī)，如圖2所示。

2 金絲鍵合質(zhì)量的影響因素

金絲鍵合質(zhì)量的影響因素有劈刀、鍵合參數(shù)、鍵合層鍍金質(zhì)量、金絲等。

2.1 劈刀

圖2 Westbond 7476E鍵合機(jī)

劈刀是金絲鍵合的直接工具，楔焊劈刀用于金絲、金帶、鋁絲、鋁帶等鍵合，主要分為深腔、非深腔、粗鋁、金帶／鋁帶鍵合等幾大類，多為鎢鋼材料，刀頭部分材料為陶瓷。

在一個(gè)完整的楔形鍵合中（如圖3），第1鍵合點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度主要受到劈刀的后倒角（BR）和鍵長（BL）、劈刀在鍵合第1點(diǎn)后上升過程、拉弧過程所產(chǎn)生的摩擦及拉力、線夾打開的寬度等因素的影響。如果BR太小，則劈刀后倒角區(qū)域較鋒利，就會(huì)導(dǎo)致第1鍵合點(diǎn)的根部較脆弱，在拉力測(cè)試實(shí)驗(yàn)中容易在此位置斷裂。在完成第1鍵合點(diǎn)后，劈刀要經(jīng)過先上升、再向第2鍵合點(diǎn)方向水平移動(dòng)，然后下降到第2鍵合點(diǎn)進(jìn)行鍵合的過程，在該過程中，第1鍵合點(diǎn)的根部會(huì)受到拉力彎曲，引線受到送線孔后端的摩擦，都會(huì)影響第1鍵合點(diǎn)的根部或者損傷第1鍵合點(diǎn)根部。第2鍵合點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度主要受到前倒角（FR）和鍵長的影響，此時(shí)BR的作用是保持尾絲的一致性及扯斷引線提供一個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)。因此如果要得到良好的引線鍵合，一定要根據(jù)所用引線的直徑選擇合適的劈刀參數(shù)。

在實(shí)際使用中，當(dāng)劈刀用過一段時(shí)間后，前倒角、后倒角等劈刀端面就會(huì)產(chǎn)生一定的磨損，這樣導(dǎo)致焊點(diǎn)根部的鍵合強(qiáng)度降低，影響鍵合質(zhì)量。同時(shí)，操作人員使用不當(dāng)也會(huì)縮短劈刀的使用壽命。

2.2 鍵合參數(shù)

在劈刀到頭端部引線與鍵合表面接觸后，鍵合機(jī)通過劈刀傳遞到引線一定的壓力和超聲波能量，使引線與鍵合表面產(chǎn)生相對(duì)摩擦形成物理性連接。在鍵合過程中，施加的壓力、超聲功率、鍵合時(shí)間及劈刀溫度對(duì)鍵合質(zhì)量的影響最大。壓力是引線鍵合中的必要條件。壓力太小，劈刀不能緊緊地壓住引線，超聲功率的傳遞效率不高導(dǎo)致無法形成高強(qiáng)度鍵合點(diǎn)。壓力太大又會(huì)導(dǎo)致鍵合過程中引線產(chǎn)生過大的形變，而使引線斷裂或鍵合點(diǎn)脆弱。超聲功率太小則起不到鍵合的作用。功率太大，引線受到太大的變形使鍵合點(diǎn)抗拉強(qiáng)度減弱，并且破壞鍵合面金屬層或芯片表面。在選擇合適的壓力和超聲功率時(shí)，鍵合時(shí)間的合理選擇也對(duì)鍵合點(diǎn)質(zhì)量起到關(guān)鍵的作用。因此要得到良好的鍵合點(diǎn)，必須根據(jù)使用引線的直徑選擇合適的鍵合參數(shù)。

圖3 楔形鍵合劈刀示意圖

2.3 鍵合層鍍金質(zhì)量

同種金屬間的鍵合效果最好，能夠得到最高的可靠性。實(shí)驗(yàn)中使用金絲鍵合，因此鍍層也選用鍍金層。鍍金層的厚度直接影響鍍金層硬度，鍍金的純度直接影響鍍金質(zhì)量，2個(gè)條件對(duì)鍵合質(zhì)量均有很大的影響。

另外，鍍金層表面的清潔度對(duì)鍵合質(zhì)量也有較大的影響。等離子清洗具有清洗干凈、不損傷芯片、不降低膜層的附著力等特點(diǎn)，同時(shí)它具有常規(guī)的液相清洗不可比擬的優(yōu)勢(shì)［1］。等離子清洗過程中高能電子碰撞反應(yīng)氣體分子，使之離解或電離，利用產(chǎn)生的多種粒子轟擊被清洗表面或與被清洗表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而有效清除被清洗表面的有機(jī)污染物或改善表面狀態(tài)。因此鍵合前對(duì)鍍金層表面進(jìn)行等離子清洗是十分必要的。本文中采用氬單種等離子清洗［2］。

2.4 金絲

金絲的質(zhì)量和直徑對(duì)鍵合質(zhì)量都有影響。金絲的純度一般為99.99%以上，且要求尺寸精確、表面均勻無污染、達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的拉斷力和延展率。不同的集成電路對(duì)金絲的直徑要求也不同，本文中實(shí)驗(yàn)采用生產(chǎn)中常用的25μm金絲為例對(duì)金絲鍵合質(zhì)量進(jìn)行分析。

2.5 其他影響因素

不同的基板材料也會(huì)產(chǎn)生不同的鍵和效果。比如在陶瓷基板表面進(jìn)行金絲鍵合非常容易，而且鍵合質(zhì)量非常好，引線拉力較大，而在軟基板如羅杰斯5880軟基板表面進(jìn)行金絲鍵合就相對(duì)比較困難，并且該現(xiàn)象是目前國內(nèi)非常普遍存在的一個(gè)問題，關(guān)于如何解決在軟基板表面鍵合困難的問題，經(jīng)常使用的辦法是楔焊與球焊配合使用，即在用楔焊完成金絲鍵合后，再用球焊機(jī)在軟基板端的鍵合點(diǎn)上壓一個(gè)金球進(jìn)行加固，可以有效地提高焊點(diǎn)質(zhì)量。

另外Westbond 7476E鍵合機(jī)屬于手動(dòng)鍵合機(jī)，鍵合過程受到一定的人為因素影響，操作人員的技術(shù)熟練度、疲勞程度等都可能影響到鍵合質(zhì)量，所以實(shí)驗(yàn)中所有鍵合操作全部由同一個(gè)操作人員完成，并且使其保證充分的休息。

3 實(shí)驗(yàn)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過以上內(nèi)容可知，劈刀、鍵合層鍍金質(zhì)量、金絲等因素一旦選定就無法改變，而鍵合參數(shù)可以通過調(diào)節(jié)不同的參數(shù)而得到最優(yōu)組合。因此實(shí)驗(yàn)中選定鍵合參數(shù)作為實(shí)驗(yàn)控制變量，包括壓力、超聲功率、鍵合時(shí)間和劈刀溫度。其中壓力根據(jù)芯片推薦要求選擇22g。對(duì)于實(shí)驗(yàn)方法，有研究表明正交實(shí)驗(yàn)法可以有效得到優(yōu)化的鍵合參數(shù)組合［3－4］。

本文在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化篩選。首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定參數(shù)的范圍邊界，最低要求能夠得到完整的鍵合點(diǎn)，最高要求在鍵合過程中不能壓斷金絲。然后在各參數(shù)的邊界范圍內(nèi)均勻設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)組合，得到實(shí)驗(yàn)方案。選取了陶瓷和羅杰斯5880兩種基板板材，芯片選取GaAs芯片，使用進(jìn)口25μm金絲，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中最常使用的鍵合類型制定表1所示實(shí)驗(yàn)方案。實(shí)驗(yàn)中每組工藝參數(shù)都采用全新劈刀進(jìn)行鍵合后做拉力測(cè)試所得到的拉力值作為參考標(biāo)準(zhǔn)。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

確定方案后，分別對(duì)各方案均勻設(shè)計(jì)12組參數(shù)組合，每種組合鍵合10根金絲，鍵合完成后剔除人為因素造成的不合格焊點(diǎn)，包括焊點(diǎn)尾絲過長、焊點(diǎn)不完整、金絲拱弧過低等情況，對(duì)其余鍵合金絲用Westbond 70PTE拉力測(cè)試儀進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測(cè)試。按照GJB 548B－2005中方法2011.1對(duì)鍵合金絲進(jìn)行破壞性鍵合拉力實(shí)驗(yàn)。

得到測(cè)試數(shù)據(jù)后，剔除相對(duì)于平均值過高或過低的數(shù)據(jù)，對(duì)剩余的數(shù)據(jù)取平均值作為每組鍵合參數(shù)的抗拉強(qiáng)度值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2～表5，其中超聲功率為鍵合機(jī)轉(zhuǎn)換的步進(jìn)值，無單位；鍵合時(shí)間單位為ms；拉力值單位為gf。

表2 方案1實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 方案2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表4 方案3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 方案4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)驗(yàn)證，以上所有數(shù)據(jù)結(jié)果均滿足軍標(biāo)GJB 548B－2005（鍵合拉力強(qiáng)度最低值3gf）的要求?？梢詮膶?shí)驗(yàn)結(jié)果中看出，超聲功率對(duì)拉力測(cè)試結(jié)果影響較大，即該因素對(duì)金絲鍵合質(zhì)量有較大的影響。在實(shí)際裝配操作中要根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果采取最優(yōu)參數(shù)組合［5］，從而提高裝配的可靠性。

影響金絲鍵合質(zhì)量的因素很多，其中超聲功率和鍵合時(shí)間是實(shí)際設(shè)備操作中最直接接觸、最直觀反應(yīng)鍵合效果的因素。對(duì)于金絲鍵合質(zhì)量的分析，也不僅僅局限于測(cè)量鍵合拉力，還包含焊點(diǎn)寬度的影響、焊點(diǎn)失效性分析、金絲弧度及跨度、鍵合金絲微波特性等各種分析方法，都需要大量實(shí)驗(yàn)以及實(shí)際操作驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

本文在已有實(shí)際工藝操作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)鍵合參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，超聲功率和鍵合時(shí)間在一定范圍內(nèi)可以得到最優(yōu)的鍵合強(qiáng)度，而低于或高于該范圍時(shí)都會(huì)降低鍵合強(qiáng)度。因此在實(shí)際生產(chǎn)過程中，要根據(jù)實(shí)際情況制定合理的鍵合參數(shù)方案，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后才可以進(jìn)行生產(chǎn)裝配，這樣才可以在節(jié)省時(shí)間的前提下既得到可靠的裝配質(zhì)量，又可以使產(chǎn)品獲得較好的微波特性（如插損、駐波等）。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)提高生產(chǎn)工藝水平有一定的指導(dǎo)意義，可廣泛應(yīng)用于 MCM 組件、T／R組件等微波組件中。

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