不同材料基板引線鍵合參數(shù)研究

張 陽，張 瀟，王穎麟，李 俊

（中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024）

隨著微波集成電路事業(yè)的迅猛發(fā)展，小體積、高集成化已成為電子領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。小體積必然會(huì)出現(xiàn)高集成，而高集成又通過多器件來實(shí)現(xiàn)，因此，在一個(gè)微波組件中會(huì)出現(xiàn)很多不同材料組成的器件，同時(shí)又需要通過引線鍵合來實(shí)現(xiàn)器件功能的互連，最終形成一個(gè)具有完整功能的微波組件。由此可見，引線鍵合在實(shí)現(xiàn)器件功能互連中起到了決定性的作用。

在微波集成電路制作工藝中，引線鍵合是關(guān)鍵工序之一，不僅起到互連作用，同時(shí)也是整個(gè)微波組件使用壽命長短的重要因素之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，70%以上的產(chǎn)品失效源于鍵合失效，很大一部分原因是在引線鍵合過程中，沒有針對(duì)不同材料器件制定出匹配的設(shè)備參數(shù)，從而導(dǎo)致鍵合失效[1]。因此，在不同材料上進(jìn)行引線鍵合前調(diào)試出匹配的鍵合參數(shù)，可以大大降低鍵合失效率，提高產(chǎn)品可靠性。

1 鍵合機(jī)的原理

本文驗(yàn)證設(shè)備為RSH-101 熱聲焊鍵合（楔焊）機(jī)。引線鍵合是通過鍵合機(jī)來實(shí)現(xiàn)的。熱聲焊鍵合機(jī)主要由超聲發(fā)生器、焊接控制區(qū)、熱臺(tái)、手柄、引線軸和顯微鏡等部分組成，輔助材料為引線和劈刀。熱聲焊鍵合機(jī)整機(jī)見圖1。

圖1 RSH-101 熱聲焊鍵合（楔焊）機(jī)

熱聲焊鍵合機(jī)的工作原理主要是通過超聲釋放，再加上加熱臺(tái)、機(jī)頭壓力、鍵合機(jī)本身的功率（通過功率參數(shù)設(shè)置來把超聲器所釋放的總功率分解焊接）、時(shí)間調(diào)節(jié)等要素來實(shí)現(xiàn)。

2 設(shè)備參數(shù)對(duì)鍵合可靠性的影響

在日常的組裝工作中，鍵合為關(guān)鍵工序，關(guān)鍵工序是對(duì)最終產(chǎn)品的可靠性、所能實(shí)現(xiàn)的功能、使用壽命和質(zhì)量起決定性作用的生產(chǎn)工序，同時(shí)也是生產(chǎn)精度要求最高、出現(xiàn)問題較多、需投入更多精力把控的工序。

鍵合工序采用的是熱聲焊鍵合，具有可降低操作溫度、提高鍵合強(qiáng)度、有利于器件可靠性等優(yōu)點(diǎn)，影響金絲鍵合質(zhì)量的因素眾多，主要包括設(shè)備參數(shù)、鍵合界面材料等。

在生產(chǎn)過程中，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P 和超聲時(shí)間t、機(jī)頭壓力F和鍵合溫度T 等。通過大量鍵合實(shí)驗(yàn)及測試，發(fā)現(xiàn)鍵合壓力大會(huì)造成基板金層受損；鍵合功率太高會(huì)造成金絲頸斷或基板金層脫落；鍵合功率過小則會(huì)出現(xiàn)鍵合點(diǎn)脫落或虛焊等情況。

研究發(fā)現(xiàn)，在熱聲焊楔焊的過程中，機(jī)頭壓力、鍵合溫度、超聲功率、超聲時(shí)間對(duì)鍵合金絲拉力值具有較強(qiáng)的影響。

3 設(shè)備參數(shù)在不同材質(zhì)基板上的應(yīng)用

進(jìn)行組裝工作時(shí)常會(huì)要求對(duì)不同材料的基板進(jìn)行鍵合作業(yè)（見圖2）。不同基板之間的鍵合對(duì)參數(shù)的要求不盡相同。

圖2 鍵合示意圖

本文實(shí)驗(yàn)過程中，主要采用羅杰斯5880 印制板和低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC） 基板這兩種不同材質(zhì)基板進(jìn)行鍵合實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)兩種材料基板進(jìn)行多組鍵合參數(shù)實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行鍵合拉力測試，得出不同材料之間最佳的功率、時(shí)間、壓力等鍵合參數(shù)，對(duì)基板鍵合時(shí)的可靠性提升有較大幫助。

羅杰斯基板是印制板，具有表面平滑、致密、金層較薄等特點(diǎn)[2]。LTCC 基板采用了金屬導(dǎo)體厚膜印刷進(jìn)行低溫共燒，在陶瓷表面形成較厚的致密金層，表面特性受LTCC 工序影響較大。

在羅杰斯5880 印制板表層金上進(jìn)行鍵合，分別對(duì)3 組參數(shù)（見表1） 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

表1 羅杰斯5880 印制板鍵合參數(shù)

實(shí)驗(yàn)過程：使用清洗后的羅杰斯5880 印制板，采用全新DEWEYL 品牌中的MKNLVD-1/16-750-45-CG-2020-M-A8D 劈刀及Φ25 μm 金絲進(jìn)行鍵合，每組參數(shù)分別鍵合10 根金絲。

測試設(shè)備：DAGE SERIES 4000，使用WP100拉力測試盒進(jìn)行金絲拉力測試。

測試方法：在顯微鏡下觀察，將鉤針彎曲處移動(dòng)至金絲最高點(diǎn)時(shí)進(jìn)行垂直向上的拉拽（見圖3）。

圖3 鍵合拉力測試示意圖

測試結(jié)果及分析：設(shè)置不同鍵合參數(shù)在羅杰斯5880 印制板表面進(jìn)行金絲鍵合，并使用拉力剪切力設(shè)備測試后，得出表2 中的數(shù)據(jù)。

表2 羅杰斯5880 印制板鍵合拉力測試 （×10-3 N）

通過上表顯示數(shù)據(jù)及在顯微鏡下觀察3 組鍵合金絲狀態(tài)，第1 組金絲一致性差，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在虛焊風(fēng)險(xiǎn)；第3 組金絲焊點(diǎn)變形極嚴(yán)重（見圖4-a），金絲頸部脆弱，易斷裂；應(yīng)用第2 組鍵合參數(shù)時(shí)，拉力最大且相近，一致性最好，焊點(diǎn)形態(tài)完整（見圖4-b）。經(jīng)過拉力測試后，第一焊點(diǎn)均在金層上，無任何脫落或虛焊現(xiàn)象發(fā)生，可靠性高。所以第2 組設(shè)置的參數(shù)為適合羅杰斯5880 印制板的鍵合參數(shù)。

圖4 羅杰斯5800 印制板鍵合拉力測試結(jié)果

LTCC 基板采用厚膜印刷工藝制作，與羅杰斯5880 印制板有著不同的材料和制作工藝特性。

LTCC 基板上，使用表1 中第2 組的設(shè)備參數(shù)來進(jìn)行鍵合實(shí)驗(yàn)，可得拉力分別為0.059 78 N，0.049 98 N，0.058 80 N，0.077 42 N，0.071 54 N，失效，0.05390N，0.06664N，0.02352N，0.07056N，拉力平均值為0.053 214 N。

測試結(jié)果及分析：通過顯微鏡觀察金絲狀態(tài)（見第85 頁圖5） 和上述測試數(shù)據(jù)來看，鍵合效果較差，焊點(diǎn)變形嚴(yán)重，第一焊點(diǎn)與金絲連接處存在損傷，導(dǎo)致部分鍵合失效和虛焊，還出現(xiàn)部分基板金層損傷現(xiàn)象的發(fā)生，嚴(yán)重影響了鍵合的可靠性。經(jīng)分析，可能由于鍵合參數(shù)值均設(shè)置較大，導(dǎo)致了上述結(jié)果的發(fā)生。因此需重新調(diào)整參數(shù)，提高鍵合可靠性。

圖5 表1 參數(shù)下LTCC 基板鍵合拉力測試結(jié)果

根據(jù)LTCC 基板特性，重新設(shè)置鍵合參數(shù)，超聲總功率為0.2 W，起點(diǎn)功率為80 W，斷點(diǎn)功率為65 W，起點(diǎn)時(shí)間為65 ms，斷點(diǎn)時(shí)間為50 ms，壓力為0.176 40 N，熱臺(tái)溫度為100 ℃，然后進(jìn)行拉力測試，可得拉力分別為0.102 90 N，0.104 86 N，0.090 16 N，0.094 08 N，0.089 18 N，0.100 94 N，0.093 10 N，0.093 10 N，0.101 92 N，0.095 06 N，拉力平均值為0.096 530 N。

此實(shí)驗(yàn)中，使用清洗后的LTCC 基板，采用全新DEWEYL 品牌中的MKNLVD-1/16-750-45-CG-2020-M-A8D 劈刀及Φ25 μm 金絲進(jìn)行鍵合，鍵合10 根金絲。

測試結(jié)果及分析：通過顯微鏡觀察及拉力測試數(shù)據(jù)顯示，焊點(diǎn)及金絲狀態(tài)完好，外觀漂亮，無虛焊及基板金層損傷等情況發(fā)生（見圖6），拉力測試一致性高且波動(dòng)范圍小，符合GJB 548B—2005 微電子器件試驗(yàn)方法和程序的標(biāo)準(zhǔn)[3]。

圖6 新參數(shù)下LTCC 基板鍵合拉力測試結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過設(shè)置不同鍵合機(jī)參數(shù)，進(jìn)行了5 組實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

1） 鍵合參數(shù)的設(shè)置在鍵合過程中起到關(guān)鍵性作用。

2） 在鍵合過程中，并不是鍵合參數(shù)值越大越牢固，數(shù)值過大可能會(huì)使金絲出現(xiàn)損傷。

3） 鍵合參數(shù)值過小可能會(huì)出現(xiàn)虛焊等情況的發(fā)生。

4） 鍵合前，要根據(jù)所鍵合基板材料的不同和特性進(jìn)行參數(shù)的調(diào)整，一組參數(shù)并不適用于所有基板，它可能只適用于一種或幾種材質(zhì)的鍵合。

5） 鍵合機(jī)參數(shù)的不同對(duì)不同材料基板引線鍵合的可靠性具有嚴(yán)重影響。