T/R開關(guān)組件封裝工藝的研究

馮曉曦，李 俊，馬其琪

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所 微組裝中心，山西 太原 030024)

1 緒論

T/R開關(guān)是一種在射頻發(fā)射通道和信號(hào)接收通道間進(jìn)行切換的器件[1]。其主要組成部分是PIN二極管和部分電容電阻器件組成的功能電路以及作為襯底的LTCC基板。T/R開關(guān)作為射頻電路的關(guān)鍵部件，是雷達(dá)系統(tǒng)可靠工作的一個(gè)重要組成部分。

封裝工藝在T/R開關(guān)研制過(guò)程中占據(jù)很大的比重，其設(shè)計(jì)成本占T/R開關(guān)設(shè)計(jì)總成本的一半以上[2]。而在封裝工藝中，貼片和金絲鍵合則是工作的重中之重。本文通過(guò)設(shè)計(jì)系列仿真和試驗(yàn)，探究這兩種工藝的工藝參數(shù)對(duì)器件可靠性的影響。

2 貼片工藝

貼片是指將芯片裝配到管殼底座或框架上的工藝。常用的方法有樹脂粘接、共晶焊接、錫鉛合金焊接等。

膠粘貼片工藝具有工藝靈活，成本低，工藝溫度低等優(yōu)點(diǎn)，且使用范圍廣泛，工藝成熟，成為T/R開關(guān)貼片采用的主要封裝方式。主要工藝步驟包括：施膠，貼片及固化。

在芯片測(cè)試時(shí)，封裝體要受到加速度力作用，由于機(jī)械約束及封裝體各部件的應(yīng)力系數(shù)不匹配，封裝體中將產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力。在測(cè)試過(guò)程中封裝體附加產(chǎn)生的應(yīng)變和應(yīng)力將對(duì)PIN二極管的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，應(yīng)力過(guò)大時(shí)甚至?xí)斐蒔IN二極管的破裂。因此，需要選擇適合的材料以盡可能地減小應(yīng)力和應(yīng)變對(duì)PIN二極管的影響。

利用ANSYS軟件，從理論上對(duì)貼片工藝過(guò)程中封裝體受到的應(yīng)力進(jìn)行仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果優(yōu)化實(shí)際的封裝工藝，以減小應(yīng)力對(duì)二極管的影響。

2.1 貼片膠厚度對(duì)芯片影響

本文使用ANSYS軟件分析貼片膠、PIN二極管以及LTCC基板之間的應(yīng)力與應(yīng)變。對(duì)LTCC基板底部施加全自由度約束，在PIN二極管安裝方向的Z方向施加40g加速度載荷。仿真模型如圖1，底層為L(zhǎng)TCC基板，中間為貼片膠，上層為PIN二極管。

圖1 結(jié)構(gòu)仿真模型

密度ρ楊氏模量泊松比厚度LTCC基板2.5×1032.9×10110.2500貼片膠1.25×10-52.7×1030.320～120硅二極管2.3×1031.3×10110.2300

首先對(duì)殼體進(jìn)行建模，模型類型為Brick 8node 45，定義材料類型(如表1)，劃分網(wǎng)格形式為Tet-free，最后在LTCC底部施加全自由度約束(DOF)，對(duì)模型施加值為40g垂直向上的靜態(tài)加速度，計(jì)算出PIN二極管中心點(diǎn)的位移與應(yīng)力值。

圖2 不同厚度貼片膠模型應(yīng)力云圖

貼片膠厚度(μm)204080120應(yīng)力(MPa)5.335.795.565.05位移(μm)15306191

可以看出芯片中心點(diǎn)應(yīng)力會(huì)隨著貼片膠厚度的增加而減小(藍(lán)色逐漸變淡)。因此，進(jìn)行貼片工藝時(shí)，可以將貼片膠適當(dāng)涂厚。同時(shí)，為了避免芯片出現(xiàn)較大的位移，要控制點(diǎn)膠厚度。

2.2 貼片膠材料對(duì)芯片影響

不同貼片膠的楊氏模量對(duì)芯片應(yīng)力有不同影響。分別選取楊氏模量分別為1×103、3×103、5×103、7×103、9×103、10×103的貼片膠仿真，分析PIN二極管的應(yīng)力變化情況。根據(jù)仿真結(jié)果得出不同楊氏模量的貼片膠與芯片的應(yīng)力關(guān)系如圖3所示。

圖3 貼片膠楊氏模量與芯片應(yīng)力關(guān)系曲線

從圖3中可知，PIN二極管所受應(yīng)力會(huì)隨著貼片膠楊氏模量的增大而增大，并在7 MkPa時(shí)變化趨于平緩。

綜上可知，PIN二極管受到的應(yīng)力值與貼片膠的厚度呈負(fù)相關(guān)，與楊氏模量呈正相關(guān)。但是，貼片膠的厚度越大，對(duì)PIN二極管位移影響也越大。因此，在貼片工藝時(shí)，應(yīng)在滿足粘接要求的強(qiáng)度和工藝條件的前提下，綜合考慮封裝應(yīng)力、模態(tài)及PIN二極管等方面因素。

3 鍵合工藝

鍵合根據(jù)工藝特點(diǎn)分為超聲鍵合、熱壓鍵合和熱超聲鍵合。傳統(tǒng)的熱壓鍵合所需的溫度高(250 ℃～350 ℃)，高溫不僅容易損壞鍵合劈刀，更容易造成粘接失效和元器件與鍵合線降級(jí)[3]。因此采用操作溫度低、鍵合強(qiáng)度高、有利于器件可靠性的熱超聲鍵合，已經(jīng)成為引線鍵合的主流方式。金絲鍵合質(zhì)量的影響因素眾多，主要包括設(shè)備參數(shù)、鍵合界面材料和操作人員的能力。

通過(guò)眾多研究發(fā)現(xiàn)，在生產(chǎn)過(guò)程中，針對(duì)同一批次產(chǎn)品，影響楔形鍵合質(zhì)量較大的因素主要為設(shè)備參數(shù)，包括第一/第二鍵合點(diǎn)的超聲功率(W)及超聲時(shí)間(t)、機(jī)頭壓力(F)和鍵合溫度(T)等。但是，這些工藝參數(shù)之間相互耦合，存在著極其復(fù)雜的非線性關(guān)系，致使各工藝參數(shù)對(duì)鍵合質(zhì)量的影響難以用準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型表示。

在溫度不超過(guò)150 ℃前提下，通過(guò)調(diào)整鍵合壓力、鍵合溫度、超聲功率、超聲時(shí)間之間的關(guān)系，確保芯片不受損傷且保證有較大的鍵合強(qiáng)度以及較好的焊點(diǎn)形態(tài)。本文通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)超聲引線鍵合工藝進(jìn)行優(yōu)化，得出優(yōu)化工藝參數(shù)，揭示工藝參數(shù)與鍵合質(zhì)量之間的內(nèi)在聯(lián)系。測(cè)試結(jié)果如下表所示(機(jī)頭壓力F/gf，鍵合溫度T/℃，超聲功率W/w，超聲時(shí)間t/ms，拉力最大值MAX、最小值MIN、均值/g)。

表3 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出，鍵合參數(shù)的設(shè)置對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響比較顯著。當(dāng)鍵合壓力為16gf時(shí)，各參數(shù)配合下的鍵合強(qiáng)度平均值比較大；而當(dāng)鍵合壓力為18gf時(shí)，鍵合強(qiáng)度的均方根比較好，鍵合強(qiáng)度一致性比較好。

4 結(jié)論

在T/R開關(guān)封裝工藝中，貼片和金絲鍵合是兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。其質(zhì)量直接決定了器件功性能的可靠性、穩(wěn)定性甚至于整體的電性能。

1) 通過(guò)ANSYS仿真軟件對(duì)PIN二極管-貼片膠-LTCC基板的系統(tǒng)進(jìn)行分析，得出了在不同厚度貼片膠下，PIN二極管的應(yīng)力與位移分布情況，以及使用不同楊氏模量的貼片膠與應(yīng)力值之間的關(guān)系。根據(jù)分析的結(jié)果，可優(yōu)化封裝工藝中貼片的相關(guān)設(shè)計(jì)，節(jié)約成本的同時(shí)，提高T/R開關(guān)的可靠性。

2) 利用正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)的方法，分析了在熱聲焊楔焊的過(guò)程中，機(jī)頭壓力、鍵合溫度、超聲功率、超聲時(shí)間對(duì)鍵合拉力值的影響。得出了當(dāng)鍵合壓力分別為16gf和18gf時(shí)，鍵合強(qiáng)度表現(xiàn)出較好的均值和一致性。

[1] 刁玉劍，謝君堯.磁共振快速T/R開關(guān)驅(qū)動(dòng)器研制[J].波譜學(xué)雜志，2016(1)：37-43.

[2] 關(guān)榮峰，汪學(xué)方.MEMS封裝技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)工藝研究[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2005(1)：50-55.

[3] 何中偉.MCM_C實(shí)用先進(jìn)組裝封裝工藝制造技術(shù)研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2006.