提高引線鍵合的可靠性研究

吳毓穎

摘 要：本文詳細(xì)介紹了引線鍵合的方式，以及各類鍵合方式的質(zhì)量控制點(diǎn)，通過(guò)拉力破壞試驗(yàn)對(duì)現(xiàn)有鍵合能力進(jìn)行評(píng)估。隨著微波產(chǎn)品的工作頻率越來(lái)越高，引線鍵合的穩(wěn)定性問(wèn)題也愈發(fā)突出，針對(duì)這些情況，通過(guò)正交試驗(yàn)，得出了基板化學(xué)鍍的工藝參數(shù)，減少基板表面金層對(duì)引線鍵合強(qiáng)度的影響，提高引線鍵合強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：引線鍵合；可靠性；正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TN405.96 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）04-0068-02

1 概述

目前有源相控陣?yán)走_(dá)是當(dāng)今世界上雷達(dá)研制和發(fā)展的主流。在有源相控陣?yán)走_(dá)中，高性能、高可靠、低成本的收發(fā)組件是重要的技術(shù)關(guān)鍵，圖1為相控陣?yán)走_(dá)T/R組件。

這些微波組件在復(fù)雜苛刻的環(huán)境中，要保持穩(wěn)定的性能與良好的狀態(tài)，電氣性能的可靠性是重中之重。微互連技術(shù)是為了實(shí)現(xiàn)芯片與基板電極之間電氣連接，是微組裝過(guò)程中非常重要的環(huán)節(jié)。只有電路的完好連接，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)組件的電性能。

2 引線鍵合強(qiáng)度

芯片電極與基板電極的微互連方式主要有三種：引線鍵合WB（wire bonding）、載帶自動(dòng)焊TAB（tape automated bonding）、倒裝芯片連接FC（flip chip）。在上述三種連接方式中，引線鍵合是最常用的微互連方式，引線鍵合又可分為球焊（ball bonding）和楔焊（wedge bonding）二種。為了有利于微波傳輸，我們采用楔焊方法實(shí)現(xiàn)芯片與基板電極間的低弧度短線連接，采用的楔焊引線材料是金絲。

引線是芯片內(nèi)部電路與外部電路實(shí)現(xiàn)電、熱連接的通道，鍵合點(diǎn)不斷承裁著電和熱的沖擊。引線鍵合的質(zhì)量用鍵合強(qiáng)度的大小來(lái)衡量，鍵合強(qiáng)度越大，說(shuō)明鍵合質(zhì)量越好，可靠性越高。而影響引線鍵合強(qiáng)度的因素有很多，比如基板表面金層的潔凈度，基板表面再金屬層的厚度、引線鍵合機(jī)的工藝參數(shù)設(shè)置等。

在微組裝的過(guò)程中，我們對(duì)引線鍵合強(qiáng)度設(shè)置了質(zhì)量控制點(diǎn)，利用拉力測(cè)試儀對(duì)微波組件的引線進(jìn)行破壞性拉力測(cè)試，以檢測(cè)引線鍵合強(qiáng)度，并記錄下數(shù)據(jù)。

隨機(jī)抽取某微波組件各進(jìn)行30組破壞性拉力試驗(yàn)得到鍵合強(qiáng)度數(shù)據(jù)，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)鍵合強(qiáng)度在3.2～11克之間，主要集中在4～7克之間，有極少數(shù)鍵合強(qiáng)度達(dá)到10克以上，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.67，平均鍵合強(qiáng)度在6.16克。由此可見(jiàn)，引線鍵合強(qiáng)度滿足國(guó)軍標(biāo)GJB548A-96（《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》）方法2011《鍵合強(qiáng)度（破壞性鍵合拉力試驗(yàn)）》中最低3克的技術(shù)指標(biāo)。但鍵合強(qiáng)度的大小標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，穩(wěn)定性還不夠。

3 可靠性試驗(yàn)

隨著微波組件的制作工藝和材料的不斷進(jìn)步，射頻功率輸出能力和效率也在不斷提高，工作頻率已擴(kuò)展到毫米波波段。因此對(duì)引線鍵合的強(qiáng)度要求也越來(lái)越高。在進(jìn)行引線鍵合時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)基板的表面金層狀況有所不同，鍵合強(qiáng)度的大小也會(huì)有所變化。我們必須根據(jù)基板的表面金層狀況調(diào)節(jié)楔焊機(jī)的工藝參數(shù)，以滿足3克的技術(shù)指標(biāo)。有時(shí)在基板表面金層不是很理想的情況下，我們要花更多的時(shí)間來(lái)調(diào)試楔焊機(jī)，降低了生產(chǎn)效率。在調(diào)試楔焊機(jī)的過(guò)程中，往往是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)置并調(diào)試工藝參數(shù)，缺少具體的科學(xué)的調(diào)試方法，在大批量的微波組件生產(chǎn)中將影響生產(chǎn)進(jìn)度和組件電性能的可靠性。

技術(shù)改進(jìn)的主要目的是穩(wěn)定基板化學(xué)鍍工藝，降低基板表面金層對(duì)引線鍵合強(qiáng)度的影響。通過(guò)工藝試驗(yàn)摸索基板再金屬層厚度與時(shí)間、鍍液濃度等因素之間的關(guān)系，進(jìn)一步控制和穩(wěn)定基板化學(xué)鍍工藝。提高引線鍵合的穩(wěn)定性和可靠性。運(yùn)用更加科學(xué)的試驗(yàn)方法來(lái)優(yōu)化楔焊機(jī)的各項(xiàng)工藝參數(shù)，提高引線鍵合強(qiáng)度。技術(shù)改進(jìn)的主要用途有加快微波組件的生產(chǎn)和返修進(jìn)度，降低生產(chǎn)成本。并且也可以為半自動(dòng)引線鍵合提供材料依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

由于化學(xué)鍍液的濃度在新配比時(shí)是比較明確的，在進(jìn)行化學(xué)鍍后，其濃度將有所變化，對(duì)鍍層效果有所影響，導(dǎo)致了基板表面的金層色澤有差異，影響了引線鍵合強(qiáng)度。在鍍液容積、濃度確定的情況下，我們將做一些對(duì)比性試驗(yàn)，觀察溶液濃度，化學(xué)鍍時(shí)間和基板再金屬層厚度之間的關(guān)系。用肉眼、三維立體顯微鏡和金相顯微鏡分別觀察不同基板表面金層情況，并做記錄。

對(duì)引線鍵合強(qiáng)度有影響的工藝參數(shù)主要有超聲功率、壓力、超聲時(shí)間、加熱溫度等。運(yùn)用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，優(yōu)化楔焊機(jī)的工藝參數(shù)，提高引線鍵合的可靠性和穩(wěn)定性。正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)法是研究與處理多因素實(shí)驗(yàn)的一種科學(xué)方法。利用規(guī)格化的表格—正交表Ln（j i），科學(xué)地挑選試驗(yàn)條件，合理安排實(shí)驗(yàn)。

其中：

L—正交表的符號(hào)；

n—正交表的行數(shù)（試驗(yàn)次數(shù)，試驗(yàn)方案數(shù)）；

j—正交表中的數(shù)碼（因素的位級(jí)數(shù)） ；

i—正交表的 列數(shù)（試驗(yàn)因素的個(gè)數(shù)） ；

N=ji—全部試驗(yàn)次數(shù)（完全因素位級(jí)組合數(shù)）。

因子代表影響引線鍵合的因素，水平表示因子所設(shè)定的值，假設(shè)超聲功率、壓力、超聲時(shí)間設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，再根據(jù)正交表來(lái)進(jìn)行試驗(yàn)的設(shè)計(jì)。將根據(jù)正交表的實(shí)驗(yàn)順序進(jìn)行多組試驗(yàn)，見(jiàn)表2。并將數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而找到最佳的工藝參數(shù)設(shè)定值，優(yōu)化后的引線鍵合工藝流程見(jiàn)圖2。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)引線鍵合試驗(yàn)，找到基板表面金層厚度與引線鍵合強(qiáng)度之間的關(guān)系，通過(guò)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)合理設(shè)置引線鍵合的工藝參數(shù)，進(jìn)行金絲鍵合試驗(yàn)并做破壞性拉力試驗(yàn)，引線鍵合強(qiáng)度平均值有進(jìn)一步提高，標(biāo)準(zhǔn)方差有所減小，可改善引線鍵合可靠性。