微波毫米波T/R組件內(nèi)鍵合引線熔斷機(jī)理研究*

王越飛，顧春燕，張兆華

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇南京210039）

引 言

在微波毫米波多通道收發(fā)組件中，大量采用引線鍵合技術(shù)實現(xiàn)組件電學(xué)性能。鍵合引線承擔(dān)了內(nèi)部射頻信號傳輸、大電流傳輸?shù)戎匾蝿?wù)[1-2]，其可靠性將直接影響組件的電學(xué)性能，并決定了雷達(dá)裝備的服役壽命。

影響鍵合引線可靠性的因素很多，如鍵合工藝參數(shù)[3]、焊盤潔凈度[4]、外部力學(xué)環(huán)境因素[5]等。這些因素中，鍵合引線的耐電流水平至關(guān)重要，過電流如果超出引線耐受能力，將導(dǎo)致引線熔斷、信號丟失，最終導(dǎo)致組件失效。因此，在組件設(shè)計之初，便要充分考慮鏈路的耐電流水平，如增加鍵合引線根數(shù)進(jìn)行冗余設(shè)計、使用大直徑粗引線以提高單根引線耐電流能力等。然而，現(xiàn)有能夠為設(shè)計提供耐電流水平參考的數(shù)據(jù)主要來自引線生產(chǎn)廠家，通常局限于某一特定弧長引線的耐電流水平，不能夠覆蓋組件內(nèi)部的各種引線長度需求。并且，目前的文獻(xiàn)大都針對集成電路芯片內(nèi)部金屬互聯(lián)線的遷移失效[6-7]以及互聯(lián)凸點的遷移失效[8]開展機(jī)理研究，對引線熔斷機(jī)理的分析未見報道。

因此，本文將結(jié)合雷達(dá)微波組件的實際鍵合需求，開展鍵合引線耐電流水平研究，并深入分析引線熔斷機(jī)理，探討引線熔斷的微觀過程，為電訊設(shè)計提供數(shù)據(jù)和理論參考。

1 試驗方案

選取某型微波T/R組件產(chǎn)品，在組件矩形連接器與低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC）基板之間通過楔形鍵合工藝完成引線。選用金帶（152.4 μm（寬度）×12.7 μm（厚度）規(guī)格）/金絲（25.4 μm 直徑規(guī)格）作為研究對象，純度均為99.99%，延展率為1%～2.4%，鍵合設(shè)備為Westbond 7476E。通過鍵合設(shè)備送絲參數(shù)控制金帶/金絲弧長，在矩形連接器插針和LTCC焊盤之間鍵合金帶/金絲，對電源、電流表、負(fù)載以及組件組成的回路實現(xiàn)連通。通過調(diào)節(jié)電源電流水平測試不同弧長金帶/金絲的耐電流能力，并分析熔斷過程，開展熔斷機(jī)理研究。熔斷電流測試電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 熔斷電流測試電路結(jié)構(gòu)

2 試驗結(jié)果

在光學(xué)顯微鏡下實時觀察大電流瞬間金帶的熔斷過程發(fā)現(xiàn)，隨著所施加的電流不斷趨近熔斷電流，金帶中間部位逐漸變紅，表明此處溫度逐漸升高，到達(dá)熔斷電流值時，溫度最高部位立刻熔斷。金帶中間位置斷裂后呈球狀，如圖2所示。測量不同長度金帶/金絲的熔斷電流水平，數(shù)據(jù)見表1。

圖2 金帶熔斷后的光學(xué)顯微鏡照片

表1 熔斷電流數(shù)據(jù)

金帶/金絲熔斷電流與弧長關(guān)系曲線如圖3所示。由圖可見，隨著弧長的增加，金帶/金絲熔斷電流水平逐漸降低，降低幅度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。金帶長度為2.5 mm典型值時，熔斷電流約為3.2 A，金絲長度為1.5 mm典型值時，熔斷電流約為1.6 A。

圖3 金帶/金絲熔斷電流與弧長關(guān)系曲線

進(jìn)一步觀察引線在低于熔斷電流的恒定電流下，表面狀態(tài)隨時間的變化情況。圖4為金帶在1.5 A恒定電流下經(jīng)歷6個時刻（0～290 h）的光學(xué)顯微鏡照片，金帶尺寸為152.4 μm（寬度）×12.7 μm（厚度），金帶弧長為4.0 mm。隨著時間的推移，金帶中間部位逐漸變得粗糙、凹凸不平，顆粒狀逐漸明顯，并逐漸變細(xì)，最終在約290 h時金帶熔斷。

圖4 恒定電流下金帶表面形貌隨時間的演變

3 機(jī)理分析

前人通過對集成電路芯片內(nèi)部金屬互聯(lián)線遷移失效[6-7]以及互聯(lián)凸點遷移失效[8]的機(jī)理分析，認(rèn)為金屬互聯(lián)線在施加大電流時，內(nèi)部將產(chǎn)生很高的電子流定向移動，在運動的過程中，電子的動能不斷傳遞給附近的金屬原子，導(dǎo)致金屬原子沿著電子流移動的方向產(chǎn)生定向遷移，即原子的電遷移現(xiàn)象。電遷移現(xiàn)象通常表現(xiàn)為原子向同一方向移動，造成相反方向的原子數(shù)越來越少，而相同方向的原子則不斷堆積。在倒裝凸點焊接界面[9-10]處，該現(xiàn)象尤為明顯，因界面處通常存在界面電阻帶來的電子流堆積，造成電子流密度急劇上升，從而加快該部位的電遷移。

然而，本文金帶熔斷的位置均處于金帶中部，界面電阻效應(yīng)影響微弱，表現(xiàn)為金原子向兩邊遷移造成金帶斷裂，與電遷移導(dǎo)致的斷裂現(xiàn)象完全不同。與此同時，中部位置的金帶熱量散發(fā)途徑主要通過兩端金帶傳導(dǎo)進(jìn)入基板焊盤，因而此處在施加大電流時產(chǎn)生的溫度最高，溫度梯度從金帶中部向金帶兩端至基板焊盤逐漸降低。溫度較高部位的金原子擁有較高的動能和界面反應(yīng)能[11]，驅(qū)動金原子沿著溫度梯度降低的方向遷移，從而產(chǎn)生原子的定向質(zhì)量遷移，表現(xiàn)為金帶中部的原子向兩邊擴(kuò)散，在溫度達(dá)到極值時，擴(kuò)散劇烈發(fā)生，最終造成金帶從中間斷開。

進(jìn)一步分析導(dǎo)致金原子熱遷移的機(jī)理發(fā)現(xiàn)，在金帶溫度升高的過程中，由于金的化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，不會與外界氣氛發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，除了從金帶兩端至鍵合焊盤向外傳導(dǎo)熱量外，還可以通過外界氣氛熱傳導(dǎo)和熱輻射兩種途徑向外界傳遞熱量。熱輻射能夠傳遞的熱量微乎其微，外界氣氛（如空氣或氮氣等）的熱傳導(dǎo)能力遠(yuǎn)低于兩端金帶和鍵合焊盤，所傳遞的熱量只占很小一部分，因此散熱的主要途徑仍然是兩端金帶和鍵合焊盤。

本文進(jìn)一步研究了外界氣氛環(huán)境對金帶熔斷過程的影響，設(shè)計試驗如下：

1）在組件殼體矩形插座位置鍵合若干金帶，金帶尺寸為152.4 μm（寬度）×12.7 μm（厚度）。設(shè)定約4.0 mm和2.5 mm兩種弧長規(guī)格的金帶，通過調(diào)節(jié)電源電流水平測試金帶耐電流能力。

2）首先在大氣氣氛中，通過恒定電流源分別向兩種規(guī)格金帶施加電流，測得金帶的熔斷電流。

3）在真空腔室內(nèi)進(jìn)行同樣的加電試驗，真空腔室的真空度約為1×10-5Pa。

4）金帶熔斷后將其拔去并重新鍵合，再次進(jìn)行試驗，多次測量求平均值。

試驗結(jié)果如圖5所示。鍵合金帶長度存在一定的漲落，對熔斷電流有一定影響，圖中畫出了電流水平分布。分析可知：1）同樣的氣氛條件下，短金帶的熔斷電流明顯高于長金帶，該結(jié)論與圖3結(jié)果一致；2）無論是長金帶還是短金帶，大氣氣氛下的熔斷電流均略微高于真空氣氛條件下。

圖5 金帶熔斷電流水平與外界氣氛關(guān)系

以上兩點現(xiàn)象表明：1）長金帶中間區(qū)域離兩端鍵合焊盤較遠(yuǎn)，熱傳導(dǎo)效率較低，金帶中間部位溫度上升較快，因而熔斷電流減小。2）真空氣氛下通過外界氣氛進(jìn)行熱傳導(dǎo)的途徑被關(guān)閉，熱傳導(dǎo)能力有一定程度的降低，因而造成同樣規(guī)格金帶的熔斷電流略微減小。航天產(chǎn)品需特別注意此問題，因在外太空環(huán)境中，當(dāng)組件內(nèi)部預(yù)充氣氛逐漸泄露至真空時，內(nèi)部引線的過電流能力降低，鍵合引線的使用壽命降低。

經(jīng)過以上分析，可以認(rèn)為在加電過程中，金帶中間部位的焦耳熱量不斷累積，造成金原子向兩端遷移，金帶熔斷是焦耳熱造成的原子熱遷移現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

本文研究了在雷達(dá)微波組件中廣泛應(yīng)用的鍵合引線的熔斷機(jī)理，設(shè)計了專用測試回路考察不同弧長引線的熔斷電流，并深入分析了引線熔斷的微觀過程。

鍵合引線熔斷電流水平與引線長度有關(guān)，隨著弧長的增加，電流水平逐漸降低，并且降低幅度逐漸減小，趨于穩(wěn)定。鍵合引線熔斷電流水平與外部氣氛有關(guān)，大氣氣氛下的熔斷電流略微高于真空氣氛條件下，為航天產(chǎn)品的設(shè)計提供重要依據(jù)。鍵合引線的熔斷過程是焦耳熱引起的原子熱遷移現(xiàn)象。

后續(xù)將深入研究鍵合引線熔斷機(jī)理，建立熔斷加速壽命模型，考察引線在恒定電流下的特征壽命，為設(shè)計提供更加豐富的數(shù)據(jù)參考。