楊中躍，張桂芝

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所，上海201802）

0 引 言

在微波組件封裝中，金絲鍵合是實(shí)現(xiàn)微波組件電氣互連的關(guān)鍵技術(shù)，通常用于組件中裸芯片與微帶線(xiàn)的鍵合互連。因其具有工藝操作簡(jiǎn)單、加工成本低、熱匹配性能好及熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛用于微波組件產(chǎn)品中，在實(shí)際生產(chǎn)中具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。［1?2］金絲鍵合質(zhì)量的優(yōu)劣直接決定了微波組件的可靠性和穩(wěn)定性，影響著設(shè)備的整體電性能。研究表明鍵合質(zhì)量受鍵合引線(xiàn)材料、鍵合焊盤(pán)質(zhì)量和鍵合工藝參數(shù)等因素的影響，其中鍵合工藝參數(shù)的匹配尤為重要。［3?4］在實(shí)際操作過(guò)程中，只有充分掌握鍵合設(shè)備的性能、鍵合材料特性以及鍵合工藝參數(shù)對(duì)鍵合質(zhì)量的影響規(guī)律，才能準(zhǔn)確地匹配好鍵合工藝參數(shù)，獲得理想的鍵合效果。因此，加強(qiáng)對(duì)鍵合工藝參數(shù)的研究，掌握鍵合工藝參數(shù)的實(shí)際變化規(guī)律，對(duì)于提高鍵合質(zhì)量以及微波組件整體性能具有十分重要的意義。

1 金絲鍵合簡(jiǎn)介

鍵合是指借助鍵合設(shè)備，在熱能、壓力或超聲能量的共同作用下，通過(guò)金屬引線(xiàn)（主要有金絲、鋁絲或銅絲）將芯片與基板、芯片與芯片、基板與基板相應(yīng)的焊區(qū)連接起來(lái)的一種電氣互連技術(shù)。［4?5］在鍵合界面上，金屬引線(xiàn)與焊盤(pán)金屬化層發(fā)生摩擦，產(chǎn)生一種剪切力，并作用于連接面金屬原子上，從而活化了接觸金屬表面，去除了鍵合引線(xiàn)和焊盤(pán)接觸面的污染物，最終獲得良好的金屬間鍵合效果。

根據(jù)鍵合能量施加方式的不同，引線(xiàn)鍵合工藝可分為熱壓鍵合、超聲鍵合和熱壓超聲鍵合3種。因熱壓超聲鍵合同時(shí)使用壓力、熱和超聲能量，可大大降低加熱溫度，提高引線(xiàn)鍵合強(qiáng)度，故逐步取代熱壓鍵合與超聲鍵合，成為時(shí)下最流行的鍵合技術(shù)。另外，根據(jù)鍵合工具的不同，引線(xiàn)鍵合也可分為球形鍵合和楔形鍵合。

1.1 球形鍵合

圖1所示為球形鍵合工藝過(guò)程。

圖1 球形鍵合工藝過(guò)程

球形鍵合時(shí)金屬絲穿過(guò)鍵合機(jī)劈刀中心孔，到達(dá)劈刀端部。劈刀產(chǎn)生電火花熔化端部金屬絲的伸出部分。在材料表面張力的作用下，熔融金屬凝固形成標(biāo)準(zhǔn)的球形。熔球直徑一般為線(xiàn)徑的2～3倍。緊接著降下劈刀，在匹配的功率、壓力和時(shí)間內(nèi)將金屬球精確地壓在對(duì)應(yīng)的焊盤(pán)或引腳上。鍵合過(guò)程中，劈刀向金屬球施加壓力，同時(shí)促進(jìn)引線(xiàn)鍵合面的焊盤(pán)金屬層發(fā)生塑性形變和原子間擴(kuò)散，進(jìn)而完成第1焊點(diǎn)鍵合。然后，劈刀移到第2焊點(diǎn)位置。第2焊點(diǎn)通過(guò)劈刀外壁對(duì)金屬絲施加壓力以形成楔形鍵合。之后扯線(xiàn)使金屬絲斷裂后，劈刀上升到設(shè)定的高度送線(xiàn)達(dá)到要求尾線(xiàn)長(zhǎng)度，進(jìn)入下一鍵合循環(huán)。球形鍵合沒(méi)有固定的方向，第2焊點(diǎn)相對(duì)第1焊點(diǎn)可以360°任意角度走線(xiàn)。鍵合通常采用75μm以下的金絲（一般選用50μm）。因?yàn)榻鸾z在高溫受壓狀態(tài)下容易變形、抗氧化性能好、成球性好，故球形鍵合一般用于焊盤(pán)間距不小于100 μm的情況。

1.2 楔形鍵合

如圖2所示，楔形鍵合時(shí)金屬絲穿過(guò)劈刀中心孔和背面通孔，與水平被鍵合面形成30°～60°角方向，在超聲功率、壓力和時(shí)間共同作用下金屬絲和焊盤(pán)金屬的表面接觸并最終形成鍵合。楔形鍵合是一種單一方向的鍵合工藝技術(shù)，即第2焊點(diǎn)必須與第1焊點(diǎn)同向，其主要優(yōu)點(diǎn)是適用于50μm以下的焊盤(pán)間距，且金絲鍵合后需要密閉封裝。楔形鍵合方向的單一性導(dǎo)致其鍵合速度低于球形鍵合，但楔形鍵合焊點(diǎn)卻遠(yuǎn)小于球形鍵合，且鍵合區(qū)鍵合引線(xiàn)變形度僅30%，而球形鍵合則高達(dá)70%。另外，楔形鍵合工藝中形成的金絲弧高與弧長(zhǎng)均小于球形鍵合，且弧高和弧長(zhǎng)控制更加容易，工藝更加簡(jiǎn)單便捷，具有更高的生產(chǎn)效率。因此，在微波模塊、微波多芯片組件等微波產(chǎn)品組裝過(guò)程中，熱超聲楔形鍵合獲得更為廣泛的應(yīng)用。

圖2 楔形鍵合工藝過(guò)程

本文以獲得高可靠的微波組件金絲楔形鍵合互連為目標(biāo)，通過(guò)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案對(duì)25μm金絲進(jìn)行鍵合試驗(yàn)，后對(duì)鍵合金絲進(jìn)行拉力測(cè)試。根據(jù)測(cè)量結(jié)果探索優(yōu)化金絲鍵合工藝參數(shù)的方法，尋求高鍵合質(zhì)量的最佳工藝參數(shù)。

2 金絲鍵合質(zhì)量的影響因素

影響金絲鍵合質(zhì)量的因素眾多，主要可分為兩大類(lèi)：外部因素和內(nèi)部因素。外部因素主要為鍵合設(shè)備、鍵合面的潔凈度和人工操作，內(nèi)部因素主要為鍵合功率、鍵合壓力和鍵合時(shí)間。

鍵合設(shè)備是保證鍵合功率、鍵合時(shí)間和鍵合壓力均勻性和穩(wěn)定性的關(guān)鍵，對(duì)鍵合質(zhì)量的可靠性有著最直接的影響。鍵合面的潔凈度以及材料的特性決定了金絲鍵合能否順利進(jìn)行，而操作人員的經(jīng)驗(yàn)和技能專(zhuān)業(yè)度決定了鍵合線(xiàn)弧的外形、美觀性和一致性。實(shí)際生產(chǎn)和工藝試驗(yàn)研究表明，影響金絲鍵合質(zhì)量的外部因素均可通過(guò)一定的手段獲得有效控制，而對(duì)鍵合質(zhì)量影響最大的是鍵合功率、鍵合時(shí)間、鍵合壓力和輔助鍵合溫度等內(nèi)部因素，其中鍵合溫度通過(guò)溫控加熱臺(tái)提供，一般設(shè)定值為（150±20）℃，為固定工藝溫度，其變化范圍較小，不作為本文研究的內(nèi)容。

2.1 鍵合功率

劈刀在一定的鍵合功率下發(fā)生瞬間切向位移，引起金絲與鍵合焊盤(pán)滑動(dòng)摩擦。摩擦有利于鍵合焊盤(pán)表面金屬原子的活化和鍵合面粗糙度的改善，以便獲得更加穩(wěn)固的鍵合焊點(diǎn)。當(dāng)鍵合功率較小時(shí)，增加功率有利于提高鍵合點(diǎn)的強(qiáng)度。當(dāng)鍵合功率過(guò)大時(shí)，繼續(xù)增加功率會(huì)導(dǎo)致鍵合點(diǎn)變形過(guò)量，鍵合強(qiáng)度降低。研究表明，當(dāng)功率大到一定程度時(shí)鍵合點(diǎn)會(huì)呈現(xiàn)出無(wú)序無(wú)規(guī)律的形態(tài)變化，此種狀態(tài)下不具備工藝試驗(yàn)的可行性，只有當(dāng)功率處于一個(gè)合理的范圍時(shí)才能產(chǎn)生較為穩(wěn)定的鍵合互連，獲得足夠強(qiáng)度的鍵合點(diǎn)。

2.2 鍵合壓力

在鍵合功率釋放的過(guò)程中，需要對(duì)鍵合金絲施加一個(gè)足以保證金絲發(fā)生一定程度塑性變形的力，鍵合壓力即為保證金絲與焊盤(pán)緊密接觸的鍵合力。適當(dāng)?shù)逆I合壓力能夠保證鍵合過(guò)程產(chǎn)生足夠的摩擦。但是，過(guò)低的壓力會(huì)造成劈刀不能緊緊壓住引線(xiàn)，而過(guò)高的壓力會(huì)造成鍵合點(diǎn)過(guò)度形變，導(dǎo)致有效摩擦能量降低，進(jìn)而降低鍵合點(diǎn)的鍵合強(qiáng)度。

2.3 鍵合時(shí)間

鍵合時(shí)間是指在鍵合點(diǎn)上施加鍵合功率和鍵合壓力的持續(xù)時(shí)間。單次鍵合的持續(xù)時(shí)間往往只有幾十毫秒。時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致鍵合失效，而時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生斷切現(xiàn)象，造成鍵合失效。故在選取合適的鍵合功率和鍵合壓力時(shí)，鍵合時(shí)間的合理選擇也對(duì)鍵合金絲的質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 試驗(yàn)儀器及材料

本試驗(yàn)采用金絲楔焊工藝，試驗(yàn)設(shè)備為HYBOND?626金絲楔鍵合機(jī)和Royce 650多功能拉力測(cè)試儀。

試驗(yàn)條件：Rogers 5880復(fù)合介質(zhì)基板，厚度0.254 mm，表面鍍金層厚度為2.0μm，鍵合微帶線(xiàn)寬度0.7 mm。

試驗(yàn)方法：鍵合引線(xiàn)選用線(xiàn)徑為25μm金絲，金絲純度為99.99%。因基板較薄難以直接固定，故在鍵合前需將試驗(yàn)基板粘固在金屬腔體內(nèi)，經(jīng)等離子清洗滿(mǎn)足被鍵合面潔凈度要求后進(jìn)行金絲鍵合，后用拉力測(cè)試儀測(cè)試?yán)瓟嗔Α?/p>

3.2 試驗(yàn)方案

研究表明，正交試驗(yàn)法可以簡(jiǎn)捷、有效地獲得較優(yōu)的鍵合參數(shù)組合［6?7］。采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)金絲鍵合工藝參數(shù)組合，在所有可能的金絲鍵合工藝參數(shù)組合中挑選主要因素組合進(jìn)行試驗(yàn)，確保以最少試驗(yàn)次數(shù)獲得盡可能多的參數(shù)信息。鍵合功率、鍵合時(shí)間和鍵合壓力是影響金絲鍵合質(zhì)量的3個(gè)主要因素。進(jìn)行參數(shù)排列設(shè)計(jì)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)設(shè)定鍵合功率、鍵合時(shí)間和鍵合壓力3個(gè)因素中的兩個(gè)因素為定值，另一個(gè)因素為變量。試驗(yàn)方案如表1所示。確定方案后，對(duì)各方案均勻設(shè)置10組技術(shù)參數(shù)，每組參數(shù)鍵合15根金絲。

表1 試驗(yàn)方案

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)GJB 548B?2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》方法2011.1［8］：鍵合強(qiáng)度（破壞性鍵合拉力試驗(yàn)）的規(guī)定，選擇破壞性鍵合拉力作為判定鍵合強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)，抗拉強(qiáng)度值越大表明鍵合點(diǎn)鍵合強(qiáng)度越大、可靠性越高。

通過(guò)總結(jié)所內(nèi)微波組件產(chǎn)品生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)確定初始鍵合參數(shù)。按設(shè)計(jì)組合完成全部金絲鍵合后進(jìn)行抗拉力測(cè)試。3種方案的試驗(yàn)結(jié)果分別如表2、表3和表4所示，相應(yīng)的抗拉力測(cè)試均值與超聲功率關(guān)系曲線(xiàn)圖分別如圖3、圖4和圖5所示。

由表2和圖3的結(jié)果可知，當(dāng)鍵合時(shí)間與鍵合壓力不變時(shí)，抗拉力測(cè)試均值隨著超聲功率的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)超聲功率小于100 mW時(shí)，測(cè)試均值呈上升趨勢(shì)；當(dāng)超聲功率大于100 mW時(shí)，測(cè)試均值呈下降趨勢(shì)，由此可獲得最佳超聲功率為100 mW。

表2 方案1試驗(yàn)結(jié)果

圖3 抗拉力值與鍵合功率關(guān)系曲線(xiàn)

由表3和圖4的結(jié)果可知，當(dāng)超聲功率與鍵合壓力不變時(shí)，抗拉力測(cè)試均值隨著鍵合時(shí)間的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)鍵合時(shí)間小于220 ms時(shí)，測(cè)試均值隨著鍵合時(shí)間的增大而增大；當(dāng)隨著鍵合時(shí)間大于220 ms時(shí)，測(cè)試均值隨著鍵合時(shí)間的增大逐漸減小，由此可獲得最佳鍵合時(shí)間為220 ms。

表3 方案2試驗(yàn)結(jié)果

圖4 抗拉力值與鍵合時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)

由表4和圖5的結(jié)果可知，當(dāng)超聲功率與鍵合時(shí)間不變時(shí)，測(cè)試均值隨著鍵合壓力的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。當(dāng)鍵合壓力小于18 g時(shí)，測(cè)試均值逐漸增大；當(dāng)鍵合壓力大于18 g時(shí)，測(cè)試均值逐漸減小，由此可獲得最佳鍵合壓力為18 g。

表4 方案3試驗(yàn)結(jié)果

圖5 抗拉力值與鍵合壓力關(guān)系曲線(xiàn)

綜上所述，經(jīng)金絲鍵合質(zhì)量的優(yōu)化試驗(yàn)研究可知，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為鍵合功率100 mW，鍵合時(shí)間220 ms，鍵合壓力18 g。

5 結(jié)束語(yǔ)

影響金絲鍵合質(zhì)量的因素很多，其中超聲功率、鍵合時(shí)間和鍵合壓力是主要因素。在微波產(chǎn)品封裝過(guò)程中，應(yīng)選擇合理的方案進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，從而保證獲得穩(wěn)定、可靠的鍵合質(zhì)量。另外，對(duì)于金絲鍵合質(zhì)量的判定分析，不僅需要進(jìn)行抗拉力試驗(yàn)，還應(yīng)包括鍵合點(diǎn)外形（寬度、長(zhǎng)度、厚度等）、金絲拱高及弧度等多個(gè)方面的分析［9］，并經(jīng)過(guò)大量工藝試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

對(duì)于影響金絲鍵合質(zhì)量的鍵合功率、鍵合壓力和鍵合時(shí)間3個(gè)因素，本文采用正交試驗(yàn)法設(shè)計(jì)3種試驗(yàn)方案。針對(duì)每種方案分別開(kāi)展10組Rogers 5880軟基板上的鍵合試驗(yàn)，對(duì)影響25μm金絲鍵合點(diǎn)質(zhì)量的工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)研究，成功獲得了最優(yōu)工藝參數(shù)組合。本文的試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于在Rogers 5880軟基板上的高可靠金絲鍵合具有借鑒意義，有利于后續(xù)工藝生產(chǎn)中相關(guān)鍵合工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置和調(diào)整。該工藝試驗(yàn)方法也可為同類(lèi)基板鍵合工藝參數(shù)的探索提供參考。