微波印制板自動(dòng)金絲楔焊工藝優(yōu)化

張加波，王道暢，張忠波

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088）

1 引言

微波多芯片產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于航空、航天、軍事裝備以及工業(yè)領(lǐng)域，該類型產(chǎn)品使用的基板主要以LTCC等陶瓷基板為主，該類基板具有微波性能優(yōu)異、組裝密度高等優(yōu)點(diǎn)，但也存在成本高昂等缺點(diǎn)。隨著微波印制板材料和印制板制造工藝技術(shù)的不斷提高，復(fù)合微波印制板快速發(fā)展并得到廣泛應(yīng)用，用以替代微波陶瓷基板，其不僅具備良好的微波性能和布線密度，同時(shí)加工技術(shù)成熟、成本低廉，非常適于大批量、低成本的微波組件模塊生產(chǎn)。

金絲熱壓超聲鍵合主要有兩種形式：球焊和楔焊，其中球焊鍵合無方向性，鍵合速度快，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)中，但形成第一鍵合點(diǎn)較大，難以滿足細(xì)間距及低弧度要求，如以Φ25 μm金絲為例，鍵合焊點(diǎn)直徑約為 60～80 μm，高度約為 35～45 μm，要求焊盤尺寸不小于90 μm，線間距不低于100 μm，弧高不低于100 μm；而楔焊具有能達(dá)45 μm細(xì)間距的鍵合能力,焊點(diǎn)處引線直徑變形可低至20%～30%線徑，因沒有金球及形成金球產(chǎn)生的熱影響區(qū)，楔焊金絲弧度可低至50 μm，寄生效應(yīng)相對較小，非常適用于微波電路的射頻互連，但金絲楔焊具有方向性，楔焊速度慢，且對鍵合界面要求更高。微波多芯片模塊采用自動(dòng)金絲楔焊，可精確控制拱形，確?；ミB金絲拱形一致性和鍵合質(zhì)量，能顯著提高微波多芯片產(chǎn)品的性能[1-2]。

本文結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品，分析了復(fù)合微波印制板熱超聲楔焊的難點(diǎn)，主要有印制板硬度低、填充孔位置和印制板鍵合面高度一致性差等帶來的楔焊困難；另外產(chǎn)品射頻互連常要求兩根金絲鍵合，滿足中心線間距45 μm的細(xì)間距楔焊也有困難。本文擬通過工藝優(yōu)化、定制劈刀工具來滿足復(fù)合微波印制板細(xì)間距自動(dòng)金絲楔焊的要求。

2 自動(dòng)金絲楔焊工藝

2.1 金絲楔焊工藝

金絲熱超聲楔焊工藝是實(shí)現(xiàn)微電路傳輸互連的主要方式之一。楔焊時(shí)在壓力和超聲能作用下，金絲與焊盤接觸面產(chǎn)生微幅摩擦，露出新鮮金屬表面，金屬原子相互擴(kuò)散，產(chǎn)生彈性嵌合和不可逆塑性形變，界面處互擴(kuò)散金屬引起固溶強(qiáng)化效應(yīng)，使兩者產(chǎn)生連接強(qiáng)度[3-4]。加熱在楔焊鍵合過程中起到提高原子活性、增強(qiáng)原子擴(kuò)散能力、促進(jìn)鍵合的作用。

圖1 金絲熱超聲楔焊典型工藝過程

熱超聲金絲楔焊之所以廣泛應(yīng)用于微波多芯片產(chǎn)品射頻信號互連，有其獨(dú)特的優(yōu)勢：1）小焊點(diǎn)，楔焊點(diǎn)引線直徑變形可低至20%～30%線徑，滿足射頻焊盤并列鍵合2根金絲的要求，如圖2中所示，90μm×90μm焊盤并排楔焊2根直徑25 μm的金絲，其射頻傳輸性能優(yōu)于金帶互連[5]；2）無損芯片，金絲楔焊在加熱條件輔助下，施加的壓力精確可控，可有效防止極薄易裂的砷化鎵等裸芯片在楔焊過程中碎裂；3）高可靠性，同種金屬間擴(kuò)散，強(qiáng)度高且不存在異種金屬互連時(shí)擴(kuò)散導(dǎo)致的潛在可靠性風(fēng)險(xiǎn)；4）微波特性優(yōu)異，楔焊金絲可以實(shí)現(xiàn)更低的弧線高度，寄生阻抗低，微波信號傳輸損耗小。

圖2 90 μm×90 μm焊盤并排楔焊2根直徑25 μm金絲

2.2 復(fù)合微波印制板

復(fù)合微波印制板因材料特性和制造工藝特點(diǎn)，以及鍵合前組裝工序的影響，在熱超聲金絲楔焊時(shí)存在一些難點(diǎn)：1）復(fù)合微波印制板表面一般為duroid系列微波印制板，其特點(diǎn)是板材較柔軟，電鍍鎳金的覆銅箔下是有機(jī)介質(zhì)層，在金絲楔焊時(shí)微帶板材本身緩沖釋放了部分超聲能量，壓力太大又易使焊點(diǎn)下陷，導(dǎo)致金絲楔焊困難[6]；2）復(fù)合微波印制板層間互連一般通過鉆孔鍍銅實(shí)現(xiàn)，并填充樹脂，最終進(jìn)行表面鍍涂處理，該處禁止鍵合金絲，但由于加工精度的原因，填充孔位置一致性不足，填充孔位置偏移導(dǎo)致鍵合在填充孔位置而引起鍵合失敗；3）高度一致性差，復(fù)合微波印制板焊接后，同一組件鍵合面高度有較大差異，不同組件同一鍵合面高度也有較大差異，對自動(dòng)鍵合不利，易出現(xiàn)撞劈刀工具或探測不到鍵合面而無法鍵合的情況。

3 印制板自動(dòng)金絲楔焊工藝優(yōu)化

3.1 印制板自動(dòng)金絲楔焊

復(fù)合微波印制板用于多個(gè)型號產(chǎn)品中，自動(dòng)楔焊采用HESSE BJ820自動(dòng)楔焊機(jī)。針對上述復(fù)合微波印制板金絲楔焊中的難點(diǎn)進(jìn)行了自動(dòng)楔焊工藝優(yōu)化，包括分階段施加超聲和壓力，精細(xì)化編程將焊點(diǎn)位置避開印制板填充孔，以及統(tǒng)計(jì)篩選印制板高度處于統(tǒng)計(jì)中值附近的組件作為編程基準(zhǔn)，以降低鍵合面高度一致性差所帶來的影響。

復(fù)合微波印制板板材硬度低，材料本身緩沖了超聲能量，壓力太大又易使焊點(diǎn)下陷，所以會(huì)導(dǎo)致楔焊困難或虛焊[6]，試驗(yàn)通過優(yōu)化超聲施加方式，超聲能和壓力施加時(shí)分階段進(jìn)行，分兩階段甚至更多階段進(jìn)行施加，可以有效降低較軟板材緩沖超聲能能量帶來的影響，實(shí)現(xiàn)可靠楔焊。第一階段施加超聲和壓力，可以使金絲和焊盤緊密接觸，降低印制板硬度低的影響，并去除接觸界面間的雜質(zhì)，第二階段施加超聲和壓力主要為實(shí)現(xiàn)金絲和焊盤間金屬的相互擴(kuò)散，固溶強(qiáng)化形成連接強(qiáng)度，一般第一階段施加超聲和壓力為第二階段的 50%～60%，時(shí)間 3～6 ms。

圖3 超聲與壓力2階段施加示意圖

楔焊金絲需避開填充孔位置。印制板焊盤小并且加工存在一定誤差，導(dǎo)致焊盤位置存在一定偏差，部分編程鍵合點(diǎn)偏移到填充孔位置，因此需要精確定位鍵合點(diǎn)位置。通過對印制板進(jìn)行精細(xì)化分區(qū)，存在填充孔的鍵合焊盤區(qū)域單獨(dú)建立子參考系，以填充孔為該子參考系圖像識(shí)別基準(zhǔn)，準(zhǔn)確定位鍵合點(diǎn)位置，可有效避開填充孔位置，實(shí)際生產(chǎn)中再未出現(xiàn)鍵合點(diǎn)偏移到填充孔位置的情況。

同一塊印制板焊接后不同位置存在高度差，以及不同組件印制板焊接后也存在高度差。在實(shí)際生產(chǎn)中，隨機(jī)抽取20只組件進(jìn)行測高，統(tǒng)計(jì)各參考系測高值，選擇測高值最靠近統(tǒng)計(jì)中值的組件作為基準(zhǔn)（h3），如圖4所示，盡可能覆蓋不同高度的組件。同時(shí)在鍵合搜尋階段，擴(kuò)大搜尋（h2～h3）和過搜尋（h3～h4）的范圍，進(jìn)一步降低高度差的影響。通過優(yōu)選基準(zhǔn)組件和增大鍵合搜尋范圍，可以大幅度降低因印制板高度相差較大導(dǎo)致的設(shè)備報(bào)錯(cuò)停機(jī)次數(shù)，雖然單個(gè)鍵合周期時(shí)間延長，但設(shè)備停機(jī)次數(shù)大大減少，整體生產(chǎn)效率提高。

3.2 高精度楔焊

在自動(dòng)金絲楔焊過程中，除上述復(fù)合微波印制板本身和印制板焊接所致的難點(diǎn)外，組件產(chǎn)品中大量芯片焊盤需要射頻互連，均采用直徑Φ25.4 μm的金絲，多數(shù)焊盤實(shí)際尺寸僅為90 μm×90 μm，由于自動(dòng)鍵合設(shè)備連續(xù)生產(chǎn)不適于復(fù)合鍵合，因此必須進(jìn)行細(xì)間距的高精度楔焊鍵合。

圖4 劈刀搜尋高度示意圖

實(shí)際鍵合過程中，焊點(diǎn)寬度約為1.3倍引線直徑，即33 μm，為實(shí)現(xiàn)寬度90 μm焊盤并排鍵合2根金絲，設(shè)備在定位精度滿足的前提下，鍵合劈刀尖端寬度必須足夠小，使得2根金絲鍵合時(shí)第二根金絲鍵合對已完成的第一根金絲焊點(diǎn)無損傷。設(shè)備適用的Deweyl標(biāo)準(zhǔn)劈刀尖端最小值為64 μm，即圖5中W=64 μm，必然會(huì)導(dǎo)致自動(dòng)鍵合時(shí)2根金絲相互干擾，為此進(jìn)行了楔焊劈刀定制，將劈刀尖端形狀和尺寸重新設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)細(xì)間距楔焊，如圖6所示為定制劈刀尖端實(shí)物圖片，劈刀尖端寬度定制為50 μm，定制部分高度為200 μm。但相較于標(biāo)準(zhǔn)型號劈刀，定制劈刀損耗較快。

圖5 定制楔焊劈刀結(jié)構(gòu)示意圖

圖6 定制楔焊劈刀尖端

在批量應(yīng)用復(fù)合微波印制板的某八通道微波組件的實(shí)際自動(dòng)金絲楔焊生產(chǎn)中，使用該定制劈刀，在90 μm×90 μm大小的焊盤上鍵合2根金絲，定位鍵合點(diǎn)中心間距不低于45 μm時(shí)，第二根絲未對第一根絲產(chǎn)生損傷或弧形擠壓變形，可以實(shí)現(xiàn)中心距不低于45 μm的高精度楔焊鍵合，如圖7所示。

圖7 高精度楔焊互連金絲

采用分階段施加壓力和超聲，在印制板上可實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)楔焊，鍵合焊點(diǎn)正常；隨機(jī)選擇的20塊完成焊接的印制板，經(jīng)接觸測高，同一位置最大高度差達(dá)0.6 mm（Δh3），通過選擇統(tǒng)計(jì)中值附近的印制板作為編程基準(zhǔn)，可將搜尋高度降至0.2 mm，實(shí)際生產(chǎn)中極少出現(xiàn)因印制板太高撞劈刀或因印制板太低無法鍵合的故障。

3.3 鍵合強(qiáng)度測試

對芯片焊盤到復(fù)合微波印制板之間的自動(dòng)楔焊金絲進(jìn)行破壞性拉力測試，均大于6 g，均值7.090 g，方差0.478；封蓋后經(jīng)溫度沖擊（GJB 360-2009方法107條件B：-65～125℃，循環(huán)25次）和隨機(jī)振動(dòng)（GJB 360-2009方法214條件I-E，15 m in），拆蓋后目檢未發(fā)現(xiàn)金絲倒伏及變形等異常，破壞性拉力測試結(jié)果正常，均大于6 gf，均值6.874 gf，方差0.499，篩選前后測試結(jié)果相差可以忽略，拉力強(qiáng)度正常，斷裂位置均為焊點(diǎn)踵部。

4 應(yīng)用實(shí)例

運(yùn)用上述自動(dòng)金絲楔焊改善方法，進(jìn)行了10個(gè)小批次約400件某八通道組件的生產(chǎn)，該組件采用鋁合金殼體激光焊氣密封裝，應(yīng)用于地面環(huán)境，根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范要求經(jīng)C組檢驗(yàn)后，未發(fā)生因金絲失效導(dǎo)致的故障，開蓋后內(nèi)部目檢也沒有發(fā)現(xiàn)金絲異常。多批次組件微波測試結(jié)果顯示，相較于研制階段的手動(dòng)楔焊生產(chǎn)的組件，其輸入輸出端駐波較小，幅相一致性更好，整體微波特性得到提高。

表1 拉力測試結(jié)果

5 結(jié)束語

針對復(fù)合微波印制板硬度低、填充孔位置和印制板鍵合面高度一致性差的問題，采取2段施加壓力和超聲、以填充孔為圖像識(shí)別基準(zhǔn)建立精細(xì)化子參考系，使鍵合位置避開填充孔、印制板高度中值作為基準(zhǔn)定制楔焊劈刀工具的方法，實(shí)現(xiàn)了中心線間距不低于45 μm的高精度鍵合，并應(yīng)用到產(chǎn)品生產(chǎn)中，取得了一定的成效。本文主要對復(fù)合微波印制板自動(dòng)金絲楔焊進(jìn)行了上述優(yōu)化改善，針對楔焊要求，印制板鍵合面的質(zhì)量檢驗(yàn)評價(jià)方法有待進(jìn)一步探索。