不同材料基板引線鍵合參數研究

張 陽，張 瀟，王穎麟，李 俊

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024）

隨著微波集成電路事業的迅猛發展，小體積、高集成化已成為電子領域發展的必然趨勢。小體積必然會出現高集成，而高集成又通過多器件來實現，因此，在一個微波組件中會出現很多不同材料組成的器件，同時又需要通過引線鍵合來實現器件功能的互連，最終形成一個具有完整功能的微波組件。由此可見，引線鍵合在實現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，引線鍵合是關鍵工序之一，不僅起到互連作用，同時也是整個微波組件使用壽命長短的重要因素之一。據統計，70%以上的產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，沒有針對不同材料器件制定出匹配的設備參數，從而導致鍵合失效[1]。因此，在不同材料上進行引線鍵合前調試出匹配的鍵合參數，可以大大降低鍵合失效率，提高產品可靠性。

1 鍵合機的原理

本文驗證設備為RSH-101 熱聲焊鍵合（楔焊）機。引線鍵合是通過鍵合機來實現的。熱聲焊鍵合機主要由超聲發生器、焊接控制區、熱臺、手柄、引線軸和顯微鏡等部分組成，輔助材料為引線和劈刀。熱聲焊鍵合機整機見圖1。

圖1 RSH-101 熱聲焊鍵合（楔焊）機

熱聲焊鍵合機的工作原理主要是通過超聲釋放，再加上加熱臺、機頭壓力、鍵合機本身的功率（通過功率參數設置來把超聲器所釋放的總功率分解焊接）、時間調節等要素來實現。

2 設備參數對鍵合可靠性的影響

在日常的組裝工作中，鍵合為關鍵工序，關鍵工序是對最終產品的可靠性、所能實現的功能、使用壽命和質量起決定性作用的生產工序，同時也是生產精度要求最高、出現問題較多、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、提高鍵合強度、有利于器件可靠性等優點，影響金絲鍵合質量的因素眾多，主要包括設備參數、鍵合界面材料等。

在生產過程中，針對同一批次產品，影響楔形鍵合質量較大的因素主要為設備參數，包括第一/第二鍵合點的超聲功率P 和超聲時間t、機頭壓力F和鍵合溫度T 等。通過大量鍵合實驗及測試，發現鍵合壓力大會造成基板金層受損；鍵合功率太高會造成金絲頸斷或基板金層脫落；鍵合功率過小則會出現鍵合點脫落或虛焊等情況。

研究發現，在熱聲焊楔焊的過程中，機頭壓力、鍵合溫度、超聲功率、超聲時間對鍵合金絲拉力值具有較強的影響。

3 設備參數在不同材質基板上的應用

進行組裝工作時常會要求對不同材料的基板進行鍵合作業（見圖2）。不同基板之間的鍵合對參數的要求不盡相同。

圖2 鍵合示意圖

本文實驗過程中，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基板進行鍵合實驗，通過對兩種材料基板進行多組鍵合參數實驗并進行鍵合拉力測試，得出不同材料之間最佳的功率、時間、壓力等鍵合參數，對基板鍵合時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[2]。LTCC 基板采用了金屬導體厚膜印刷進行低溫共燒，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 印制板表層金上進行鍵合，分別對3 組參數（見表1） 進行實驗。

表1 羅杰斯5880 印制板鍵合參數

實驗過程：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 金絲進行鍵合，每組參數分別鍵合10 根金絲。

測試設備：DAGE SERIES 4000，使用WP100拉力測試盒進行金絲拉力測試。

測試方法：在顯微鏡下觀察，將鉤針彎曲處移動至金絲最高點時進行垂直向上的拉拽（見圖3）。

圖3 鍵合拉力測試示意圖

測試結果及分析：設置不同鍵合參數在羅杰斯5880 印制板表面進行金絲鍵合，并使用拉力剪切力設備測試后，得出表2 中的數據。

表2 羅杰斯5880 印制板鍵合拉力測試 （×10-3 N）

通過上表顯示數據及在顯微鏡下觀察3 組鍵合金絲狀態，第1 組金絲一致性差，在實際應用時存在虛焊風險；第3 組金絲焊點變形極嚴重（見圖4-a），金絲頸部脆弱，易斷裂；應用第2 組鍵合參數時，拉力最大且相近，一致性最好，焊點形態完整（見圖4-b）。經過拉力測試后，第一焊點均在金層上，無任何脫落或虛焊現象發生，可靠性高。所以第2 組設置的參數為適合羅杰斯5880 印制板的鍵合參數。

圖4 羅杰斯5800 印制板鍵合拉力測試結果

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 組的設備參數來進行鍵合實驗，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。

測試結果及分析：通過顯微鏡觀察金絲狀態（見第85 頁圖5） 和上述測試數據來看，鍵合效果較差，焊點變形嚴重，第一焊點與金絲連接處存在損傷，導致部分鍵合失效和虛焊，還出現部分基板金層損傷現象的發生，嚴重影響了鍵合的可靠性。經分析，可能由于鍵合參數值均設置較大，導致了上述結果的發生。因此需重新調整參數，提高鍵合可靠性。

圖5 表1 參數下LTCC 基板鍵合拉力測試結果

根據LTCC 基板特性，重新設置鍵合參數，超聲總功率為0.2 W，起點功率為80 W，斷點功率為65 W，起點時間為65 ms，斷點時間為50 ms，壓力為0.176 40 N，熱臺溫度為100 ℃，然后進行拉力測試，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。

此實驗中，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 金絲進行鍵合，鍵合10 根金絲。

測試結果及分析：通過顯微鏡觀察及拉力測試數據顯示，焊點及金絲狀態完好，外觀漂亮，無虛焊及基板金層損傷等情況發生（見圖6），拉力測試一致性高且波動范圍小，符合GJB 548B—2005 微電子器件試驗方法和程序的標準[3]。

圖6 新參數下LTCC 基板鍵合拉力測試結果

4 結論

本文通過設置不同鍵合機參數，進行了5 組實驗，得出以下結論。

1） 鍵合參數的設置在鍵合過程中起到關鍵性作用。

2） 在鍵合過程中，并不是鍵合參數值越大越牢固，數值過大可能會使金絲出現損傷。

3） 鍵合參數值過小可能會出現虛焊等情況的發生。

4） 鍵合前，要根據所鍵合基板材料的不同和特性進行參數的調整，一組參數并不適用于所有基板，它可能只適用于一種或幾種材質的鍵合。

5） 鍵合機參數的不同對不同材料基板引線鍵合的可靠性具有嚴重影響。