提高引線鍵合的可靠性研究

吳毓穎

摘 要：本文詳細介紹了引線鍵合的方式，以及各類鍵合方式的質量控制點，通過拉力破壞試驗對現有鍵合能力進行評估。隨著微波產品的工作頻率越來越高，引線鍵合的穩定性問題也愈發突出，針對這些情況，通過正交試驗，得出了基板化學鍍的工藝參數，減少基板表面金層對引線鍵合強度的影響，提高引線鍵合強度。

關鍵詞：引線鍵合；可靠性；正交試驗

中圖分類號：TN405.96 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）04-0068-02

1 概述

目前有源相控陣雷達是當今世界上雷達研制和發展的主流。在有源相控陣雷達中，高性能、高可靠、低成本的收發組件是重要的技術關鍵，圖1為相控陣雷達T/R組件。

這些微波組件在復雜苛刻的環境中，要保持穩定的性能與良好的狀態，電氣性能的可靠性是重中之重。微互連技術是為了實現芯片與基板電極之間電氣連接，是微組裝過程中非常重要的環節。只有電路的完好連接，才能實現整個組件的電性能。

2 引線鍵合強度

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現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。

引線是芯片內部電路與外部電路實現電、熱連接的通道，鍵合點不斷承裁著電和熱的沖擊。引線鍵合的質量用鍵合強度的大小來衡量，鍵合強度越大，說明鍵合質量越好，可靠性越高。而影響引線鍵合強度的因素有很多，比如基板表面金層的潔凈度，基板表面再金屬層的厚度、引線鍵合機的工藝參數設置等。

在微組裝的過程中，我們對引線鍵合強度設置了質量控制點，利用拉力測試儀對微波組件的引線進行破壞性拉力測試，以檢測引線鍵合強度，并記錄下數據。

隨機抽取某微波組件各進行30組破壞性拉力試驗得到鍵合強度數據，測試數據見表1。試驗鍵合強度在3.2～11克之間，主要集中在4～7克之間，有極少數鍵合強度達到10克以上，標準偏差為1.67，平均鍵合強度在6.16克。由此可見，引線鍵合強度滿足國軍標GJB548A-96（《微電子器件試驗方法和程序》）方法2011《鍵合強度（破壞性鍵合拉力試驗）》中最低3克的技術指標。但鍵合強度的大小標準偏差較大，穩定性還不夠。

3 可靠性試驗

隨著微波組件的制作工藝和材料的不斷進步，射頻功率輸出能力和效率也在不斷提高，工作頻率已擴展到毫米波波段。因此對引線鍵合的強度要求也越來越高。在進行引線鍵合時，我們發現基板的表面金層狀況有所不同，鍵合強度的大小也會有所變化。我們必須根據基板的表面金層狀況調節楔焊機的工藝參數，以滿足3克的技術指標。有時在基板表面金層不是很理想的情況下，我們要花更多的時間來調試楔焊機，降低了生產效率。在調試楔焊機的過程中，往往是根據經驗來設置并調試工藝參數，缺少具體的科學的調試方法，在大批量的微波組件生產中將影響生產進度和組件電性能的可靠性。

技術改進的主要目的是穩定基板化學鍍工藝，降低基板表面金層對引線鍵合強度的影響。通過工藝試驗摸索基板再金屬層厚度與時間、鍍液濃度等因素之間的關系，進一步控制和穩定基板化學鍍工藝。提高引線鍵合的穩定性和可靠性。運用更加科學的試驗方法來優化楔焊機的各項工藝參數，提高引線鍵合強度。技術改進的主要用途有加快微波組件的生產和返修進度，降低生產成本。并且也可以為半自動引線鍵合提供材料依據和實踐經驗。

由于化學鍍液的濃度在新配比時是比較明確的，在進行化學鍍后，其濃度將有所變化，對鍍層效果有所影響，導致了基板表面的金層色澤有差異，影響了引線鍵合強度。在鍍液容積、濃度確定的情況下，我們將做一些對比性試驗，觀察溶液濃度，化學鍍時間和基板再金屬層厚度之間的關系。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。

對引線鍵合強度有影響的工藝參數主要有超聲功率、壓力、超聲時間、加熱溫度等。運用正交試驗設計，優化楔焊機的工藝參數，提高引線鍵合的可靠性和穩定性。正交試驗設計法是研究與處理多因素實驗的一種科學方法。利用規格化的表格—正交表Ln（j i），科學地挑選試驗條件，合理安排實驗。

其中：

L—正交表的符號；

n—正交表的行數（試驗次數，試驗方案數）；

j—正交表中的數碼（因素的位級數） ；

i—正交表的 列數（試驗因素的個數） ；

N=ji—全部試驗次數（完全因素位級組合數）。

因子代表影響引線鍵合的因素，水平表示因子所設定的值，假設超聲功率、壓力、超聲時間設計數據，再根據正交表來進行試驗的設計。將根據正交表的實驗順序進行多組試驗，見表2。并將數據進行對比，從而找到最佳的工藝參數設定值，優化后的引線鍵合工藝流程見圖2。

4 結語

通過引線鍵合試驗，找到基板表面金層厚度與引線鍵合強度之間的關系，通過正交試驗設計合理設置引線鍵合的工藝參數，進行金絲鍵合試驗并做破壞性拉力試驗，引線鍵合強度平均值有進一步提高，標準方差有所減小，可改善引線鍵合可靠性。