基于正交試驗(yàn)的微波多芯片組件金絲鍵合技術(shù)

張曉宇 王偉 姬峰 王子伊 郭中原

（北京遙感設(shè)備研究所 北京市 100854）

現(xiàn)代軍、民用電子裝備，尤其是各武器系統(tǒng)中的雷達(dá)和通訊系統(tǒng)，正在向著小型化、輕量化、高工作頻率、多功能、高可靠和低成本等方向發(fā)展，對(duì)組裝和互聯(lián)提出了越來(lái)越高的要求。隨著相控陣體制在各類雷達(dá)和通訊等電子整機(jī)中的廣泛應(yīng)用，需要研制生產(chǎn)大量的小型化、高密度、多功能微波組件。微波組件技術(shù)經(jīng)歷了從分立電路、到混合微波集成電路、到單片微波集成電路、到微波多芯片組件的發(fā)展過程。目前，小型化、高密度、三維結(jié)構(gòu)、多功能微波組件微組裝技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外的研究和應(yīng)用熱點(diǎn)之一。

圖1：各武器平臺(tái)的雷達(dá)與通訊系統(tǒng)

如圖2所示，微波多芯片組件是各類復(fù)雜軍/民用電子系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)微波信號(hào)的收發(fā)、變頻以及濾波等功能，具有技術(shù)指標(biāo)要求高、實(shí)現(xiàn)難度大、價(jià)格昂貴、對(duì)系統(tǒng)性能具有決定性影響等特征[1]。以相控陣?yán)走_(dá)為例，一部相控陣?yán)走_(dá)中包含成千上萬(wàn)個(gè)微波多芯片組件，微波多芯片組件成本占雷達(dá)成本的50%以上，雷達(dá)主要性能指標(biāo)通常取決于成千上萬(wàn)各微波組件的制造一致性，因此微波多芯片組件的制造工藝對(duì)系統(tǒng)性能的提升至關(guān)重要。

圖2：微波多芯片組件

微組裝技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電子裝備小型化、輕量化、高密度互聯(lián)結(jié)構(gòu)、寬工作帶寬、高工作頻率、高功率密度以及高可靠性等工作目標(biāo)的重要技術(shù)途徑，從組裝技術(shù)發(fā)展規(guī)律來(lái)看，組裝密度每提高10%，電路模塊的體積可減小30%、重量減小20%。微組裝技術(shù)對(duì)減小微波組件的體積和重量，滿足現(xiàn)代電子裝備武器小型化、輕量化、數(shù)字化、低功耗的要求具有重要意義，因此微組裝工藝技術(shù)在航天、航空，船舶等各平臺(tái)的電子裝備上得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。微組裝技術(shù)是綜合運(yùn)用高密度多層基板技術(shù)、多芯片組件技術(shù)、三維組裝和系統(tǒng)級(jí)組裝技術(shù)，將集成電路的裸芯片、薄/厚膜混合電路、微小型表貼元器件進(jìn)行高密度互聯(lián)，構(gòu)成三維立體結(jié)構(gòu)的高密度、多功能模塊化電子產(chǎn)品的一種先進(jìn)電氣互聯(lián)技術(shù)。在微波多芯片組件制造過程中，實(shí)現(xiàn)各芯片之間的電氣互聯(lián)是核心環(huán)節(jié)，電氣互聯(lián)的可靠性與一致性將對(duì)微波多芯片組件性能與可靠性產(chǎn)生直接影響，微組裝和主要工藝與核心環(huán)節(jié)如圖3所示。

圖3：微組裝工藝環(huán)節(jié)與核心工藝

目前，實(shí)現(xiàn)微波多芯片組件中各芯片之間電氣互聯(lián)的技術(shù)有金絲鍵合、倒裝焊與載帶自動(dòng)焊接三種。相比另外兩種技術(shù)，金絲鍵合實(shí)現(xiàn)成本較低、一致性好，被廣泛采用[2]，是微組裝中的核心工藝技術(shù)。金絲鍵合分為球形鍵合與楔形鍵合兩種，如圖4所示，球形鍵合是將鍵合引線垂直插入一種稱為毛細(xì)劈刀（俗稱空心劈刀）的工具中，引線在稱之為電子火焰（EFO）的電火花放電作用下，受熱后呈液態(tài)，當(dāng)引線材料固化時(shí)，由于熔融金屬的表面張力使引線形成一個(gè)球面形狀，因此稱該工藝為球形鍵合工藝，球形鍵合的鍵合點(diǎn)尺寸較大，同時(shí)鍵合金絲的跨距、拱弧均較高，可以實(shí)現(xiàn)任意方向上的鍵合。楔形鍵合是金絲穿過劈刀背面的背孔，通過劈刀傳熱、壓力以及超聲能量使金絲和焊盤金屬表面接觸并發(fā)生原子間擴(kuò)散，最終形成連接。楔形鍵合是一種單一方向的鍵合工藝，鍵合的第一點(diǎn)和第二點(diǎn)必須要一個(gè)方向上，由于微波多芯片組件工作頻段高，在高頻下要求傳輸方向的金絲具有引線連接距離短、連接拱弧低，并且在小焊盤上并聯(lián)鍵合多根金絲等特征，因此可以滿足電性能傳輸要求，被廣泛應(yīng)用于微波多芯片組件中實(shí)現(xiàn)芯片與芯片、芯片與基板的互聯(lián)，是微波多芯片組件電氣互聯(lián)的主要鍵合技術(shù)。隨著微波多芯片組件集成度不斷提高，需鍵合金絲數(shù)量成倍增長(zhǎng)，并且由于組件工作頻率不斷提高，對(duì)鍵合金絲的一致性要求越來(lái)越高[3]，并且隨著武器裝備的集成度的日益提高，微波多芯片組件中的金絲數(shù)量越來(lái)越大，以T/R 組件為例，單個(gè)T/R組件包含金絲數(shù)量在千根以上，單套相控陣?yán)走_(dá)的金絲數(shù)量達(dá)到數(shù)萬(wàn)根甚至數(shù)十萬(wàn)根，每個(gè)金絲在系統(tǒng)中均承擔(dān)著相應(yīng)的功能，若單根金絲出現(xiàn)斷裂或者脫鍵等故障，將對(duì)整個(gè)武器系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重影響，因此需要對(duì)金絲鍵合工藝進(jìn)行研究，提升金絲鍵合后的抗拉強(qiáng)度以及大批量金絲鍵合后的一致性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)武器系統(tǒng)性能與穩(wěn)定性的提高。

圖4：金絲球焊與金絲楔焊示意圖

1 金絲鍵合工藝影響因素

1.1 鍵合通用技術(shù)要求

金絲鍵合是指金絲在外界能量（熱能、超聲）和壓力作用下，使金屬表面產(chǎn)生塑性形變，然后通過機(jī)械振動(dòng)與外界摩擦使界面污染層被破壞，從而使金屬之間互相擴(kuò)散、填充。當(dāng)兩種金屬的原始界面處在幾乎接近到原子引力范圍時(shí)，兩種金屬原子產(chǎn)生相互擴(kuò)散，形成具有一定強(qiáng)度的滲透結(jié)合面，實(shí)現(xiàn)電路互聯(lián)。根據(jù)利用能量方式的不同，金絲鍵合可以分為熱壓（T/C）鍵合、超聲（U/S）鍵合和熱壓超聲（T/S）鍵合三種方法，見表1所示。熱壓超聲（T/S）金絲鍵合應(yīng)用最為普遍，為本項(xiàng)研究采用方式。

表1：金絲鍵合常用類型

金絲材料對(duì)金絲鍵合的影響主要體現(xiàn)在其純度、延展率和抗拉強(qiáng)度等參數(shù)上。一般鍵合金絲選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%的金絲，在工藝設(shè)計(jì)中主要考慮的是延展率和抗拉強(qiáng)度。延展率高，抗拉強(qiáng)度低，其硬度相對(duì)較小不容易脫鍵，但其抗坍塌能力較弱不適合用于長(zhǎng)跨距金絲鍵合以及高拱弧金絲鍵合中。延展率低，抗拉強(qiáng)度高，硬度相對(duì)較大，不適合軟材料表面的金絲鍵合，可以應(yīng)用于密集金絲、長(zhǎng)跨距金絲、高拱弧金絲的鍵合過程中。綜合考慮以上特性，本項(xiàng)研究主要采用延展率1%～2.5%的金絲，金絲質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.99%，金絲直徑為25μm。

鍵合劈刀主要影響鍵合的精度、一致性、鍵合強(qiáng)度以及扯線的難易程度。劈刀選型主要考慮孔徑、BL 參數(shù)值、前后沿半徑等指標(biāo)。孔徑過大，線在劈刀底部擺動(dòng)較大，不容易實(shí)現(xiàn)斜方向鍵合、小焊盤鍵合以及多絲并聯(lián)鍵合等對(duì)精度要求較高的鍵合應(yīng)用。BL 參數(shù)影響鍵合強(qiáng)度，尤其在長(zhǎng)線鍵合時(shí)BL 參數(shù)的影響較為明顯，較大的BL 有助于增加鍵合面積，從而提升鍵合強(qiáng)度。前后沿鍵合半徑主要影響扯線以及第一鍵合點(diǎn)根部強(qiáng)度，前沿半徑較大時(shí)，第二鍵合點(diǎn)扯線難度增大，而后沿半徑較小會(huì)對(duì)第一鍵合點(diǎn)根部造成損傷的風(fēng)險(xiǎn)較大，本項(xiàng)目選擇穿絲角度45°、雙點(diǎn)CG、BL 長(zhǎng)度51μm、前倒角半徑25μm、后倒角半徑13μm 的劈刀進(jìn)行金絲鍵合，鍵合劈刀形貌如圖5所示。

圖5：金絲鍵合劈刀形貌

基板及元器件鍵合區(qū)域的鍍層狀況對(duì)鍵合的影響也很大，表現(xiàn)為對(duì)可鍵合性、鍵合的穩(wěn)定性以及可靠性的影響。鍍層狀況包括鍍層厚度、鍍層顆粒細(xì)膩性和鍍層致密性。一般基板上較適合鍵合的鍍金層厚度≥2.5μm，芯片上較適合鍵合的鍍金層厚度≥1.5μm，銅層與鍍金層之間應(yīng)有≥1μm 厚的鍍鎳層。顆粒粗糙和不致密的鍍層容易殘留助焊劑等污染物，細(xì)膩致密的鍍層表面不利于殘留助焊劑等污染物，鍍層細(xì)膩致密有利于阻止基板焊接時(shí)鍍鎳層擴(kuò)散至鍍金層表面不對(duì)金-金的擴(kuò)散造成影響。故鍵合鍍金層應(yīng)顆粒應(yīng)細(xì)膩致密，更容易形成高可靠、高強(qiáng)度的鍵合，本項(xiàng)目采用的基板鍵合鍍金層厚度為2.5μm，芯片表面鍍金層厚度1.5μm。

1.2 鍵合樣品表面處理

從被鍵合對(duì)象看，影響鍵合質(zhì)量的因素是被鍵合樣品表面的清潔度與樣品表面處理工藝[4]。在產(chǎn)品的整個(gè)裝配過程中鍵合區(qū)域難免會(huì)受到污染，如果不能有效清潔鍵合面，會(huì)造成虛焊、脫焊、鍵合強(qiáng)度偏低和鍵合一致性差等問題，產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性無(wú)法保證，因此需要對(duì)樣品在鍵合前進(jìn)行表面處理工藝，實(shí)現(xiàn)高潔凈度的表面，滿足后續(xù)金絲鍵合要求。表面處理工藝主要有手動(dòng)刮擦與等離子清洗兩種方式，手動(dòng)刮擦是鍵合前采用刮刀刮去樣品表面被氧化污染的金層，使表面露出未被污染與氧化的“新鮮”金層；等離子清洗是利用等離子體來(lái)達(dá)到清洗的效果[5]。等離子體和固體、液體或氣體一樣，是物質(zhì)的一種狀態(tài)，也叫做物質(zhì)第四態(tài)。對(duì)氣體施加足夠的能量使之離化便成為等離子體的狀態(tài)。等離子體的“活性”組分包括：離子、電子、活性基團(tuán)、激發(fā)態(tài)的核素（亞穩(wěn)態(tài)）、光子等，等離子清洗的機(jī)理是通過激勵(lì)電壓（一般為低頻 40kHz、射頻 13.56MHz 或微波 2.45GHz），將通入腔體的氣體（一般為 H2、O2或Ar）激發(fā)為等離子態(tài)，等離子粒子吸附在物體表面，發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，物理反應(yīng)主要是以轟擊的形式使污染物脫離表面，從而被氣體帶走，通常使用 Ar 氣來(lái)進(jìn)行物理反應(yīng)；化學(xué)反應(yīng)是活性粒子與污染物發(fā)生反應(yīng)，生成易揮發(fā)物質(zhì)再被帶走，在實(shí)際使用過程中，使用 O2或者H2來(lái)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。兩種處理方法各有優(yōu)勢(shì)：刮擦法直接刮除表面氧化污染層，露出“新鮮”金層，但是刮擦后表面不同位置金層厚度與表面平整度存在明顯差異，并且刮擦容易損傷金屬膜層并產(chǎn)生金屬多余物；等離子清洗用高能粒子活化金層表面，達(dá)到去除樣品表面污染物的目的，等離子清洗作用方式溫和，不損傷金屬膜層且不會(huì)產(chǎn)生金屬多余物。本項(xiàng)目使用YES 公司的G1000 射頻等離子清洗設(shè)備（如圖6所示），對(duì)裝配完成待鍵合基板進(jìn)行等離子清洗，清洗效果見圖7所示。

圖6：國(guó)產(chǎn)化等離子清洗設(shè)備

圖7：等離子清洗后待鍵合樣品表面形貌對(duì)比

1.3 鍵合工藝參數(shù)

從設(shè)備角度分析，影響鍵合的工藝參數(shù)主要有鍵合壓力、超聲功率和鍵合時(shí)間[6]。過小的超聲功率無(wú)法提供足夠能量去除焊片表面的污染多余物，導(dǎo)致欠鍵合，導(dǎo)致鍵合點(diǎn)形變不足，拉力值偏??；過大的超聲功率導(dǎo)致鍵合點(diǎn)變形過度，甚至擊穿鍵合金屬層，導(dǎo)致鍵合點(diǎn)形變過量，甚至引線部分缺損，拉力值下降。鍵合強(qiáng)度與超聲功率的關(guān)系大致為開口向下的拋物線形式。同理，鍵合壓力和鍵合時(shí)間與功率有類似的原理。自動(dòng)鍵合的過程如下：首先劈刀下降到待鍵合表面并且通過壓力使金絲發(fā)生一定形變達(dá)到與鍵合表面緊密接觸的目的，之后同時(shí)施加一定時(shí)間的壓力與超聲功率使金屬表面發(fā)生塑性形變與金屬擴(kuò)散，將金絲與基片焊接在一起。在上述過程中，超聲功率使金絲與焊盤表面產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，為焊接提供能量，超聲功率過小則不能為焊接提供足夠的能量，而超聲功率過大則會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)過大而降低壓焊后強(qiáng)度；壓力的作用主要是使金絲產(chǎn)生塑性形變，確保金絲在焊接過程中與焊盤保持緊密接觸，壓力過小，金絲形變量不夠?qū)е鲁暪β什荒芡耆珎鬟f到焊接面，壓力過大則會(huì)降低金絲頸縮點(diǎn)的強(qiáng)度；鍵合時(shí)間主要是控制做功時(shí)間的長(zhǎng)短[7]，做功時(shí)間短則無(wú)法達(dá)到原子間的互相擴(kuò)散，導(dǎo)致無(wú)法形成有效的鍵合，而做功時(shí)間過長(zhǎng)則可能導(dǎo)致已經(jīng)形成的鍵合表面被破壞，進(jìn)而出現(xiàn)鍵合點(diǎn)可靠性降低等問題，因此需要通過試驗(yàn)確定最優(yōu)的金絲鍵合工藝參數(shù)。本項(xiàng)目使用HESSE 公司的BJ855 自動(dòng)金絲鍵合機(jī)（如圖8）進(jìn)行金絲鍵合試驗(yàn)。

圖8：自動(dòng)金絲鍵合機(jī)

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)前面的分析，影響自動(dòng)金絲鍵合質(zhì)量的因素有四個(gè)：超聲功率、鍵合壓力、鍵合時(shí)間、表面處理方式。為了得到最佳的鍵合工藝，將前面三種因素設(shè)置為三個(gè)水平，而表面處理方式設(shè)置為兩個(gè)水平，如表2所示。

表2：因素水平表

根據(jù)正交試驗(yàn)相關(guān)原理，四因素三水平正交試驗(yàn)應(yīng)采用L9（34）試驗(yàn)表，但本試驗(yàn)中由于要在其它三個(gè)因素相同時(shí)對(duì)比兩種表面處理方式對(duì)金絲鍵合質(zhì)量的影響，故將L9（34）擴(kuò)展為L(zhǎng)18（34）試驗(yàn)表，進(jìn)行9 組對(duì)比試驗(yàn)。

為保證試驗(yàn)狀態(tài)的一致性，采用陶瓷基片進(jìn)行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)均重復(fù)鍵合10 根金絲。在對(duì)比兩種表面處理方式的影響時(shí)，分析金絲的破壞性拉力均值與方差值；而對(duì)比設(shè)備工藝參數(shù)對(duì)鍵合質(zhì)量的影響時(shí)，為明確各因素影響的程度，采用極差、方差分析法進(jìn)行分析，得出最佳的工藝參數(shù)組合。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 表面處理方式分析

表3 列出了L18（34）試驗(yàn)表與相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從表中可以看出，試驗(yàn)組1、2、3、4、5、9 中經(jīng)過等離子清洗處理方式得到的金絲破壞拉力平均值明顯高于表面刮擦處理后的拉力均值，經(jīng)過等離子清洗處理得到的最高拉力均值為9.75g（試驗(yàn)組3），而采用刮擦法處理后的最高拉力均值為9.35g（試驗(yàn)組6）。9 組試驗(yàn)中經(jīng)過等離子清洗處理后的金絲破壞性拉力方差值均低于手動(dòng)刮擦處理后金絲的破壞性拉力方差值，這說明經(jīng)過等離子清洗處理后，金絲鍵合的一致性高，每根金絲之間的差異小。由于自動(dòng)鍵合設(shè)備對(duì)樣品表面的一致性要求高，而相比等離子清洗，手動(dòng)刮擦處理后的樣品表面粗糙度、金層薄厚等差異性較大，同時(shí)，由于刮擦處理過程中會(huì)產(chǎn)生金屑等多余物，需要在鍵合前進(jìn)行清理，不僅降低了生產(chǎn)效率，而且并不適用于自動(dòng)化生產(chǎn)線的產(chǎn)品流轉(zhuǎn)，因此，采用等離子清洗的表面處理方式更適用于自動(dòng)鍵合工藝中。

表3：L18（34）試驗(yàn)方案與結(jié)果

2.2.2 鍵合工藝參數(shù)影響

在分析鍵合工藝參數(shù)對(duì)鍵合質(zhì)量的影響時(shí)，選取經(jīng)過等離子清洗技術(shù)處理的9次試驗(yàn)作為樣本，組成L9（33）試驗(yàn)表，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)與結(jié)果重新列于表4 中。通過對(duì)比表中各水平條件下的極差數(shù)據(jù)可知：對(duì)自動(dòng)金絲鍵合質(zhì)量影響最大的工藝參數(shù)是超聲功率，其次是鍵合壓力，最后是鍵合時(shí)間。各因素不同水平條件下鍵合金絲拉力均值如圖9所示，從圖中可以得出，最佳的鍵合工藝參數(shù)為A3B1C1，即超聲功率為16，鍵合壓力為16g，鍵合時(shí)間為60ms。

圖9：各水平條件對(duì)拉力值的影響

表4：L9（33）試驗(yàn)表及試驗(yàn)結(jié)果

極差分析雖然可以評(píng)價(jià)各個(gè)因素對(duì)鍵合質(zhì)量影響的主次順序，但它并不能指出哪個(gè)因素是影響試驗(yàn)指標(biāo)的關(guān)鍵因素，也不能提供一個(gè)用于判斷各因素影響是否顯著的標(biāo)準(zhǔn)，因此需要采用正交試驗(yàn)的方差分析法對(duì)各因素的影響程度進(jìn)行判斷，得出顯著性對(duì)比。

表5 是采用方差分析計(jì)算得到的結(jié)果，通過將計(jì)算得到的F 值與F 臨界值進(jìn)行對(duì)比可知：F0.05（2，2）

表5：方差分析計(jì)算結(jié)果

通過極差與方差分析所得出的結(jié)論，選取最佳的試驗(yàn)參數(shù)組合A3B1C1，在經(jīng)過等離子清洗處理過的樣品表面連續(xù)鍵合十根金絲，其形貌如圖10所示，金絲拉力試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。經(jīng)過分析，鍵合拉力的平均值達(dá)到10g，滿足微波多芯片組件對(duì)金絲的高可靠互聯(lián)的要求。

圖10：改進(jìn)參數(shù)后的金絲鍵合外觀

圖11：改進(jìn)工藝參數(shù)后的拉力試驗(yàn)結(jié)果

按照上述試驗(yàn)確定的最優(yōu)工藝參數(shù)，對(duì)以T/R 組件為代表的微波多芯片組件進(jìn)行了自動(dòng)金絲鍵合，自動(dòng)金絲鍵合成功率≥99%，鍵合后金絲抗拉強(qiáng)度均在8g 以上，鍵合后金絲外觀見圖12所示。

圖12：微波多芯片組件內(nèi)鍵合金絲外觀

3 結(jié)論

微波多芯片組件的性能不斷提高，需要鍵合金絲的數(shù)量龐大，并且對(duì)鍵合金絲的可靠性、鍵合一致性要求高。本文從被鍵合樣品表面處理方法與鍵合工藝參數(shù)兩方面對(duì)鍵合工藝進(jìn)行了優(yōu)化，得出以下結(jié)論：

（1）通過正交試驗(yàn)對(duì)比傳統(tǒng)的表面刮擦法與等離子清洗技術(shù)兩種表面處理方法，通過對(duì)比兩種方式處理后樣品的破壞性鍵合拉力均值與方差值得出等離子清洗處理方式更適合于鍵合工藝中。

（2）影響鍵合工藝的參數(shù)有超聲功率、鍵合壓力與鍵合時(shí)間。通過極差與方差分析法得出對(duì)自動(dòng)金絲鍵合質(zhì)量影響最大的工藝參數(shù)是超聲功率，其次是鍵合壓力，最后是鍵合時(shí)間，超聲功率是影響鍵合質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

（3）確定了最佳的工藝參數(shù)水平組合為超聲功率為16，鍵合壓力為16g，鍵合時(shí)間為60ms，采用此工藝連續(xù)鍵合10 根金絲，所有金絲的破壞性拉力值均在10g 以上，滿足微波組件的高可靠金絲互聯(lián)要求。