張平升，朱晨俊，文澤海，湯泉根

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，成都 610036）

1 引言

近年來(lái)，毫米波技術(shù)由于其頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)成為雷達(dá)、成像和安全等多個(gè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。隨著毫米波技術(shù)的高速發(fā)展，毫米波組件的工作頻段也越來(lái)越高，射頻互聯(lián)對(duì)于其微波特性的影響也越發(fā)顯著。金絲鍵合工藝是實(shí)現(xiàn)毫米波射頻組件互聯(lián)的關(guān)鍵手段之一[1]。由于互聯(lián)的金絲中存在寄生電感，金絲的拱高會(huì)極大地影響組件的微波特性[2]，過(guò)高的金絲拱高會(huì)使毫米波組件的內(nèi)駐波變大，性能變差。在25 μm的金絲球焊工藝中，由于引線熱影響區(qū)的存在，難以形成80 μm以下的超低弧[3]，這對(duì)金絲熱超聲球焊工藝提出了新的挑戰(zhàn)。

有研究表明，對(duì)于20 μm的銅絲球焊，采用彎折式超低弧弧形工藝可以實(shí)現(xiàn)60 μm的超低弧[4-5]，LIEW等人[6]對(duì)方形扁平無(wú)引腳封裝中的各種超低弧球焊弧形工藝進(jìn)行了可靠性試驗(yàn)。LEE等人[7]對(duì)比了金絲和銅絲在超低弧弧形工藝中的差異性。上述研究過(guò)程均是基于1 mm以上的中長(zhǎng)引線，對(duì)于射頻級(jí)聯(lián)中使用的300 μm的短跨距金絲球焊超低弧弧形工藝的控制過(guò)程缺乏深入研究，同時(shí)在國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域還鮮有對(duì)低弧球焊方面的研究工作。

針對(duì)球焊工藝的特點(diǎn)，本文采用彎折式超低弧弧形工藝，將球焊金絲熱影響區(qū)的彎折點(diǎn)鍵合在第一焊點(diǎn)上，增強(qiáng)了熱影響區(qū)的強(qiáng)度，消除了其對(duì)低拱絲的不利影響，保證了鍵合金絲的強(qiáng)度和可靠性。對(duì)25 μm的金絲球焊彎折式超低弧成弧過(guò)程中的各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，得到了300 μm短跨距、80 μm超低弧高的互聯(lián)金絲。

2 折疊式超低弧球焊工藝設(shè)計(jì)

2.1 球焊金絲弧高的影響因素

熱超聲金絲球焊工藝通過(guò)打火桿放電，將其與金絲尖端之間的空氣電離形成電流回路。金絲在瞬間產(chǎn)生的大電流下熔化，并在尖端形成金球。金絲熔化過(guò)程中的熱量順著熔化球傳遞到金屬絲上時(shí)，經(jīng)歷了快速的加熱和冷卻，導(dǎo)致這一段金絲再結(jié)晶形成新的晶粒，這段區(qū)域稱(chēng)為熱影響區(qū)，引線熔球后的晶粒如圖1所示。相比于熱穩(wěn)定區(qū)域，熱影響區(qū)域的引線具有較大的晶粒結(jié)構(gòu)且強(qiáng)度較低。

圖1 引線熔球后的晶粒

由于熱影響區(qū)的存在，球焊金絲在成弧過(guò)程中通常會(huì)避免該區(qū)域的過(guò)度彎折，以保證較高的引線強(qiáng)度[8]。以25 μm的金絲為例，通常其熱影響區(qū)的長(zhǎng)度在100 μm左右，拱絲高度在130 μm以上時(shí)，引線才具有較好的強(qiáng)度[4]。通過(guò)微量元素的摻雜可以使金線的熱影響區(qū)的長(zhǎng)度有效降低至80 μm左右[9]，這類(lèi)金線可以完成100 μm左右的低弧高鍵合，但是對(duì)于實(shí)現(xiàn)80 μm以下的超低弧鍵合仍然有很大難度。

2.2 折疊式超低弧球焊工藝實(shí)現(xiàn)思路

劈刀在成弧過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)軌跡是影響金絲拱高的重要因素。常規(guī)的2種球焊弧形工藝及劈刀運(yùn)行軌跡如圖2所示。標(biāo)準(zhǔn)弧形工藝通過(guò)劈刀的1段回退運(yùn)動(dòng)形成引線的1個(gè)彎折點(diǎn)，然后再按正常的成弧路徑完成鍵合。平弧弧形工藝通過(guò)劈刀的2段回退運(yùn)動(dòng)形成引線的2個(gè)彎折點(diǎn)，增強(qiáng)弧形的支撐性，適用于中長(zhǎng)跨距的引線鍵合。

上述2種基礎(chǔ)弧形工藝的弧高均取決于劈刀在第1段回退運(yùn)動(dòng)時(shí)的高度。在劈刀的回退運(yùn)動(dòng)中需要避開(kāi)引線的熱影響區(qū)，防止其過(guò)度彎折導(dǎo)致引線頸部受損、強(qiáng)度下降，所以劈刀的回退高度不能設(shè)置得過(guò)低。這2種弧形工藝均不適用于超低弧鍵合。

在球焊工藝中要形成超低弧高，必須對(duì)熱影響區(qū)進(jìn)行合理彎折。折疊式超低弧工藝是指劈刀在成弧過(guò)程中將引線熱影響區(qū)彎折，通過(guò)熱聲焊將彎折點(diǎn)鍵合在第1焊點(diǎn)上，再沿設(shè)置好的成弧軌跡運(yùn)動(dòng)，折疊式超低弧弧形工藝及劈刀運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示，通過(guò)增加鍵合點(diǎn)的方式來(lái)提高過(guò)度彎折的熱影響區(qū)的強(qiáng)度，有效避免當(dāng)拱絲高度過(guò)低時(shí)熱影響區(qū)過(guò)度彎折產(chǎn)生的微裂紋影響引線的可靠性。

圖2 2種常規(guī)的球焊弧形工藝及劈刀運(yùn)動(dòng)軌跡

圖3 折疊式超低弧弧形工藝及劈刀運(yùn)動(dòng)軌跡

折疊式超低弧弧形工藝的劈刀運(yùn)動(dòng)軌跡相比于上述2種常規(guī)弧形工藝的劈刀運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)說(shuō)，增加了對(duì)引線熱影響區(qū)的彎折過(guò)程，引線彎折過(guò)程中的劈刀運(yùn)動(dòng)路徑如圖4所示。首先劈刀在完成第1焊點(diǎn)的鍵合后，需要向上運(yùn)動(dòng)1個(gè)安全距離，以防止在回退運(yùn)動(dòng)過(guò)程中引線頸部受損導(dǎo)致斷裂失效；其次劈刀會(huì)進(jìn)行第1段回退運(yùn)動(dòng)（P1至P2），為后續(xù)將引線熱影響區(qū)彎折提供拐點(diǎn)；然后又會(huì)向上運(yùn)動(dòng)1段距離，為彎折提供引線長(zhǎng)度余量，該段運(yùn)動(dòng)距離在100 μm左右，保證完全覆蓋引線熱影響區(qū)（P2至P3）；最后劈刀運(yùn)動(dòng)至設(shè)置好的鍵合位置P4進(jìn)行熱聲鍵合，將引線熱影響區(qū)焊接在第1焊點(diǎn)上。

鍵合點(diǎn)的位置通過(guò)定義P0至P4的水平距離ULL和豎直高度ULH來(lái)確定。鍵合點(diǎn)的位置及鍵合參數(shù)（超聲功率、鍵合時(shí)間）的選擇會(huì)在很大程度上影響引線的強(qiáng)度和可靠性。鍵合點(diǎn)的位置過(guò)低、鍵合參數(shù)過(guò)大會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)引線與第1焊點(diǎn)的鍵合處過(guò)于薄弱、鍵合強(qiáng)度低。而鍵合點(diǎn)的位置過(guò)高、參數(shù)太小又無(wú)法實(shí)現(xiàn)熱影響區(qū)與第1焊點(diǎn)的良好結(jié)合。

圖4 引線彎折過(guò)程中的劈刀運(yùn)動(dòng)路徑

3 折疊式超低弧球焊工藝的試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 熱影響區(qū)鍵合強(qiáng)度的優(yōu)化試驗(yàn)

為保證鍵合金絲在滿足鍵合強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)超低拱絲高度，需要對(duì)鍵合點(diǎn)的位置及鍵合參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。首先選擇ESEC3100自動(dòng)球焊機(jī)的默認(rèn)參數(shù)為初始參數(shù)，對(duì)25 μm的金絲進(jìn)行鍵合試驗(yàn)，該設(shè)備的超聲換能系統(tǒng)的額定輸出電壓為37.5 V，超聲功率參數(shù)采用百分比數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，彎折式超低弧弧形工藝參數(shù)如表1所示。初始參數(shù)下的金絲鍵合試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，10根金絲中有2根在鍵合過(guò)程中直接從頸部斷裂失效，說(shuō)明鍵合點(diǎn)的位置偏低或鍵合參數(shù)過(guò)大導(dǎo)致金絲熱影響區(qū)與第1焊點(diǎn)的鍵合處過(guò)于薄弱，在成弧過(guò)程中金絲從薄弱處斷裂。

表1 彎折式超低弧弧形工藝參數(shù)

考慮到鍵合的初始參數(shù)不大，故先對(duì)熱影響區(qū)的金絲鍵合點(diǎn)的位置進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。ULL通常為第1焊點(diǎn)尺寸的1/3至1/4，25 μm的金絲的球焊焊點(diǎn)尺寸通常在70 μm左右，本文采用20 μm的ULL進(jìn)行試驗(yàn)，分別選擇如表2所示的4組參數(shù)，每組依次鍵合10根金絲，ULH參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，樣本金絲無(wú)斷裂失效情況。隨著ULH參數(shù)的減小，熱影響區(qū)鍵合點(diǎn)處的壓痕逐漸變大，金絲頸部變細(xì)。使用DAGE4000拉力測(cè)試儀進(jìn)行拉力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)失效點(diǎn)均位于金絲的熱影響區(qū)和第1焊點(diǎn)的鍵合處，從結(jié)果可以看出，在ULH從25 μm上升至40 μm的過(guò)程中，鍵合強(qiáng)度先增大后減小，在ULH為30 μm時(shí)，鍵合強(qiáng)度達(dá)到最大值，隨著ULH的繼續(xù)增大，熱影響區(qū)金絲與第1焊點(diǎn)表面的接觸面積減小，導(dǎo)致鍵合面積減小，強(qiáng)度降低。

為進(jìn)一步提高金絲的鍵合強(qiáng)度，選擇鍵合點(diǎn)的位置參數(shù)ULL為20 μm、ULH為30 μm，對(duì)鍵合參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)。選擇10%、15%、20%的超聲功率比和10 ms、15 ms、20 ms的鍵合時(shí)間設(shè)計(jì)了9組鍵合參數(shù)，每組鍵合10根金絲并進(jìn)行拉力測(cè)試，鍵合參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。金絲失效位置均位于金絲的熱影響區(qū)與第1焊點(diǎn)的鍵合處，超聲功率為15%時(shí)金絲的拉力值普遍較高，且拉力值在超聲功率比為15%、超聲時(shí)間為10 ms時(shí)達(dá)到最大值。隨著參數(shù)繼續(xù)加大，鍵合強(qiáng)度逐漸降低。通過(guò)鍵合點(diǎn)位置和鍵合參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)，說(shuō)明將金絲的熱影響區(qū)彎折焊接在第1焊點(diǎn)上可以實(shí)現(xiàn)良好的鍵合強(qiáng)度。

圖5 初始參數(shù)下的金絲鍵合試驗(yàn)結(jié)果

表2 鍵合點(diǎn)位置參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

圖6 ULH參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

表3 鍵合參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果

3.2 彎折式超低弧弧形工藝的鍵合試驗(yàn)

在上述試驗(yàn)得到的鍵合參數(shù)（ULL為20 μm，ULH為30 μm，超聲功率比為15%，超聲時(shí)間為10 ms）的基礎(chǔ)上進(jìn)行300 μm短跨距的超低弧形金絲鍵合試驗(yàn)。普通弧形的控制參數(shù)主要有3個(gè)：平弧距離、回退距離因子、回退角度因子。300 μm短跨距的金絲本身支撐性較強(qiáng)，在成弧過(guò)程中不需要設(shè)置拐點(diǎn)進(jìn)行支撐，將該處平弧距離設(shè)置為0，即劈刀不需要進(jìn)行回退運(yùn)動(dòng)。通過(guò)三維測(cè)量顯微鏡對(duì)鍵合得到的10根金絲進(jìn)行測(cè)量，得到的拱絲高度如表4所示。300 μm跨距的金絲的拱絲高度平均為81.06 μm。通過(guò)彎折式超低弧弧形工藝可以實(shí)現(xiàn)80 μm左右的超低弧高。

表4 跨距為300 μm的金絲的拱絲高度

為進(jìn)一步與常規(guī)弧形的金絲的拱絲高度和鍵合強(qiáng)度進(jìn)行對(duì)比，使用弧高參數(shù)為80 μm的標(biāo)準(zhǔn)弧形工藝進(jìn)行金絲鍵合，得到了10根金絲樣本。實(shí)際測(cè)量的平均拱絲高度為96.04 μm。雖然將標(biāo)準(zhǔn)弧形的弧高參數(shù)設(shè)置為80 μm，但實(shí)測(cè)得到的弧高比預(yù)設(shè)置值大了16.04 μm。因?yàn)榻鸾z的跨距僅有300 μm左右，當(dāng)設(shè)置的弧高過(guò)小時(shí)，劈刀在成弧軌跡中的回退運(yùn)動(dòng)無(wú)法完全將金絲彎折成理想的形狀，從而導(dǎo)致實(shí)際的弧形與設(shè)置的弧形存在差異。2種弧形工藝下的拱絲高度對(duì)比如圖7所示，通過(guò)彎折式超低弧弧形工藝鍵合得到的金絲拱高比標(biāo)準(zhǔn)弧形工藝的80 μm的金絲拱高平均低14.98 μm。

圖7 2種弧形工藝下的拱絲高度對(duì)比

在上述弧高對(duì)比試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)得到的金絲樣件進(jìn)行拉力測(cè)試，2種弧形工藝得到的金絲拉力值如表5所示。從表中可以看出，彎折式超低弧工藝得到的金絲強(qiáng)度略高于標(biāo)準(zhǔn)弧形工藝得到的金絲強(qiáng)度。通過(guò)2組拉力測(cè)試數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差可以看出，標(biāo)準(zhǔn)弧形工藝的金絲樣件的拉力值波動(dòng)較大。標(biāo)準(zhǔn)弧形工藝下得到的拉力測(cè)試樣件的失效模式均為第1焊點(diǎn)頸部斷裂失效，即失效點(diǎn)出現(xiàn)在引線的熱影響區(qū)內(nèi)。而彎折式超低弧弧形工藝在成弧過(guò)程中通過(guò)將金絲的熱影響區(qū)鍵合在第1焊點(diǎn)上，鍵合過(guò)程中金絲的熱影響區(qū)的金原子與第1焊點(diǎn)上的金原子相互擴(kuò)散，達(dá)到原子間的引力范圍，形成了良好的鍵合點(diǎn)，有效減弱了熱影響區(qū)對(duì)于鍵合強(qiáng)度的負(fù)面影響，提高了該區(qū)域的強(qiáng)度一致性。

表5 2種弧形工藝得到的金絲拉力值

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)彎折式超低弧弧形工藝參數(shù)中的熱影響區(qū)的鍵合點(diǎn)位置和鍵合參數(shù)的優(yōu)化試驗(yàn)，將球焊金絲的熱影響區(qū)鍵合在第1焊點(diǎn)上，消除了金絲的熱影響區(qū)在低拱絲成弧過(guò)程中由于過(guò)度彎折帶來(lái)的可靠性隱患。通過(guò)對(duì)成弧參數(shù)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了300 μm短跨距、80 μm低弧高的鍵合金絲互聯(lián)，對(duì)比了彎折式超低弧弧形工藝和標(biāo)準(zhǔn)弧形工藝在80 μm弧高下的鍵合情況。結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)弧形工藝在低拱絲過(guò)程中的實(shí)際弧高與預(yù)設(shè)值存在較大偏差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)80 μm弧高的超低弧金絲鍵合，而彎折式超低弧弧形工藝可以在保證鍵合強(qiáng)度的前提下，實(shí)現(xiàn)80 μm弧高的超低弧金絲鍵合。