不同材料基板引线键合参数研究

张 阳，张 潇，王颖麟，李 俊

（中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024）

随着微波集成电路事业的迅猛发展，小体积、高集成化已成为电子领域发展的必然趋势。小体积必然会出现高集成，而高集成又通过多器件来实现，因此，在一个微波组件中会出现很多不同材料组成的器件，同时又需要通过引线键合来实现器件功能的互连，最终形成一个具有完整功能的微波组件。由此可见，引线键合在实现器件功能互连中起到了决定性的作用。

在微波集成电路制作工艺中，引线键合是关键工序之一，不仅起到互连作用，同时也是整个微波组件使用寿命长短的重要因素之一。据统计，70%以上的产品失效源于键合失效，很大一部分原因是在引线键合过程中，没有针对不同材料器件制定出匹配的设备参数，从而导致键合失效[1]。因此，在不同材料上进行引线键合前调试出匹配的键合参数，可以大大降低键合失效率，提高产品可靠性。

1 键合机的原理

本文验证设备为RSH-101 热声焊键合（楔焊）机。引线键合是通过键合机来实现的。热声焊键合机主要由超声发生器、焊接控制区、热台、手柄、引线轴和显微镜等部分组成，辅助材料为引线和劈刀。热声焊键合机整机见图1。

图1 RSH-101 热声焊键合（楔焊）机

热声焊键合机的工作原理主要是通过超声释放，再加上加热台、机头压力、键合机本身的功率（通过功率参数设置来把超声器所释放的总功率分解焊接）、时间调节等要素来实现。

2 设备参数对键合可靠性的影响

在日常的组装工作中，键合为关键工序，关键工序是对最终产品的可靠性、所能实现的功能、使用寿命和质量起决定性作用的生产工序，同时也是生产精度要求最高、出现问题较多、需投入更多精力把控的工序。

键合工序采用的是热声焊键合，具有可降低操作温度、提高键合强度、有利于器件可靠性等优点，影响金丝键合质量的因素众多，主要包括设备参数、键合界面材料等。

在生产过程中，针对同一批次产品，影响楔形键合质量较大的因素主要为设备参数，包括第一/第二键合点的超声功率P 和超声时间t、机头压力F和键合温度T 等。通过大量键合实验及测试，发现键合压力大会造成基板金层受损；键合功率太高会造成金丝颈断或基板金层脱落；键合功率过小则会出现键合点脱落或虚焊等情况。

研究发现，在热声焊楔焊的过程中，机头压力、键合温度、超声功率、超声时间对键合金丝拉力值具有较强的影响。

3 设备参数在不同材质基板上的应用

进行组装工作时常会要求对不同材料的基板进行键合作业（见图2）。不同基板之间的键合对参数的要求不尽相同。

图2 键合示意图

本文实验过程中，主要采用罗杰斯5880 印制板和低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC） 基板这两种不同材质基板进行键合实验，通过对两种材料基板进行多组键合参数实验并进行键合拉力测试，得出不同材料之间最佳的功率、时间、压力等键合参数，对基板键合时的可靠性提升有较大帮助。

罗杰斯基板是印制板，具有表面平滑、致密、金层较薄等特点[2]。LTCC 基板采用了金属导体厚膜印刷进行低温共烧，在陶瓷表面形成较厚的致密金层，表面特性受LTCC 工序影响较大。

在罗杰斯5880 印制板表层金上进行键合，分别对3 组参数（见表1） 进行实验。

表1 罗杰斯5880 印制板键合参数

实验过程：使用清洗后的罗杰斯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 金丝进行键合，每组参数分别键合10 根金丝。

测试设备：DAGE SERIES 4000，使用WP100拉力测试盒进行金丝拉力测试。

测试方法：在显微镜下观察，将钩针弯曲处移动至金丝最高点时进行垂直向上的拉拽（见图3）。

图3 键合拉力测试示意图

测试结果及分析：设置不同键合参数在罗杰斯5880 印制板表面进行金丝键合，并使用拉力剪切力设备测试后，得出表2 中的数据。

表2 罗杰斯5880 印制板键合拉力测试 （×10-3 N）

通过上表显示数据及在显微镜下观察3 组键合金丝状态，第1 组金丝一致性差，在实际应用时存在虚焊风险；第3 组金丝焊点变形极严重（见图4-a），金丝颈部脆弱，易断裂；应用第2 组键合参数时，拉力最大且相近，一致性最好，焊点形态完整（见图4-b）。经过拉力测试后，第一焊点均在金层上，无任何脱落或虚焊现象发生，可靠性高。所以第2 组设置的参数为适合罗杰斯5880 印制板的键合参数。

图4 罗杰斯5800 印制板键合拉力测试结果

LTCC 基板采用厚膜印刷工艺制作，与罗杰斯5880 印制板有着不同的材料和制作工艺特性。

LTCC 基板上，使用表1 中第2 组的设备参数来进行键合实验，可得拉力分别为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，拉力平均值为0.053 214 N。

测试结果及分析：通过显微镜观察金丝状态（见第85 页图5） 和上述测试数据来看，键合效果较差，焊点变形严重，第一焊点与金丝连接处存在损伤，导致部分键合失效和虚焊，还出现部分基板金层损伤现象的发生，严重影响了键合的可靠性。经分析，可能由于键合参数值均设置较大，导致了上述结果的发生。因此需重新调整参数，提高键合可靠性。

图5 表1 参数下LTCC 基板键合拉力测试结果

根据LTCC 基板特性，重新设置键合参数，超声总功率为0.2 W，起点功率为80 W，断点功率为65 W，起点时间为65 ms，断点时间为50 ms，压力为0.176 40 N，热台温度为100 ℃，然后进行拉力测试，可得拉力分别为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，拉力平均值为0.096 530 N。

此实验中，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 金丝进行键合，键合10 根金丝。

测试结果及分析：通过显微镜观察及拉力测试数据显示，焊点及金丝状态完好，外观漂亮，无虚焊及基板金层损伤等情况发生（见图6），拉力测试一致性高且波动范围小，符合GJB 548B—2005 微电子器件试验方法和程序的标准[3]。

图6 新参数下LTCC 基板键合拉力测试结果

4 结论

本文通过设置不同键合机参数，进行了5 组实验，得出以下结论。

1） 键合参数的设置在键合过程中起到关键性作用。

2） 在键合过程中，并不是键合参数值越大越牢固，数值过大可能会使金丝出现损伤。

3） 键合参数值过小可能会出现虚焊等情况的发生。

4） 键合前，要根据所键合基板材料的不同和特性进行参数的调整，一组参数并不适用于所有基板，它可能只适用于一种或几种材质的键合。

5） 键合机参数的不同对不同材料基板引线键合的可靠性具有严重影响。