孙瑞婷
（船舶重工集团公司７２３所）
择要：
金丝键合是微组装工艺中的一道关键工艺，金丝键合质量的好坏直接影响微波组件的可靠性以及微波特性。对金丝键合工艺的影响成分进行了剖析，并通过设计实验方案对２５ μ ｍ 金丝进行键合实验。对键合金丝进行拉力测试，丈量结果全部符合军标 ＧＪＢ ５４８Ｂ － ２００５哀求。根据丈量结果寻求最佳键合参数，对实际生产具有一定的辅导意义。
0 弁言
微组装技能具有微型化、高集成、高可靠性的特点，采取微组装技能的微波组件，比一样平常分离器件电路重量轻１０～２０倍，体积小４～６倍，性能和无端障韶光成倍提升。微组装一样平常包含洗濯、器件芯片烧结、金丝键合、封帽等工艺流程。金丝键合是实现微波多芯片组件电气互连的关键技能，金丝键合直接影响到电路的可靠性和稳定性，对电路的微波特性具有很大的影响。本文紧张针对微波模块、组件中的金丝键合工艺进行了研究，对提高金丝键合质量起到工艺优化的浸染。
1 金丝键合简介
键合是通过施加压力、机器振动、电能或热能平分歧能量于接头处，形成连接接头的一种方法，属于压力焊接的一种。在键合接头内金属不熔化，但是在被连接面之间发生原子扩散，即被连接面之间已达到了产生原子结合力的间隔。将未封装的半导体裸芯片直接安装在微波多芯片组件（ ＭＣＭ ）基板上，是微组装技能的主要进步。而裸芯片中的键合互连便是组装 ＭＣＭ 的关键技能。
键合互联利用热压、超声或热超声把铝丝或金丝键合或点焊到裸芯片与基板的相应焊盘位置上。随着运用需求的不断提高，现在铝丝键合的运用越来越少，金丝键合已成为微组装技能中的关键工艺。热超声键合是超声波键合的一种变革，即再外加一个热输入，结合了热压与超声两者的优点，热超声键得当合１８～１００ μ ｍ 的金丝。本文中选用２５ μｍ热超声键合办法。
从键合工具及对引线端部的工艺处理不同可将金丝键合 分为球形键 合 （ Ｂａｌｌ Ｂｏｎｄ ）和楔形键 合（ Ｗｅｄｇｅ Ｂｏｎｄ ），如图１所示。
球形键合时劈刀产生电火花熔化金丝在劈刀外的伸出部分，在表面张力浸染下熔融金丝形成球形，球直径一样平常是线径的 ２～３ 倍，紧接着降下劈刀，在适当的压力和定好的韶光内将金球压在电极或芯片焊盘上完成第 １ 焊点；然后劈刀运动到第 ２ 点位置，通过劈刀外壁对金丝施加压力以楔形键合办法完成第 ２焊点，之后扯线使金丝断裂，劈刀升高到得当的高度送线达到哀求尾线长度，进入下一键合循环。球形键合是一种全方位的工艺（即第２焊点可相对第 １ 焊点 ３６０° 任意角度焊接）。球形键合一样平常采取直径 ７５ μ ｍ 以下的金丝，由于其在高温受压状态下随意马虎变形、抗氧化性能好、成球性好，一样平常用于焊盘间距大于１００ μｍ 的情形。
楔形键合时金丝穿过劈刀背面的通孔，通过劈刀传导的热、压力或超声波能量，金丝和焊盘金属的表面打仗并终极形成连接。楔形键合是一种单一方向焊接工艺 （即第二焊点必须与第一焊点同方向）。
由于楔焊可实现最小的拱弧，故在微波器件中广泛运用。本文紧张对楔焊键合质量进行研究，故以下论述中的键合办法全部为楔焊，所用工艺设备为美 国 Ｗｅｓｔｂｏｎｄ 公 司 的 ７４７６Ｅ 键 合 机，如 图 ２所示。
2 金丝键合质量的影响成分
金丝键合质量的影响成分有劈刀、键合参数、键合层镀金质量、金丝等。
2.1 劈刀
劈刀是金丝键合的直接工具，楔焊劈刀用于金丝、金带、铝丝、铝带等键合，紧张分为深腔、非深腔、粗铝、金带／铝带键合等几大类，多为钨钢材料，刀头部分材料为陶瓷。
在一个完全的楔形键合中（如图 ３ ），第 １ 键合点的键合强度紧张受到劈刀的后倒角（ ＢＲ ）和键长（ＢＬ ）、劈刀在键合第１点后上升过程、拉弧过程所产生的摩擦及拉力、线夹打开的宽度等成分的影响。如果ＢＲ太小，则劈刀后倒角区域较锋利，就会导致第 １ 键合点的根部较薄弱，在拉力测尝尝验中随意马虎在此位置断裂。在完成第 １ 键合点后，劈刀要经由先上升、再向第 ２ 键合点方向水平移动，然后低落到第 ２ 键合点进行键合的过程，在该过程中，第 １ 键合点的根部会受到拉力波折，引线受到送线孔后真个摩擦，都会影响第 １ 键合点的根部或者损伤第 １ 键合点根部。第２键合点的键合强度紧张受到前倒角
（ＦＲ ）和键长的影响，此时 ＢＲ 的浸染是保持尾丝的同等性及扯断引线供应一个应力集中点。因此如果要得到良好的引线键合，一定要根据所用引线的直径选择得当的劈刀参数。
在实际利用中，当劈刀用过一段韶光后，前倒角、后倒角等劈刀端面就会产生一定的磨损，这样导致焊点根部的键合强度降落，影响键合质量。同时，操作职员利用不当也会缩短劈刀的利用寿命。
2.2 键合参数
在劈刀到头端部引线与键合表面打仗后，键合机通过劈刀通报到引线一定的压力和超声波能量，使引线与键合表面产生相对摩擦形成物理性连接。在键合过程中，施加的压力、超声功率、键合时间及劈刀温度对键合质量的影响最大。压力是引线键合中的必要条件。压力太小，劈刀不能牢牢地压住引线，超声功率的通报效率不高导致无法形成高强度键合点。压力太大又会导致键合过程中引线产生过大的形变，而使引线断裂或键合点薄弱。超声功率太小则起不到键合的浸染。功率太大，引线受到太大的变形使键合点抗拉强度减弱，并且毁坏键合面金属层或芯片表面。在选择得当的压力和超声功率时，键合时间的合理选择也对键合点质量起到关键的浸染。因此要得到良好的键合点，必须根据利用引线的直径选择得当的键合参数。
2.3 键合层镀金质量
同种金属间的键合效果最好，能够得到最高的可靠性。实验中利用金丝键合，因此镀层也选用镀金层。镀金层的厚度直接影响镀金层硬度，镀金的纯度直接影响镀金质量，２个条件对键合质量均有很大的影响。
其余，镀金层表面的清洁度对键合质量也有较大的影响。等离子洗濯具有洗濯干净、不损伤芯片、不降落膜层的附着力等特点，同时它具有常规的液相洗濯不可比拟的上风。等离子洗濯过程中高能电子碰撞反应气体分子，使之离解或电离，利用产生的多种粒子轰击被洗濯表面或与被洗濯表面发生化学反应，从而有效打消被洗濯表面的有机污染物或改进表面状态。因此键合前对镀金层表面进行等离子洗濯是十分必要的。本文中采取氩单种等离子洗濯。
2.4 金丝
金丝的质量和直径对键合质量都有影响。金丝的纯度一样平常为９９．９９％以上，且哀求尺寸精确、表面均匀无污染、达到标准的拉断力和延展率。不同的集成电路对金丝的直径哀求也不同，本文中实验采取生产中常用的２５ μ ｍ 金丝为例对金丝键合质量进行剖析。
2.5 其他影响成分
不同的基板材料也会产生不同的键和效果。比如在陶瓷基板表面进行金丝键合非常随意马虎，而且键合质量非常好，引线拉力较大，而在软基板如罗杰斯５８８０ 软基板表面进行金丝键合就相比拟较困难，并且该征象是目前海内非常普遍存在的一个问题，关于如何办理在软基板表面键合困难的问题，常常利用的办法是楔焊与球焊合营利用，即在用楔焊完成金丝键合后，再用球焊机在软基板真个键合点上压一个金球进行加固，可以有效地提高焊点质量。
其余 Ｗｅｓｔｂｏｎｄ ７４７６Ｅ 键合机属于手动键合机，键合过程受到一定的人为成分影响，操作职员的技能闇练度、疲倦程度等都可能影响到键合质量，以是实验中所有键合操作全部由同一个操作职员完成，并且使其担保充分的安歇。
3 实验及实验结果
通过以上内容可知，劈刀、键合层镀金质量、金丝等成分一旦选定就无法改变，而键合参数可以通过调节不同的参数而得到最优组合。因此实验中选定键合参数作为实验掌握变量，包括压力、超声功率、键合时间和劈刀温度。个中压力根据芯片推举哀求选择 ２２ｇ 。对付实验方法，有研究表明正交实验法可以有效得到优化的键合参数组合。
本文在已有履历的根本上对工艺参数进行优化筛选。首先根据履历确定参数的范围边界，最低哀求能够得到完全的键合点，最高哀求在键合过程中不能压断金丝。然后在各参数的边界范围内均匀设计实验参数组合，得到实验方案。选取了陶瓷和罗杰斯５８８０两种基板板材，芯片选取 ＧａＡｓ芯片，利用入口２５ μ ｍ 金丝，根据实际运用中最常利用的键合类型制订表１所示实验方案。实验中每组工艺参数都采取全新劈刀进行键合后做拉力测试所得到的拉力值作为参考标准。
确定方案后，分别对各方案均匀设计１２组参数组合，每种组合键合１０根金丝，键合完成后剔除人为成分造成的不合格焊点，包括焊点尾丝过长、焊点不完全、金丝拱弧过低等情形，对别的键合金丝用Ｗｅｓｔｂｏｎｄ ７０ＰＴＥ拉力测试仪进行抗拉强度测试。按照 ＧＪＢ ５４８Ｂ － ２００５中方法２０１１．１对键合金丝进行毁坏性键合拉力实验。
得到测试数据后，剔除相对付均匀值过高或过低的数据，对剩余的数据取均匀值作为每组键合参数的抗拉强度值。实验结果见表２～表５，个中超声功率为键合机转换的步进值，无单位；键合时间单位为 ｍｓ ；拉力值单位为ｇｆ。
履历证，以上所有数据结果均知足军标 ＧＪＢ５４８Ｂ － ２００５ （键合拉力强度最低值３ｇｆ ）的哀求。可以从实验结果中看出，超声功率对拉力测试结果影响较大，即该成分对金丝键合质量有较大的影响。在实际装置操作中要根据实验结果采纳最优参数组合，从而提高装置的可靠性。
影响金丝键合质量的成分很多，个中超声功率和键合时间是实际设备操作中最直接打仗、最直不雅观反应键合效果的成分。对付金丝键合质量的剖析，也不仅仅局限于丈量键合拉力，还包含焊点宽度的影响、焊点失落效性剖析、金丝弧度及跨度、键合金丝微波特性等各种剖析方法，都须要大量实验以及实际操作验证。
4 结束语
本文在已有实际工艺操作履历的根本上对键合参数进行了实验，超声功率和键合时间在一定范围内可以得到最优的键合强度，而低于或高于该范围时都会降落键合强度。因此在实际生产过程中，要根据实际情形制订合理的键合参数方案，并通过实验验证后才可以进行生产装置，这样才可以在节省韶光的条件下既得到可靠的装置质量，又可以使产品得到较好的微波特性（如插损、驻波等）。本文的实验结果对提高生产工艺水平有一定的辅导意义，可广泛 应 用 于 ＭＣＭ 组 件、 Ｔ ／ Ｒ 组 件 等 微 波 组件中。
