X波段T/R組件金絲鍵合可靠性研究

王棟良 閆非凡 杜選勤 曾雨婷 李玉蘭

摘要：T/R組件金絲鍵合數(shù)目龐大，鍵合前組件經(jīng)歷多道工序，鍵合界面種類繁多，相應(yīng)的工藝難度大。以某型X波段T/R組件金絲鍵合微組裝工藝為研究對(duì)象，詳細(xì)描述了金絲鍵合的失效模式，分析了失效原因，并對(duì)金絲鍵合工藝進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后工藝的可靠性得到了大幅提升。

關(guān)鍵詞：T/R組件;金絲鍵合;可靠性

0 引言

目前，X波段T/R組件大量應(yīng)用于機(jī)載、艦載及地面有源相控陣?yán)走_(dá)，其數(shù)量大、價(jià)值高，是有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件。X波段T/R組件集成度高，組裝工藝復(fù)雜，既包括無(wú)源器件表面貼裝、低溫共燒陶瓷（LTCC）基板與殼體的大面積焊接、射頻連接器與殼體的焊接等溫度梯度焊接工藝，又包括微波MMIC裸芯片環(huán)氧粘接、共晶焊接以及金絲鍵合等先進(jìn)微組裝工藝。此外，不同的工藝之間還需加入合適的清洗過(guò)程，以保證組件工藝的可靠性[1]。在T/R組件工藝過(guò)程中，金絲鍵合至關(guān)重要，一方面因其起著電氣/信號(hào)互連的作用，另一方面因數(shù)量較大，單個(gè)組件就有數(shù)百根金絲，如果工藝控制不當(dāng)，有可能造成組件因個(gè)別鍵合點(diǎn)失效而無(wú)法實(shí)現(xiàn)功能的情況[2]。

為了制成高可靠T/R組件，本文結(jié)合某型X波段T/R組件的工藝過(guò)程，研究分析了金絲鍵合失效的現(xiàn)象和原因，通過(guò)改進(jìn)工藝，降低了金絲鍵合失效風(fēng)險(xiǎn)，滿足了X波段T/R組件的工藝需求。

1 X波段T/R組件金絲鍵合失效模式

X波段T/R組件工藝流程如圖1所示。可以看出，在金絲鍵合之前，組件已經(jīng)歷多道焊接和清洗工藝，如果鍵合前任何一步工藝處理不當(dāng)都有可能造成金絲鍵合焊盤表面沾污受損，從而影響鍵合可靠性。T/R組件金絲鍵合的狀態(tài)多，包括Si芯片LTCC、GaAs芯片LTCC、GaAs芯片Rogers、GaAs芯片GaAs芯片、LTCC-Rogers等多種狀態(tài)，不同狀態(tài)對(duì)應(yīng)的鍵合界面不同，相應(yīng)的工藝難度也有差異。

為了充分把握金絲鍵合的可靠性規(guī)律，研究中對(duì)X波段T/R組件內(nèi)部共402根直徑為25 μm的金絲進(jìn)行了100%破壞性拉力測(cè)試，以Sg拉力作為合格判據(jù)，測(cè)試結(jié)果合格金絲數(shù)量為369根，合格率為91.8%。33根拉力不合格金絲的失效現(xiàn)象分為兩大類，一類為鍵合點(diǎn)與焊盤脫離，鍵合拉力為零;另一類為從鍵合點(diǎn)根部斷裂，鍵合拉力接近零。更詳細(xì)的失效模式分類見圖2，可以看出，金絲從Si芯片端失效（包括脫離和斷裂）的比例較高，為17根，其次為從基板微帶線端失效，比較而言，在GaAs芯片端失效的比例最低。

1.1 微帶端失效

金絲鍵合從微帶端失效主要集中在兩處，一處為L(zhǎng)TCC基板與Rogers基板連接處（圖3a），一處為低壓差穩(wěn)壓器與鉭電容中間微帶處（圖3b），前者多為金絲與微帶脫離，即無(wú)鍵合強(qiáng)度，后者多為金絲從鍵合根部斷裂，鍵合拉力接近零。

分析原因，認(rèn)為莉者與T/R組件的焊接及清洗工藝有關(guān)。T/R組件組裝過(guò)程中，LTCC、Rogers等微波基板與殼體之間采用96.5Sn3.5Ag焊膏進(jìn)行焊接，之后采用無(wú)水乙醇清洗，由于基板與殼體之間、LTCC與Rogers之間間隙極小，很難保證其中殘留的助焊劑被徹底清洗干凈，即使表面清洗干凈，基板與殼體間隙或焊接界面處的助焊劑在后續(xù)環(huán)氧貼片排膠烘干或者金絲鍵合底部加熱過(guò)程中也會(huì)因受熱而沿著LTCC與Rogers基板的間隙溢出，污染鍵合焊盤，進(jìn)而導(dǎo)致鍵合失效。

對(duì)于后者，主要由于鍵合過(guò)程中鍵合劈刀受旁邊鉭電容干涉所致。經(jīng)測(cè)量，鉭電容側(cè)壁與基板微帶線間距約為0.75mm，小于鍵合劈刀半徑，金絲鍵合時(shí)，劈刀受鉭電容干涉無(wú)法下移接觸微帶線，為了克服該問(wèn)題，鍵合時(shí)將T/R組件底部?jī)A斜10°～20°，可保證劈刀能夠接觸微帶線，但是該做法會(huì)導(dǎo)致鍵合壓力不均勻、鍵合點(diǎn)變形嚴(yán)重或鍵合不充分等缺陷，最終造成鍵合失效。

1.2 Si芯片端失效

Si芯片端鍵合失效主要集中在波束控制專用電路芯片，如圖4所示。與在微帶電路及GaAs芯片表面上的Au焊盤不同，Si芯片表面為Al焊盤，在空氣中放置后容易在表面生成一層氧化膜，不利于鍵合。采用Au絲楔形鍵合工藝，能夠有效破除氧化膜并促進(jìn)鍵合，工藝參數(shù)主要有鍵合壓力和超聲功率，鍵合力主要起促進(jìn)Au絲塑性變形及金絲與焊盤金屬層緊密接觸作用，而超聲波振動(dòng)則沿著鍵合焊盤金屬層“刮擦”從而形成鍵合界面，并產(chǎn)生機(jī)械互鎖，提高鍵合質(zhì)量[3]。由于楔形鍵合主要是Au引線和Al焊盤金屬層之間的機(jī)械鍵合和互鎖，沒有任何冶金學(xué)反應(yīng)，因此通常需要較大的鍵合力，但如果鍵合力過(guò)高有可能造成Au絲或焊盤變形嚴(yán)重、損傷或焊盤露底等缺陷。工藝中發(fā)現(xiàn)，采用25g鍵合壓力、180mW超聲功率進(jìn)行Au絲鍵合，Si芯片鍵合點(diǎn)變形嚴(yán)重，拉力測(cè)試后Si芯片鍵合焊盤多數(shù)露底，如圖5所示，說(shuō)明在鍵合過(guò)程中Al焊盤金屬層受損嚴(yán)重，需要重新對(duì)鍵合工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。此外，該Si芯片Al焊盤尺寸及間距分別為90 μm×90μm和125 μm，焊盤尺寸小，間距窄，加之基板端由兩排焊盤構(gòu)成，鍵合時(shí)需要在高拱高和低拱高間交替進(jìn)行，這無(wú)疑增加了工藝難度。

1.3 GaAs芯片端失效

整體來(lái)看，金絲鍵合在GaAs芯片端失效的比例較低，約占所有鍵合數(shù)目的1%，主要位于功放芯片漏壓饋電端焊盤，該焊盤為功放芯片加電端，需要在100μm x 100μm的焊盤上鍵合2根25μm金絲，由于焊盤尺寸小，兩次鍵合點(diǎn)會(huì)重疊。研究中發(fā)現(xiàn)，如果工藝控制不當(dāng)，在第二次鍵合時(shí)會(huì)使第一次的鍵合點(diǎn)變形過(guò)大，甚至產(chǎn)生裂紋，造成鍵合點(diǎn)的損傷，進(jìn)而導(dǎo)致鍵合失效。因此，對(duì)于單個(gè)焊盤上金絲鍵合密度較高的情況應(yīng)加強(qiáng)工藝過(guò)程的控制。

2 金絲鍵合可靠性改進(jìn)措施

通過(guò)上述失效模式分析，認(rèn)為可從以下幾方面來(lái)提高X波段T/R組件金絲鍵合的可靠性：一是改善清洗過(guò)程，二是進(jìn)一步優(yōu)化鍵合工藝參數(shù)，三是合理設(shè)計(jì)組件電路版圖，四是加強(qiáng)工藝操作過(guò)程控制。

2.1 清洗工藝改進(jìn)

一方面，加強(qiáng)基板焊接、表貼及連接器焊接后的清洗，該過(guò)程主要采用無(wú)水乙醇清洗焊接后殘留的助焊劑，研究中通過(guò)浸泡加毛刷刷洗相結(jié)合的方法對(duì)組件進(jìn)行清洗，對(duì)于LTCC與Rogers基板間隙處、基板與殼體間隙處的助焊劑，由于間隙狹小無(wú)法刷洗，可借助銀針、鍵合通針等工具將助焊劑剔除，確保在顯微鏡下不發(fā)現(xiàn)助焊劑殘留。另一方面，在芯片粘接后等離子清洗前引入氣相清洗，選擇溴丙烷作為清洗劑，其具有較強(qiáng)的清洗能力，能夠有效去除因芯片粘接后排膠烘干受熱導(dǎo)致的從基板底部縫隙中溢出的助焊劑。此外，研究中還對(duì)局部老化嚴(yán)重、鍵合可靠性不高的微帶嘗試了新型激光清洗工藝，如圖6所示，可以看出，經(jīng)激光清洗后，金絲鍵合強(qiáng)度大大提高，由于該清洗工藝可針對(duì)局部微小區(qū)域單獨(dú)進(jìn)行，定位精度高，清洗過(guò)程可控，因此在T/R組件高密度組裝、修理工藝過(guò)程中具有十分廣泛的應(yīng)用前景。

2.2 鍵合工藝參數(shù)優(yōu)化

區(qū)別對(duì)待Si芯片和GaAs芯片鍵合工藝，并重新優(yōu)化Si芯片鍵合參數(shù)。針對(duì)Si芯片Al焊盤表面因容易氧化而不利于鍵合的問(wèn)題，通過(guò)增加鍵合超聲功率來(lái)增加劈刀與焊盤之間的刮擦，將焊盤表面氧化層去除，促進(jìn)鍵合界面的形成，提高金絲鍵合互鎖能力。同時(shí)，降低鍵合壓力，減輕劈刀對(duì)鍵合焊盤金屬層的沖擊和擠壓，保證金屬層的完好，提高鍵合可靠性。最終，優(yōu)化后的Si芯片端鍵合工藝參數(shù)為：鍵合壓力16g，超聲功率240mW，鍵合時(shí)間34ms。

2.3 電路版圖重新優(yōu)化

針對(duì)因低壓差穩(wěn)壓器與鉭電容間距過(guò)小而導(dǎo)致劈刀無(wú)法下移的問(wèn)題，對(duì)鉭電容表貼焊盤位置進(jìn)行了優(yōu)化，在保證組件性能指標(biāo)的前提下，適當(dāng)將鉭電容表貼焊盤向遠(yuǎn)離低壓差穩(wěn)壓器方向移動(dòng)，增加低壓差穩(wěn)壓器芯片與鉭電容之間的距離，確保二者之間有足夠的空間能夠容納劈刀的運(yùn)動(dòng)。

2.4 工藝操作過(guò)程控制

金絲鍵合為關(guān)鍵工藝，由專門人員進(jìn)行操作，每天應(yīng)在正式產(chǎn)品裝配前進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。產(chǎn)品裝配過(guò)程中嚴(yán)格控制金絲拱高、跨距、鍵合點(diǎn)形貌，尤其對(duì)單個(gè)焊盤上鍵合兩根甚至三根金絲的情況，保證單個(gè)鍵合點(diǎn)寬度和長(zhǎng)度分別約為金絲直徑的1.2倍和1.5倍，防止鍵合點(diǎn)之間相互擠壓變形嚴(yán)重，并進(jìn)行鍵合拉力測(cè)試，保證工藝的一致性和可靠性。

通過(guò)上述工藝優(yōu)化，較好地完成了X波段T/R組件的鍵合工藝，在隨后的T/R組件中，對(duì)之前鍵合易失效部位的金絲進(jìn)行了100%非破壞性拉力測(cè)試，合格判據(jù)為3g，測(cè)試結(jié)果為100%合格，說(shuō)明T/R組件金絲鍵合工藝可靠性得到了明顯提高。

3 結(jié)論

本文以某型X波段T/R組件金絲鍵合微組裝工藝為研究對(duì)象，討論了金絲鍵合在基板微帶線端、Si芯片端和GaAs芯片端等不同鍵合狀態(tài)下的失效模式，分析了失效原因，結(jié)論為鍵合前的清洗工藝、鍵合參數(shù)、組件版圖設(shè)計(jì)布局及工藝過(guò)程控制是影響金絲鍵合可靠性的重要因素。通過(guò)優(yōu)化上述工藝過(guò)程和參數(shù)，使X波段T/R組件金絲鍵合可靠性大大提升，組件中30余根易失效部位金絲的可靠性從拉力強(qiáng)度為零提升至100%非損拉力合格，保證了TfR組件的性能。

參考文獻(xiàn)

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