微電阻焊及其在雷達T/R組件互連中的應(yīng)用

霍紹新，解啟林

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

微電阻焊及其在雷達T/R組件互連中的應(yīng)用

霍紹新，解啟林

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

微電阻焊技術(shù)成熟且操作簡便，被廣泛應(yīng)用于電子及機械制造領(lǐng)域。文中將其創(chuàng)新性地應(yīng)用到了雷達T/R組件微波模塊的內(nèi)部互連中。文中首先分析了微波組件中電阻焊的實現(xiàn)工藝與方法，然后應(yīng)用該技術(shù)分別實現(xiàn)了T/R組件的低頻連接器與基板之間、射頻電路模塊之間以及高頻連接器接頭內(nèi)部電路的互連。利用該工藝技術(shù)方法，可以突破常規(guī)引線鍵合時焊接面可焊性要求較高的限制，可以實現(xiàn)高頻、射頻電路中金屬絲、帶(如鍍金銅絲、金帶、鍍金銅箔)的互連。初步驗證表明，其焊接質(zhì)量良好。

微電阻焊；T/R組件；金屬絲、帶

引 言

T/R組件是雷達系統(tǒng)中典型的多芯片微波模塊(MCM)，高密度、小型化、輕量化已成為其發(fā)展的必然趨勢。高密度互聯(lián)和微焊接技術(shù)成為T/R組件組裝工藝技術(shù)的基礎(chǔ)，包括通過粘貼、共晶、金絲鍵合等方法，將各種裸芯片、芯片電容、表貼器件等功能器件焊接組裝到微波電路上，形成完整的功能單元。而組件的互連多以引線鍵合、倒裝焊、球柵陣列封裝等方式[1]，實現(xiàn)內(nèi)部芯片、器件以及基板間的可靠連接。在引線鍵合中，通過施加超聲、壓力、熱的手段實現(xiàn)金、鋁、銅等合金絲線的熱壓、超聲鍵合，完成組件的芯片、基板、接插件引腳焊盤之間的鍵合互連。因該互連方法可以在微米級別上實現(xiàn)芯片的輸入輸出端與引線框架或基板的電氣互連，滿足了集成電路對響應(yīng)速度、集成度、封裝尺寸的高要求，因此目前封裝器件的內(nèi)部一級互連多采用引線鍵合連接。然而引線鍵合等互連對被焊件表面清潔度非常敏感，如要求金屬絲線或基板上的金屬化層必須無污染、無氧化皮，否則連接處的附著力和可靠性會下降。且互連工藝參數(shù)設(shè)置復(fù)雜，超聲球焊時需要整體加熱模塊或組件。而對于該微米級別的引線鍵合工藝，金屬絲的徑向距離不能太大，否則例行環(huán)境試驗存在風險。

針對上述特點，為了解決引線鍵合時長度受限問題，突破常規(guī)壓焊時對金帶、鋁帶寬度的限制，也解決引線鍵合互連時金屬絲線和基板鍍層附著力的問題，本文嘗試著在T/R組件類MCM中應(yīng)用電阻焊技術(shù)焊接部分部位的金屬絲、帶。

電阻焊技術(shù)因操作簡便、技術(shù)成熟、連接可靠、成本低廉等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于電子制造、機械加工等領(lǐng)域，如電池的電極材料焊接制造[2]、車輛和航空產(chǎn)品的薄板搭接構(gòu)件焊接加工[3]、半導(dǎo)體封裝器件中管殼與蓋板焊接。該技術(shù)的原理主要是利用電流流經(jīng)工件接觸面及鄰近區(qū)域時產(chǎn)生電阻熱，將被焊件不同部位的金屬熔化形成熔核，同時在壓力作用下，金屬原子相互擴散并再結(jié)晶，最終達到金屬間牢固結(jié)合的目的。與引線鍵合相比，電阻焊的優(yōu)勢在于：1)能做到局部加熱，這一點對微電子器件的焊接很重要，可避免整體高溫受熱可能造成的對器件性能的影響；2)對焊接面的可焊性、耐焊性無苛刻要求，也能克服金屬絲、帶或者焊盤部位出現(xiàn)的輕度氧化、污染等問題。

1 電阻焊分類與工藝

1.1 電阻焊分類

根據(jù)電阻焊的電極排布劃分，電阻焊的工藝方法大致可歸納為雙面雙電極、單面雙電極、單面平行電極和單面單電極4種[4]，如圖1所示。

圖1 電阻焊的工藝方法分類

(1)雙面雙電極工藝

在工件的上下兩面各放1個電極，并以壓力將工件壓緊，如圖1(a)所示。電極形狀的設(shè)計可根據(jù)工件不同而不同?，F(xiàn)在，這種方法常用于中、小功率晶體管的封裝，也廣泛用于車輛、航空產(chǎn)品的薄板搭接構(gòu)件焊接。

(2)單面雙電極工藝

2個電極分別放置在同一水平面的不同被焊件上，以壓力將工件接觸處壓緊，通電流，焊點處因接觸電阻熱而熔化。

(3)單面平行電極工藝

它是單面雙電極工藝中的特例，2個電極放置在同一平面的1個被焊物上，電流通過器件(蓋板)，在壓力作用下，焊點處因接觸電阻熱而熔化，常被稱為“平行縫焊”，它是混合集成電路封蓋的常用方法。

(4)單面單電極工藝

與雙電極不同的是，它在1個電極中就可實現(xiàn)電流回路，電極2個平行端靠得極近(距離可達數(shù)十微米)，電極末端可以相連呈“U”型，或不相連呈歐姆連接，如圖1(d)所示。該工藝又稱“微電阻焊”、“平行微隙焊”[5]。它常用來焊接電子元器件上帶引出端的漆包線，焊接時先將電極放在被焊漆包線上，在壓力輔助下通以脈沖電流，完成漆包線除漆和焊接，如文獻[6]中用來焊接帶漆包線的小電感。本文采用這種“微電阻焊”技術(shù)和工藝來焊接T/R組件中無漆的金屬絲、帶，以實現(xiàn)電路內(nèi)部互連。

1.2 微電阻焊工藝

根據(jù)焦耳定律Q=I2Rt(Q為熱量，I為電流，R為電阻，t為時間)，精確控制電流、電阻和時間這3個要素，就可以控制電阻焊發(fā)熱量的大小。其中的電阻主要涉及電極的電阻、工件的電阻和工件與電極接觸處的接觸電阻，這3種電阻的比例分布與電極的結(jié)構(gòu)形式密切相關(guān)，也決定了焊接過程的熱量分布。通常對于歐姆接觸型電極，工件與電極接觸處的接觸電阻比例最大，因此，最高溫度產(chǎn)生在工件接觸點的中心，在此點金屬熔結(jié)在一起。此時電流大小、持續(xù)時間設(shè)定由被焊界面的接觸電阻、金屬帶或金屬線的熱熔量共同決定，工藝判據(jù)以絲帶形成成核良好、拉力強度高的連接為宜。而U型電極焊接時，工件電導(dǎo)率大，電極電阻較大，熱量主要來自電極本身產(chǎn)生的電阻熱。此時電流大小、持續(xù)時間設(shè)定主要取決于金屬帶、金屬線的熱熔量。

除了上述決定金屬熔化狀態(tài)的焊接電流和通電時間參數(shù)外，電阻焊時電極上施加的壓力也影響著焊接熔核的大小和質(zhì)量的好壞，它可以破壞被焊材料的表面氧化層并調(diào)節(jié)接觸電阻的大小，調(diào)節(jié)焊接區(qū)域的加熱熔化程度。

在微波組件中，因無漆的金屬帶、線的電阻都很小，且為了保證可靠性，應(yīng)避免過大的電極壓力，因此在電極選取上，常用U型電極焊接。U型電極焊接以電極本身產(chǎn)生的電阻熱為熱源，能減少參數(shù)設(shè)定的不確定性，實現(xiàn)金屬絲、帶熔化可靠焊接。

2 電阻焊應(yīng)用

2.1 低頻連接器與基板互連

電連接器是雷達T/R組件中重要的機電元件，它承載了系統(tǒng)電能的傳輸和信號的傳遞控制，對保證整個T/R組件系統(tǒng)的可靠性有著十分重要的意義，而其可靠性不僅取決于連接器產(chǎn)品的可靠性，還在很大程度上依賴于連接器與基板或器件互連的可靠性。這里主要針對J30J系列微型矩形連接器，使用微電阻焊的方法實現(xiàn)內(nèi)部插針與基板的互連。

如圖2所示，對于該類連接器，通常采用插針臺階設(shè)計，并要求對插針表面進行鍍金保護，以防止導(dǎo)體氧化變色，增加后期可焊性?；ミB工藝多采用金絲球焊鍵合的方式，從插針引出鍵合第1點，在基板上鍵合球焊第2點，金絲采用25 μm直徑的純金絲。然而在鍵合完成后，常常發(fā)現(xiàn)鍵合金絲斷裂的現(xiàn)象，如圖2所示。這一方面是因在電調(diào)時金絲被異常大電流燒毀熔斷；另一方面是因金絲過長，其機械可靠性不能滿足例行環(huán)境可靠性要求。因此應(yīng)對插針上的鍍層提出較高要求，否則將嚴重削弱其附著力。

圖2 J30J型矩形連接器內(nèi)部插針臺階設(shè)計、金絲互連以及部分金絲斷裂

針對這些難題，這里使用微電阻焊方法，通過對常見高電導(dǎo)率材料的物理性能分析(見表1)，選取鍍金銅絲(直徑100 μm)做長距離高可靠的絲線互連。如圖3所示，在插針臺階上焊接第1點，在基板導(dǎo)帶上焊接第2點。這里分別試驗了剛性陶瓷基板和撓性的微帶基板。

表1 幾種常見金屬的電導(dǎo)率、電阻率等物理特性[7]

圖3 J30J型矩形連接器與基板的鍍金銅絲互連

與常規(guī)的帶漆包線器件焊接不同，電阻焊雖然能克服金屬端頭表面污染、氧化等限制，工藝中附帶預(yù)熱過程對氧化污染等有一定的清理作用，但需要注意精確控制電極上施加的壓力，調(diào)節(jié)焊接電流和通電時間的關(guān)系，避免電極接觸處出現(xiàn)電火花。這是因為一方面電火花對引線附近可能含有裸芯片的T/R組件是非常危險的，它極易損傷裸芯片；另一方面剛性基板上的導(dǎo)帶層較薄且附著力有限，電火花極易“燒蝕”導(dǎo)帶，如圖4所示。所以應(yīng)優(yōu)化工藝過程，避免電火花的產(chǎn)生。

圖4 電火花引起導(dǎo)帶“燒蝕”

電極上施加壓力雖然可以增加接觸電阻，減小電流設(shè)置，但過大的壓力會影響插針的強度，壓彎插針(彈性)。對于撓性的微帶基板，銅絲會在基板上留下深深的壓痕，如圖5所示。采用金屬帶焊接也許會減小壓強，從而減輕痕跡，所以對于撓性基板不建議采用金屬絲線的微電阻焊。

圖5 微帶板壓痕

經(jīng)過試驗驗證，確定了最終的工藝方法設(shè)置，優(yōu)選尖端小而長的U型電極，優(yōu)化設(shè)置電流脈沖、焊接時間等參數(shù)，可以獲得焊接質(zhì)量良好、無熔核飛濺的牢固焊點。參照GJB 548B—2005進行拉力檢測，引線拉力可大于50 g。

2.2 電路模塊射頻線處互連

在雷達中，大量MCM(如T/R組件)是基于微帶結(jié)構(gòu)的，組件內(nèi)部由多個電路模塊拼接組成，所以微帶線之間的高效互連對于組件性能實現(xiàn)至關(guān)重要。文獻[7]通過三維電磁場軟件HFSS對互連結(jié)構(gòu)進行仿真認為，對于微帶線之間的互連，多根金絲連接或金帶連接的微波特性，在電壓駐波比、插入損耗方面比單根金絲連接的性能好，隨著組件頻率升高，這一點顯得尤為明顯。文獻[8]通過實踐證明，采用金帶互連可降低串聯(lián)電感，優(yōu)化引線互連產(chǎn)生的寄生電感和電阻，從而改善高頻段時互連對信號傳輸?shù)挠绊懀玫捷^好的微波特性。

這里應(yīng)用微電阻焊工藝技術(shù)來實現(xiàn)T/R組件內(nèi)部電路模塊射頻線處的電氣互連，工藝試驗選取了表面有導(dǎo)帶的陶瓷基板為研究對象，選擇了75 μm寬度的金帶進行電阻焊工藝試驗。試驗分別使用了歐姆接觸型和U型2種電極，在焊點上有明顯的電極壓痕，這是因為金帶非常薄，當參數(shù)不當時在周圍會有金屬“焊瘤”，如圖6所示。

圖6 剛性陶瓷基板上金帶互連

同樣參照GJB 548B—2005進行了金帶拉力試驗，金帶的拉力均能大于100 g。將它應(yīng)用到某型Ku波段T/R組件的電路模塊射頻線處的電氣互連，發(fā)現(xiàn)與常規(guī)金絲壓焊鍵合互連對比，其整體電壓駐波比和插損均有所下降。

2.3 高頻連接器接頭處互連

微波毫米波組件或模塊由盒體、基板、芯片和元器件等裝聯(lián)而成，并通過低頻、射頻連接器實現(xiàn)內(nèi)外的電氣連接，在連接器處通常將連接器金屬外殼通過釬料與盒體焊接固定，裝聯(lián)時再將連接器的金屬內(nèi)導(dǎo)體通過釬料與電路基板上的射頻微帶線焊接連接，以形成剛性焊接連接，如圖7所示。然而由于盒體、電路基板和連接器內(nèi)導(dǎo)體等材料的熱膨脹系數(shù)(CTE)各不相同，在環(huán)境適應(yīng)性試驗過程中，熱失配的產(chǎn)生使得內(nèi)導(dǎo)體裝聯(lián)焊接處出現(xiàn)熱應(yīng)力損傷或疲勞斷裂。為了提升產(chǎn)品的可靠性，避免應(yīng)力損傷或疲勞斷裂，文獻[8]對該連接端進行模型仿真設(shè)計認為，在2 ～ 40 GHz的高頻段連接中采用撓性、柔性設(shè)計(如帶狀閉環(huán)壓接)，可以獲得優(yōu)化了的插入損耗和電壓駐波比等微波性能，且可靠性良好。

圖7 連接器內(nèi)導(dǎo)體與電路基板射頻線的剛性連接

除了上述提高可靠性對撓性或柔性連接的需求，電路仿真設(shè)計尤其是高頻段微波組件的仿真設(shè)計，也對撓性或柔性互連提出了需求。在微波組件中，射頻連接器處同軸接頭內(nèi)傳播的主模是TEM模，微帶線內(nèi)傳播的主模是準TEM模，在不連續(xù)的地方將激發(fā)高次模TE11。要實現(xiàn)理想的過渡，必須改進工藝設(shè)計，抑制高次摸的傳播。

以某JSMP射頻連接器為例，擬優(yōu)化工藝設(shè)計，避免高頻段的傳輸失效。JSMP外形尺寸已給定，如圖8所示。其內(nèi)導(dǎo)體半徑a= 0.19 mm，外導(dǎo)體半徑b= 1.25 mm，介質(zhì)為相對介電常數(shù)為5的玻璃。根據(jù)式(1)，其對應(yīng)的同軸線高次模TE11模的截止頻率為29.5 GHz，即

(1)

式中：c為光速；εr為相對介電常數(shù)。所以當頻率高于該截止頻率時，直接從同軸接頭過渡到微帶線的互連時，高次模TE11將無法濾除，影響變換段性能。

圖8 某JSMP射頻連接器外形尺寸

若在連接器內(nèi)導(dǎo)體外增加空氣同軸段——空氣腔，如圖9所示，則可提高該截止頻率，抑制高頻階段的微波性能下降，將連接器應(yīng)用到更高頻段；若在內(nèi)導(dǎo)體外設(shè)計金屬圓環(huán)形成一個空氣腔，圓環(huán)內(nèi)半徑為0.45 mm，則最終的高次模TE11模的截止頻率可增加到148 GHz。

圖9 連接器內(nèi)導(dǎo)體外增加金屬圓環(huán)示意圖

這里選用鍍金銅箔制作空氣同軸環(huán)(模擬空氣腔)進行驗證試驗。結(jié)果表明，通過微電阻焊工藝技術(shù)可以實現(xiàn)這種互連。如圖10(a)所示，銅箔厚0.02 mm，寬0.3 mm，微電阻焊接可實現(xiàn)如圖10(b)所示的結(jié)構(gòu)。

圖10 連接器內(nèi)導(dǎo)體外增加圓環(huán)形成空氣腔

試驗結(jié)果表明：與未添加金屬環(huán)(空氣腔)的微波模塊相比，當頻率增至44 GHz附近時，添加了金屬環(huán)的模塊的電壓駐波比從2降到了1.5，已接近連接器的駐波比1.35；同時該焊接接頭滿足溫度循環(huán)和振動環(huán)境試驗可靠性要求。

3 結(jié)束語

微電阻焊方法原理簡單，操作簡便，多用于宏觀器件，也能創(chuàng)新性地應(yīng)用到T/R組件等微波組件或模塊中，有時效果比常規(guī)方法還好，焊接質(zhì)量高，可靠性好，可以提高生產(chǎn)效率和焊接質(zhì)量。本文嘗試著將其應(yīng)用到微波T/R組件的內(nèi)部互連中，用來焊接金屬絲、帶(如鍍金銅絲、金帶、鍍金銅箔)。初步驗證表明，其焊接效果良好。

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霍紹新(1983-)，男，博士，工程師，主要從事雷達總體工藝設(shè)計研究工作。

Micro-resistance Welding Technology and Its Application to Interconnection of Radar T/R Module

HUO Shao-xin，XIE Qi-lin

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The micro-resistance welding technology is widely used in the manufacturing of electronics and mechanical equipment for it′s mature and simple and convenient to operate. In this paper this technology is innovatively applied to the interconnection of the microwave modules such as the T/R module. The process and method of the micro-resistance welding in the microwave multichip modules are first analyzed. Then by means of this process the interconnection can be realized between the low-frequency connectors and its metal substrate, between different microwave circuits or the inner circuits on the RF connector joint. This process and technology can overcome the rigorous limits of surface weldability. The results show that the welding qualities of the metal wire and ribbon (the copper wire plated with gold, gold ribbon and copper foil plated with gold) in the high frequency and RF circuits are reliable.

micro-resistance welding; T/R module; metal wire and ribbon

2015-09-10

安徽省科技攻關(guān)計劃項目(1501021056)；安徽省自然科學基金資助項目(1508085QE107)

TG44

A

1008-5300(2015)06-0039-05