毫米波射頻互連微組裝工藝優(yōu)化研究*

任 榕，盧紹英，趙 丹，解啟林，邱穎霞

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088）

1 引言

毫米波由于具有波束窄、頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)和容量大等優(yōu)點(diǎn)而受到各界關(guān)注。近年來(lái)，隨著毫米波子系統(tǒng)的快速發(fā)展，毫米波模塊的工作頻率越來(lái)越高。作為影響電路工作性能的重要因素之一，微組裝工藝對(duì)于毫米波電路的性能實(shí)現(xiàn)起到至關(guān)重要的作用。由于技戰(zhàn)術(shù)性能、可靠性等要求，毫米波模塊體積小、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)其微組裝工藝過(guò)程提出了非?？量痰囊?，給組裝工藝設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了困難。

在毫米波產(chǎn)品的裝配過(guò)程中，芯片的工作頻段高，對(duì)芯片等元器件與電路基板的連接路徑及長(zhǎng)度有較為苛刻的要求[1]，微組裝工藝對(duì)于模塊射頻互連電訊性能的影響越來(lái)越大。并且這種影響隨著頻段的提高會(huì)越來(lái)越明顯。此外，對(duì)于毫米波相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，保證各收發(fā)通道的幅度和相位一致性非常重要，這也與微組裝工藝實(shí)現(xiàn)的電性能一致性息息相關(guān)。因此，在毫米波模塊的研制中，對(duì)影響射頻互連的微組裝工藝進(jìn)行有效的控制優(yōu)化是非常必要的。

本文圍繞裝配精度優(yōu)化控制、接地焊接效果優(yōu)化和高一致性金絲熱超聲楔焊實(shí)現(xiàn)開(kāi)展毫米波射頻互連微組裝工藝優(yōu)化研究，給出了相應(yīng)的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)措施。通過(guò)實(shí)際樣件的駐波的測(cè)試來(lái)驗(yàn)證仿真情況，以期形成保證毫米波模塊微波性能及一致性好的射頻互連微組裝工藝。

2 毫米波射頻互連裝配精度優(yōu)化控制

由于毫米波產(chǎn)品對(duì)元器件與電路基板之間的連接路徑及長(zhǎng)度有較為苛刻的要求，鍵合引線的長(zhǎng)度要盡量短。如果元器件與電路基板之間的安裝縫隙過(guò)大，一方面無(wú)法保證鍵合引線長(zhǎng)度滿足設(shè)計(jì)要求，另一方面，裝配間隙直接影響到射頻互聯(lián)的電訊性能。使用基于三維有限元分析的電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS和微波電路仿真設(shè)計(jì)軟件ADS相結(jié)合，工作頻率為40～50 GHz，在其他條件固定的情況下，對(duì)不同組裝縫隙寬度因素對(duì)電壓駐波比的影響進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖1所示。

通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，縫隙寬度對(duì)電壓駐波比影響較大：隨著縫隙寬度從0.1 mm至0.05 mm范圍內(nèi)不斷減小，毫米波模塊的電壓駐波比不斷減小。為保證輸入輸出駐波要求，微帶板的組裝間隙控制得越小越好。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小裝配公差，并兼顧微組裝的一致性要求。

2.1 高精度微帶基板外形加工工藝研究

現(xiàn)有的微帶板外形加工通常采用機(jī)械加工的方法，一般外形公差為±0.1 mm。采用此種加工方式，元器件與基板之間的安裝間隙通常都在0.1 mm以上。為了實(shí)現(xiàn)毫米波電路基板較高的加工精度，本研究采用355 nm的UV紫外激光對(duì)0.254 mm的RT-5880微帶基板進(jìn)行外形加工。紫外激光區(qū)別于CO2激光切割技術(shù)，采用具有良好聚焦性能的“冷”光源，熱影響區(qū)小，保證了基板切割邊緣的平整、光滑。另外，紫外激光能進(jìn)行任意異形圖形的加工，滿足設(shè)計(jì)的需要，特別是解決了數(shù)控銑床加工無(wú)法避免的內(nèi)直角圓弧化的問(wèn)題，提高了微帶板與盒體焊接裝配的匹配度。通過(guò)選擇和優(yōu)化激光切割的工藝參數(shù)，如激光功率、切割速度和切割次數(shù)等，加工出外形公差為±0.05 mm的微帶基板，如表1所示。采用該種加工方式，既提高了微帶基板外形精度，又提高了一致性，保證了毫米波電路射頻方向上的裝配精度，圖2所示為采用上述激光加工工藝制作的微帶板微組裝而成的毫米波模塊實(shí)物局部圖，微帶板與元器件之間的組裝間隙得到了有效的控制。

圖1 其他條件固定時(shí)組裝縫隙寬度對(duì)電壓駐波比的影響

表1 試驗(yàn)優(yōu)化后的激光切割工藝參數(shù)

圖2 毫米波模塊實(shí)物局部圖

2.2 毫米波射頻互連組裝高度差控制

微帶基板焊接是毫米波模塊微組裝的關(guān)鍵工序，涉及到多個(gè)小尺寸微帶基板的同時(shí)焊接，除要求射頻支路的組裝間隙盡量小之外，對(duì)多基板焊接后的拼接精度及高度差也有較高的要求。本研究中，通過(guò)采用整體焊接壓塊設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)在多微帶基板焊接過(guò)程中對(duì)各拼接微帶板在高度方向上的一致性控制，并利用模擬器件實(shí)現(xiàn)微帶板定位以及間隙檢查，具體基板焊接簡(jiǎn)圖如圖3所示。采用該種控制方式，保證了毫米波電路高度方向上的裝配精度。

圖3 多微帶基板焊接組裝精度控制工藝簡(jiǎn)圖

3 毫米波射頻互連接地焊接效果優(yōu)化

已有研究表明，微帶基板焊接釬透率越高，接地效果越好，駐波越小[2]。本研究中，毫米波模塊的微組裝關(guān)鍵焊接工藝過(guò)程主要包括微帶基板焊接、芯片共晶焊接。無(wú)論是微帶基板焊接還是芯片的共晶焊接，其合格與否的標(biāo)志都是焊接面牢固、平整和釬透率的高低。其中，焊接空洞的多少直接關(guān)系到電訊性能和可靠性的高低，是焊接工藝必須解決的問(wèn)題。因此必須通過(guò)相應(yīng)的工藝試驗(yàn)，優(yōu)化工藝來(lái)控制以提高焊接工藝過(guò)程的釬透率，從而優(yōu)化毫米波射頻互連接地焊接效果。

3.1 微帶基板焊接釬透率優(yōu)化

毫米波電路要求接地良好，通常使用軟釬焊的方式進(jìn)行基板與盒體的組裝。真空爐內(nèi)釬焊的焊接過(guò)程在真空環(huán)境下進(jìn)行，使得工藝過(guò)程氧化現(xiàn)象的發(fā)生降到最低，對(duì)提高接地釬焊的釬透率非常有利；爐內(nèi)釬焊過(guò)程完全由程序控制，在輸入條件相同時(shí)，工藝過(guò)程一致性有保證。本研究通過(guò)在微帶基板和盒體焊接面預(yù)涂鍍?nèi)埸c(diǎn)為183 ℃的鉛錫焊料，再利用工裝對(duì)鍍好焊料的基板和盒體進(jìn)行裝夾，于真空共晶爐中實(shí)施真空釬焊。通過(guò)試驗(yàn)分析得出真空燒結(jié)爐峰值溫度、峰值溫度保溫時(shí)間是影響基板焊接釬透率高低的關(guān)鍵因素。試驗(yàn)優(yōu)化后的真空釬焊溫度設(shè)置曲線如圖4所示：燒結(jié)爐設(shè)定峰值溫度為380 ℃，峰值溫度保溫時(shí)間為2 min。試驗(yàn)表明，采用此種焊接方式可使微帶基板的焊接釬透率達(dá)到90%以上，滿足毫米波模塊研制要求。

3.2 MMIC芯片共晶焊接釬透率優(yōu)化控制

毫米波芯片的接地性能會(huì)直接影響芯片的工作性能。芯片與微帶基板的互連工藝包括芯片粘接工藝和芯片共晶焊接工藝。對(duì)于高頻電路，通常采用芯片共晶焊接工藝依次實(shí)現(xiàn)芯片和載體、載體（帶芯片）和微帶基板之間的連接。芯片共晶焊接的焊料選擇主要考慮三個(gè)方面：（1）芯片所能承受的最高焊接溫度、焊料熔點(diǎn)及焊接時(shí)間；（2）根據(jù)芯片背面的金屬膜層材料選擇合適的焊料；（3）兼顧考慮組件裝配焊料的溫度梯度。本研究中使用的低噪放芯片為砷化鎵材質(zhì)，考慮到各級(jí)組裝的焊接要求，芯片與載體的焊接采用熔點(diǎn)為280 ℃的金錫焊料進(jìn)行共晶焊接。對(duì)于需要共晶的芯片，與鉬銅載體間共晶焊接的質(zhì)量也將直接影響到芯片工作時(shí)的散熱及其輸出功率。芯片焊接面與載體之間的摩擦是提高芯片共晶焊釬透率的有效方法，因?yàn)槟Σ恋倪^(guò)程可以有效去除氧化物和降低焊接空洞率。本研究中，采用手工摩擦焊接的方式實(shí)現(xiàn)，得到了較高的焊接釬透率，圖5所示為典型共晶芯片釬透率檢驗(yàn)結(jié)果。

圖4 微帶板真空釬焊溫度設(shè)置曲線

圖5 典型共晶芯片釬透率檢驗(yàn)結(jié)果

4 高一致性金絲熱超聲楔焊

在毫米波頻段，信號(hào)傳輸、芯片直流供電都是靠金絲鍵合來(lái)實(shí)現(xiàn)，由此可以看出金絲鍵合技術(shù)在毫米波系統(tǒng)微組裝工藝中的重要性。其中，金絲熱超聲楔焊廣泛應(yīng)用于毫米波模塊的射頻互連。然而，由于互連的金絲存在寄生電感，鍵合引線的拱高、跨距等對(duì)模塊的微波特性和一致性具有很大影響[3]。高頻段微波模塊的射頻互連給金絲熱超聲楔焊線弧輪廓提出了更高的要求，線弧的形狀需要更為精確的控制，并且對(duì)模塊之間的引線線弧形狀的一致性提出了更高的要求。隨著自動(dòng)鍵合設(shè)備在混合集成電路電氣互連領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，使得高一致性引線鍵合成為可能，對(duì)毫米波模塊的性能優(yōu)化起到了關(guān)鍵的作用。

4.1 金絲熱超聲楔焊線型參數(shù)優(yōu)化

使用前述仿真手段，在工作頻率為40～50 GHz時(shí)、其他條件固定的情況下，分別對(duì)金絲熱超聲楔焊引線的跨距、拱高對(duì)電壓駐波比的影響進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如表2和表3所示。從仿真結(jié)果可以看出，金絲拱高對(duì)電壓駐波比影響顯著，金絲跨距對(duì)電壓駐波比的影響也較大：以駐波最小為原則，跨距越短、拱高越低，駐波越小，電路微波特性越好。根據(jù)模擬仿真結(jié)果，優(yōu)選跨距為400 μm、拱高小于100 μm的熱超聲楔焊金絲互連結(jié)構(gòu)作為工藝優(yōu)化對(duì)象。為使鍵合金絲能夠滿足規(guī)定的線弧形狀要求，使用F&K自動(dòng)鍵合機(jī)進(jìn)行金絲熱超聲楔焊試驗(yàn)，通過(guò)線型參數(shù)優(yōu)化調(diào)整線弧形狀至最佳。

表2 不同金絲跨距條件下毫米波模塊的電壓駐波比建模仿真數(shù)據(jù)表

表3 不同金絲拱高條件下毫米波模塊的電壓駐波比建模仿真數(shù)據(jù)表

高度/跨距比、弧高因子、反向高度、XY弧高因子、Z弧延遲是影響線弧高度的主要因素，本研究通過(guò)定量化改變以上參數(shù)設(shè)置，用高精度三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備對(duì)不同參數(shù)下獲得的線弧形狀（如拱高）進(jìn)行測(cè)量和記錄，初步建立以上鍵合弧度參數(shù)與拱高、弧形的對(duì)應(yīng)關(guān)系，達(dá)到對(duì)短跨距條件下金絲熱超聲楔焊線型優(yōu)化的目的。以XY弧高因子為例，在其他參數(shù)固定的情況下，隨著XY弧高因子不斷增加，鍵合引線的拱高不斷增大，引線輪廓的下垂度有所減小。當(dāng)XY弧高因子過(guò)小時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致引線輪廓下垂度超過(guò)限度；而當(dāng)XY弧高因子過(guò)大時(shí)，引線拱高超過(guò)100 μm的上限要求。隨著XY弧高因子的變化鍵合線弧外形變化顯著，如圖6。通過(guò)試驗(yàn)分別確定各參數(shù)的優(yōu)選范圍，表4給出了優(yōu)化后的自動(dòng)鍵合線型參數(shù)。

表4 優(yōu)化后的自動(dòng)鍵合弧度參數(shù)范圍

圖6 XY弧高因子參數(shù)不斷變大時(shí)鍵合線弧外形變化

4.2 金絲熱超聲楔焊鍵合參數(shù)優(yōu)化

由于短跨距、低弧度的金絲熱超聲楔焊將部分參數(shù)推向極限，加之楔形鍵合強(qiáng)度對(duì)于參數(shù)設(shè)置非常敏感，稍有偏差就可能造成鍵合失效，必須優(yōu)化自動(dòng)鍵合參數(shù)，調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到最佳組合，即采用正交試驗(yàn)方法優(yōu)化鍵合工藝的參數(shù)設(shè)置。根據(jù)鍵合工藝的參數(shù)設(shè)置，選擇超聲功率、鍵合壓力、超聲時(shí)間作為影響金絲熱超聲楔焊鍵合強(qiáng)度的因素，參數(shù)的水平值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)定。為了便于對(duì)比并考慮到實(shí)際封裝中的鍵合線的物理尺寸，所用鍵合線跨距設(shè)置為400 μm，實(shí)際鍵合線拱高為（90±10）μm。正交試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果表明，第一點(diǎn)的超聲功率對(duì)鍵合強(qiáng)度影響最大，其次分別是第二點(diǎn)鍵合力和第一點(diǎn)超聲時(shí)間。應(yīng)用方差計(jì)算公式，查F臨界值，判斷各因素對(duì)鍵合拉力測(cè)試值的影響，第一點(diǎn)超聲功率對(duì)鍵合拉力測(cè)試值的影響高度顯著；第二點(diǎn)鍵合力和第一點(diǎn)超聲時(shí)間對(duì)鍵合拉力測(cè)試值的影響顯著，所得結(jié)果與極差計(jì)算一致。表5給出了正交試驗(yàn)優(yōu)化后的自動(dòng)鍵合參數(shù)，利用該組參數(shù)進(jìn)行了5組鍵合試驗(yàn)，所得鍵合拉力測(cè)試值均在8.0 g以上，滿足國(guó)軍標(biāo)要求，且一致性較好。

5 應(yīng)用實(shí)例

在某毫米波模塊研制中，運(yùn)用上述毫米波射頻互連微組裝工藝技術(shù)研究結(jié)果，完成了基于若干級(jí)射頻互聯(lián)毫米波低噪放模塊的小批量試制。試制完成后，對(duì)毫米波模塊的輸入輸出端駐波以及各模塊的幅相一致性進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)際結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果較為一致，且近20個(gè)模塊的幅相一致性較好。

表5 試驗(yàn)優(yōu)化后的自動(dòng)鍵合參數(shù)

6 結(jié)束語(yǔ)

本文在毫米波模塊的射頻互連微組裝工藝優(yōu)化方面做了一些有益的研究，形成了一套應(yīng)用于毫米波射頻互連的微組裝工藝優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)了毫米波模塊的電訊指標(biāo)要求，并在其他毫米波模塊項(xiàng)目的研制中得到了推廣應(yīng)用，取得了一定的效果。

[1] 王海．激光開(kāi)槽技術(shù)在毫米波產(chǎn)品中的應(yīng)用[J]．半導(dǎo)體技術(shù)，2009，34(6)：539-542．

[2] 劉炳龍，唐亮．組裝方法對(duì)微波模塊VSWR的影響[J]．電子與封裝，2012，12(6)：9-11，25．

[3] 黃建．毫米波有源相控陣TR組件集成技術(shù)[J]．電訊技術(shù)，2011，51(2)：1-6．