張曉宇 王偉 姬峰 王子伊 郭中原

（北京遙感設備研究所 北京市 100854）

現代軍、民用電子裝備，尤其是各武器系統中的雷達和通訊系統，正在向著小型化、輕量化、高工作頻率、多功能、高可靠和低成本等方向發(fā)展，對組裝和互聯提出了越來越高的要求。隨著相控陣體制在各類雷達和通訊等電子整機中的廣泛應用，需要研制生產大量的小型化、高密度、多功能微波組件。微波組件技術經歷了從分立電路、到混合微波集成電路、到單片微波集成電路、到微波多芯片組件的發(fā)展過程。目前，小型化、高密度、三維結構、多功能微波組件微組裝技術已經成為國內外的研究和應用熱點之一。

圖1：各武器平臺的雷達與通訊系統

如圖2所示，微波多芯片組件是各類復雜軍/民用電子系統的核心部件，負責微波信號的收發(fā)、變頻以及濾波等功能，具有技術指標要求高、實現難度大、價格昂貴、對系統性能具有決定性影響等特征[1]。以相控陣雷達為例，一部相控陣雷達中包含成千上萬個微波多芯片組件，微波多芯片組件成本占雷達成本的50%以上，雷達主要性能指標通常取決于成千上萬各微波組件的制造一致性，因此微波多芯片組件的制造工藝對系統性能的提升至關重要。

圖2：微波多芯片組件

微組裝技術是實現電子裝備小型化、輕量化、高密度互聯結構、寬工作帶寬、高工作頻率、高功率密度以及高可靠性等工作目標的重要技術途徑，從組裝技術發(fā)展規(guī)律來看，組裝密度每提高10%，電路模塊的體積可減小30%、重量減小20%。微組裝技術對減小微波組件的體積和重量，滿足現代電子裝備武器小型化、輕量化、數字化、低功耗的要求具有重要意義，因此微組裝工藝技術在航天、航空，船舶等各平臺的電子裝備上得到了越來越廣泛的應用。微組裝技術是綜合運用高密度多層基板技術、多芯片組件技術、三維組裝和系統級組裝技術，將集成電路的裸芯片、薄/厚膜混合電路、微小型表貼元器件進行高密度互聯，構成三維立體結構的高密度、多功能模塊化電子產品的一種先進電氣互聯技術。在微波多芯片組件制造過程中，實現各芯片之間的電氣互聯是核心環(huán)節(jié)，電氣互聯的可靠性與一致性將對微波多芯片組件性能與可靠性產生直接影響，微組裝和主要工藝與核心環(huán)節(jié)如圖3所示。

圖3：微組裝工藝環(huán)節(jié)與核心工藝

目前，實現微波多芯片組件中各芯片之間電氣互聯的技術有金絲鍵合、倒裝焊與載帶自動焊接三種。相比另外兩種技術，金絲鍵合實現成本較低、一致性好，被廣泛采用[2]，是微組裝中的核心工藝技術。金絲鍵合分為球形鍵合與楔形鍵合兩種，如圖4所示，球形鍵合是將鍵合引線垂直插入一種稱為毛細劈刀（俗稱空心劈刀）的工具中，引線在稱之為電子火焰（EFO）的電火花放電作用下，受熱后呈液態(tài)，當引線材料固化時，由于熔融金屬的表面張力使引線形成一個球面形狀，因此稱該工藝為球形鍵合工藝，球形鍵合的鍵合點尺寸較大，同時鍵合金絲的跨距、拱弧均較高，可以實現任意方向上的鍵合。楔形鍵合是金絲穿過劈刀背面的背孔，通過劈刀傳熱、壓力以及超聲能量使金絲和焊盤金屬表面接觸并發(fā)生原子間擴散，最終形成連接。楔形鍵合是一種單一方向的鍵合工藝，鍵合的第一點和第二點必須要一個方向上，由于微波多芯片組件工作頻段高，在高頻下要求傳輸方向的金絲具有引線連接距離短、連接拱弧低，并且在小焊盤上并聯鍵合多根金絲等特征，因此可以滿足電性能傳輸要求，被廣泛應用于微波多芯片組件中實現芯片與芯片、芯片與基板的互聯，是微波多芯片組件電氣互聯的主要鍵合技術。隨著微波多芯片組件集成度不斷提高，需鍵合金絲數量成倍增長，并且由于組件工作頻率不斷提高，對鍵合金絲的一致性要求越來越高[3]，并且隨著武器裝備的集成度的日益提高，微波多芯片組件中的金絲數量越來越大，以T/R 組件為例，單個T/R組件包含金絲數量在千根以上，單套相控陣雷達的金絲數量達到數萬根甚至數十萬根，每個金絲在系統中均承擔著相應的功能，若單根金絲出現斷裂或者脫鍵等故障，將對整個武器系統工作的穩(wěn)定性構成嚴重影響，因此需要對金絲鍵合工藝進行研究，提升金絲鍵合后的抗拉強度以及大批量金絲鍵合后的一致性，進而實現整個武器系統性能與穩(wěn)定性的提高。

圖4：金絲球焊與金絲楔焊示意圖

1 金絲鍵合工藝影響因素

1.1 鍵合通用技術要求

金絲鍵合是指金絲在外界能量（熱能、超聲）和壓力作用下，使金屬表面產生塑性形變，然后通過機械振動與外界摩擦使界面污染層被破壞，從而使金屬之間互相擴散、填充。當兩種金屬的原始界面處在幾乎接近到原子引力范圍時，兩種金屬原子產生相互擴散，形成具有一定強度的滲透結合面，實現電路互聯。根據利用能量方式的不同，金絲鍵合可以分為熱壓（T/C）鍵合、超聲（U/S）鍵合和熱壓超聲（T/S）鍵合三種方法，見表1所示。熱壓超聲（T/S）金絲鍵合應用最為普遍，為本項研究采用方式。

表1：金絲鍵合常用類型

金絲材料對金絲鍵合的影響主要體現在其純度、延展率和抗拉強度等參數上。一般鍵合金絲選用質量分數為99.99%的金絲，在工藝設計中主要考慮的是延展率和抗拉強度。延展率高，抗拉強度低，其硬度相對較小不容易脫鍵，但其抗坍塌能力較弱不適合用于長跨距金絲鍵合以及高拱弧金絲鍵合中。延展率低，抗拉強度高，硬度相對較大，不適合軟材料表面的金絲鍵合，可以應用于密集金絲、長跨距金絲、高拱弧金絲的鍵合過程中。綜合考慮以上特性，本項研究主要采用延展率1%～2.5%的金絲，金絲質量分數≥99.99%，金絲直徑為25μm。

鍵合劈刀主要影響鍵合的精度、一致性、鍵合強度以及扯線的難易程度。劈刀選型主要考慮孔徑、BL 參數值、前后沿半徑等指標?？讖竭^大，線在劈刀底部擺動較大，不容易實現斜方向鍵合、小焊盤鍵合以及多絲并聯鍵合等對精度要求較高的鍵合應用。BL 參數影響鍵合強度，尤其在長線鍵合時BL 參數的影響較為明顯，較大的BL 有助于增加鍵合面積，從而提升鍵合強度。前后沿鍵合半徑主要影響扯線以及第一鍵合點根部強度，前沿半徑較大時，第二鍵合點扯線難度增大，而后沿半徑較小會對第一鍵合點根部造成損傷的風險較大，本項目選擇穿絲角度45°、雙點CG、BL 長度51μm、前倒角半徑25μm、后倒角半徑13μm 的劈刀進行金絲鍵合，鍵合劈刀形貌如圖5所示。

圖5：金絲鍵合劈刀形貌

基板及元器件鍵合區(qū)域的鍍層狀況對鍵合的影響也很大，表現為對可鍵合性、鍵合的穩(wěn)定性以及可靠性的影響。鍍層狀況包括鍍層厚度、鍍層顆粒細膩性和鍍層致密性。一般基板上較適合鍵合的鍍金層厚度≥2.5μm，芯片上較適合鍵合的鍍金層厚度≥1.5μm，銅層與鍍金層之間應有≥1μm 厚的鍍鎳層。顆粒粗糙和不致密的鍍層容易殘留助焊劑等污染物，細膩致密的鍍層表面不利于殘留助焊劑等污染物，鍍層細膩致密有利于阻止基板焊接時鍍鎳層擴散至鍍金層表面不對金-金的擴散造成影響。故鍵合鍍金層應顆粒應細膩致密，更容易形成高可靠、高強度的鍵合，本項目采用的基板鍵合鍍金層厚度為2.5μm，芯片表面鍍金層厚度1.5μm。

1.2 鍵合樣品表面處理

從被鍵合對象看，影響鍵合質量的因素是被鍵合樣品表面的清潔度與樣品表面處理工藝[4]。在產品的整個裝配過程中鍵合區(qū)域難免會受到污染，如果不能有效清潔鍵合面，會造成虛焊、脫焊、鍵合強度偏低和鍵合一致性差等問題，產品的長期可靠性無法保證，因此需要對樣品在鍵合前進行表面處理工藝，實現高潔凈度的表面，滿足后續(xù)金絲鍵合要求。表面處理工藝主要有手動刮擦與等離子清洗兩種方式，手動刮擦是鍵合前采用刮刀刮去樣品表面被氧化污染的金層，使表面露出未被污染與氧化的“新鮮”金層；等離子清洗是利用等離子體來達到清洗的效果[5]。等離子體和固體、液體或氣體一樣，是物質的一種狀態(tài)，也叫做物質第四態(tài)。對氣體施加足夠的能量使之離化便成為等離子體的狀態(tài)。等離子體的“活性”組分包括：離子、電子、活性基團、激發(fā)態(tài)的核素（亞穩(wěn)態(tài)）、光子等，等離子清洗的機理是通過激勵電壓（一般為低頻 40kHz、射頻 13.56MHz 或微波 2.45GHz），將通入腔體的氣體（一般為 H2、O2或Ar）激發(fā)為等離子態(tài)，等離子粒子吸附在物體表面，發(fā)生物理或化學反應，物理反應主要是以轟擊的形式使污染物脫離表面，從而被氣體帶走，通常使用 Ar 氣來進行物理反應；化學反應是活性粒子與污染物發(fā)生反應，生成易揮發(fā)物質再被帶走，在實際使用過程中，使用 O2或者H2來進行化學反應。兩種處理方法各有優(yōu)勢：刮擦法直接刮除表面氧化污染層，露出“新鮮”金層，但是刮擦后表面不同位置金層厚度與表面平整度存在明顯差異，并且刮擦容易損傷金屬膜層并產生金屬多余物；等離子清洗用高能粒子活化金層表面，達到去除樣品表面污染物的目的，等離子清洗作用方式溫和，不損傷金屬膜層且不會產生金屬多余物。本項目使用YES 公司的G1000 射頻等離子清洗設備（如圖6所示），對裝配完成待鍵合基板進行等離子清洗，清洗效果見圖7所示。

圖6：國產化等離子清洗設備

圖7：等離子清洗后待鍵合樣品表面形貌對比

1.3 鍵合工藝參數

從設備角度分析，影響鍵合的工藝參數主要有鍵合壓力、超聲功率和鍵合時間[6]。過小的超聲功率無法提供足夠能量去除焊片表面的污染多余物，導致欠鍵合，導致鍵合點形變不足，拉力值偏小；過大的超聲功率導致鍵合點變形過度，甚至擊穿鍵合金屬層，導致鍵合點形變過量，甚至引線部分缺損，拉力值下降。鍵合強度與超聲功率的關系大致為開口向下的拋物線形式。同理，鍵合壓力和鍵合時間與功率有類似的原理。自動鍵合的過程如下：首先劈刀下降到待鍵合表面并且通過壓力使金絲發(fā)生一定形變達到與鍵合表面緊密接觸的目的，之后同時施加一定時間的壓力與超聲功率使金屬表面發(fā)生塑性形變與金屬擴散，將金絲與基片焊接在一起。在上述過程中，超聲功率使金絲與焊盤表面產生滑動摩擦，為焊接提供能量，超聲功率過小則不能為焊接提供足夠的能量，而超聲功率過大則會導致焊點過大而降低壓焊后強度；壓力的作用主要是使金絲產生塑性形變，確保金絲在焊接過程中與焊盤保持緊密接觸，壓力過小，金絲形變量不夠導致超聲功率不能完全傳遞到焊接面，壓力過大則會降低金絲頸縮點的強度；鍵合時間主要是控制做功時間的長短[7]，做功時間短則無法達到原子間的互相擴散，導致無法形成有效的鍵合，而做功時間過長則可能導致已經形成的鍵合表面被破壞，進而出現鍵合點可靠性降低等問題，因此需要通過試驗確定最優(yōu)的金絲鍵合工藝參數。本項目使用HESSE 公司的BJ855 自動金絲鍵合機（如圖8）進行金絲鍵合試驗。

圖8：自動金絲鍵合機

2 試驗設計及結果分析

2.1 試驗方案設計

根據前面的分析，影響自動金絲鍵合質量的因素有四個：超聲功率、鍵合壓力、鍵合時間、表面處理方式。為了得到最佳的鍵合工藝，將前面三種因素設置為三個水平，而表面處理方式設置為兩個水平，如表2所示。

表2：因素水平表

根據正交試驗相關原理，四因素三水平正交試驗應采用L9（34）試驗表，但本試驗中由于要在其它三個因素相同時對比兩種表面處理方式對金絲鍵合質量的影響，故將L9（34）擴展為L18（34）試驗表，進行9 組對比試驗。

為保證試驗狀態(tài)的一致性，采用陶瓷基片進行試驗，每次試驗均重復鍵合10 根金絲。在對比兩種表面處理方式的影響時，分析金絲的破壞性拉力均值與方差值；而對比設備工藝參數對鍵合質量的影響時，為明確各因素影響的程度，采用極差、方差分析法進行分析，得出最佳的工藝參數組合。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 表面處理方式分析

表3 列出了L18（34）試驗表與相應的試驗數據。從表中可以看出，試驗組1、2、3、4、5、9 中經過等離子清洗處理方式得到的金絲破壞拉力平均值明顯高于表面刮擦處理后的拉力均值，經過等離子清洗處理得到的最高拉力均值為9.75g（試驗組3），而采用刮擦法處理后的最高拉力均值為9.35g（試驗組6）。9 組試驗中經過等離子清洗處理后的金絲破壞性拉力方差值均低于手動刮擦處理后金絲的破壞性拉力方差值，這說明經過等離子清洗處理后，金絲鍵合的一致性高，每根金絲之間的差異小。由于自動鍵合設備對樣品表面的一致性要求高，而相比等離子清洗，手動刮擦處理后的樣品表面粗糙度、金層薄厚等差異性較大，同時，由于刮擦處理過程中會產生金屑等多余物，需要在鍵合前進行清理，不僅降低了生產效率，而且并不適用于自動化生產線的產品流轉，因此，采用等離子清洗的表面處理方式更適用于自動鍵合工藝中。

表3：L18（34）試驗方案與結果

2.2.2 鍵合工藝參數影響

在分析鍵合工藝參數對鍵合質量的影響時，選取經過等離子清洗技術處理的9次試驗作為樣本，組成L9（33）試驗表，將相應的數據與結果重新列于表4 中。通過對比表中各水平條件下的極差數據可知：對自動金絲鍵合質量影響最大的工藝參數是超聲功率，其次是鍵合壓力，最后是鍵合時間。各因素不同水平條件下鍵合金絲拉力均值如圖9所示，從圖中可以得出，最佳的鍵合工藝參數為A3B1C1，即超聲功率為16，鍵合壓力為16g，鍵合時間為60ms。

圖9：各水平條件對拉力值的影響

表4：L9（33）試驗表及試驗結果

極差分析雖然可以評價各個因素對鍵合質量影響的主次順序，但它并不能指出哪個因素是影響試驗指標的關鍵因素，也不能提供一個用于判斷各因素影響是否顯著的標準，因此需要采用正交試驗的方差分析法對各因素的影響程度進行判斷，得出顯著性對比。

表5 是采用方差分析計算得到的結果，通過將計算得到的F 值與F 臨界值進行對比可知：F0.05（2，2）

表5：方差分析計算結果

通過極差與方差分析所得出的結論，選取最佳的試驗參數組合A3B1C1，在經過等離子清洗處理過的樣品表面連續(xù)鍵合十根金絲，其形貌如圖10所示，金絲拉力試驗結果如圖11所示。經過分析，鍵合拉力的平均值達到10g，滿足微波多芯片組件對金絲的高可靠互聯的要求。

圖10：改進參數后的金絲鍵合外觀

圖11：改進工藝參數后的拉力試驗結果

按照上述試驗確定的最優(yōu)工藝參數，對以T/R 組件為代表的微波多芯片組件進行了自動金絲鍵合，自動金絲鍵合成功率≥99%，鍵合后金絲抗拉強度均在8g 以上，鍵合后金絲外觀見圖12所示。

圖12：微波多芯片組件內鍵合金絲外觀

3 結論

微波多芯片組件的性能不斷提高，需要鍵合金絲的數量龐大，并且對鍵合金絲的可靠性、鍵合一致性要求高。本文從被鍵合樣品表面處理方法與鍵合工藝參數兩方面對鍵合工藝進行了優(yōu)化，得出以下結論：

（1）通過正交試驗對比傳統的表面刮擦法與等離子清洗技術兩種表面處理方法，通過對比兩種方式處理后樣品的破壞性鍵合拉力均值與方差值得出等離子清洗處理方式更適合于鍵合工藝中。

（2）影響鍵合工藝的參數有超聲功率、鍵合壓力與鍵合時間。通過極差與方差分析法得出對自動金絲鍵合質量影響最大的工藝參數是超聲功率，其次是鍵合壓力，最后是鍵合時間，超聲功率是影響鍵合質量的關鍵因素。

（3）確定了最佳的工藝參數水平組合為超聲功率為16，鍵合壓力為16g，鍵合時間為60ms，采用此工藝連續(xù)鍵合10 根金絲，所有金絲的破壞性拉力值均在10g 以上，滿足微波組件的高可靠金絲互聯要求。