任 榕，盧紹英，趙 丹，解啟林，邱穎霞

（中國電子科技集團公司第38研究所，合肥 230088）

1 引言

毫米波由于具有波束窄、頻帶寬、抗干擾能力強和容量大等優(yōu)點而受到各界關(guān)注。近年來，隨著毫米波子系統(tǒng)的快速發(fā)展，毫米波模塊的工作頻率越來越高。作為影響電路工作性能的重要因素之一，微組裝工藝對于毫米波電路的性能實現(xiàn)起到至關(guān)重要的作用。由于技戰(zhàn)術(shù)性能、可靠性等要求，毫米波模塊體積小、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對其微組裝工藝過程提出了非?？量痰囊?，給組裝工藝設(shè)計和實現(xiàn)帶來了困難。

在毫米波產(chǎn)品的裝配過程中，芯片的工作頻段高，對芯片等元器件與電路基板的連接路徑及長度有較為苛刻的要求[1]，微組裝工藝對于模塊射頻互連電訊性能的影響越來越大。并且這種影響隨著頻段的提高會越來越明顯。此外，對于毫米波相控陣雷達系統(tǒng)，保證各收發(fā)通道的幅度和相位一致性非常重要，這也與微組裝工藝實現(xiàn)的電性能一致性息息相關(guān)。因此，在毫米波模塊的研制中，對影響射頻互連的微組裝工藝進行有效的控制優(yōu)化是非常必要的。

本文圍繞裝配精度優(yōu)化控制、接地焊接效果優(yōu)化和高一致性金絲熱超聲楔焊實現(xiàn)開展毫米波射頻互連微組裝工藝優(yōu)化研究，給出了相應(yīng)的工藝優(yōu)化設(shè)計措施。通過實際樣件的駐波的測試來驗證仿真情況，以期形成保證毫米波模塊微波性能及一致性好的射頻互連微組裝工藝。

2 毫米波射頻互連裝配精度優(yōu)化控制

由于毫米波產(chǎn)品對元器件與電路基板之間的連接路徑及長度有較為苛刻的要求，鍵合引線的長度要盡量短。如果元器件與電路基板之間的安裝縫隙過大，一方面無法保證鍵合引線長度滿足設(shè)計要求，另一方面，裝配間隙直接影響到射頻互聯(lián)的電訊性能。使用基于三維有限元分析的電磁場仿真軟件HFSS和微波電路仿真設(shè)計軟件ADS相結(jié)合，工作頻率為40～50 GHz，在其他條件固定的情況下，對不同組裝縫隙寬度因素對電壓駐波比的影響進行了仿真，結(jié)果如圖1所示。

通過仿真結(jié)果可以看出，縫隙寬度對電壓駐波比影響較大：隨著縫隙寬度從0.1 mm至0.05 mm范圍內(nèi)不斷減小，毫米波模塊的電壓駐波比不斷減小。為保證輸入輸出駐波要求，微帶板的組裝間隙控制得越小越好。在設(shè)計時應(yīng)盡量減小裝配公差，并兼顧微組裝的一致性要求。

2.1 高精度微帶基板外形加工工藝研究

現(xiàn)有的微帶板外形加工通常采用機械加工的方法，一般外形公差為±0.1 mm。采用此種加工方式，元器件與基板之間的安裝間隙通常都在0.1 mm以上。為了實現(xiàn)毫米波電路基板較高的加工精度，本研究采用355 nm的UV紫外激光對0.254 mm的RT-5880微帶基板進行外形加工。紫外激光區(qū)別于CO2激光切割技術(shù)，采用具有良好聚焦性能的“冷”光源，熱影響區(qū)小，保證了基板切割邊緣的平整、光滑。另外，紫外激光能進行任意異形圖形的加工，滿足設(shè)計的需要，特別是解決了數(shù)控銑床加工無法避免的內(nèi)直角圓弧化的問題，提高了微帶板與盒體焊接裝配的匹配度。通過選擇和優(yōu)化激光切割的工藝參數(shù)，如激光功率、切割速度和切割次數(shù)等，加工出外形公差為±0.05 mm的微帶基板，如表1所示。采用該種加工方式，既提高了微帶基板外形精度，又提高了一致性，保證了毫米波電路射頻方向上的裝配精度，圖2所示為采用上述激光加工工藝制作的微帶板微組裝而成的毫米波模塊實物局部圖，微帶板與元器件之間的組裝間隙得到了有效的控制。

圖1 其他條件固定時組裝縫隙寬度對電壓駐波比的影響

表1 試驗優(yōu)化后的激光切割工藝參數(shù)

圖2 毫米波模塊實物局部圖

2.2 毫米波射頻互連組裝高度差控制

微帶基板焊接是毫米波模塊微組裝的關(guān)鍵工序，涉及到多個小尺寸微帶基板的同時焊接，除要求射頻支路的組裝間隙盡量小之外，對多基板焊接后的拼接精度及高度差也有較高的要求。本研究中，通過采用整體焊接壓塊設(shè)計實現(xiàn)在多微帶基板焊接過程中對各拼接微帶板在高度方向上的一致性控制，并利用模擬器件實現(xiàn)微帶板定位以及間隙檢查，具體基板焊接簡圖如圖3所示。采用該種控制方式，保證了毫米波電路高度方向上的裝配精度。

圖3 多微帶基板焊接組裝精度控制工藝簡圖

3 毫米波射頻互連接地焊接效果優(yōu)化

已有研究表明，微帶基板焊接釬透率越高，接地效果越好，駐波越小[2]。本研究中，毫米波模塊的微組裝關(guān)鍵焊接工藝過程主要包括微帶基板焊接、芯片共晶焊接。無論是微帶基板焊接還是芯片的共晶焊接，其合格與否的標(biāo)志都是焊接面牢固、平整和釬透率的高低。其中，焊接空洞的多少直接關(guān)系到電訊性能和可靠性的高低，是焊接工藝必須解決的問題。因此必須通過相應(yīng)的工藝試驗，優(yōu)化工藝來控制以提高焊接工藝過程的釬透率，從而優(yōu)化毫米波射頻互連接地焊接效果。

3.1 微帶基板焊接釬透率優(yōu)化

毫米波電路要求接地良好，通常使用軟釬焊的方式進行基板與盒體的組裝。真空爐內(nèi)釬焊的焊接過程在真空環(huán)境下進行，使得工藝過程氧化現(xiàn)象的發(fā)生降到最低，對提高接地釬焊的釬透率非常有利；爐內(nèi)釬焊過程完全由程序控制，在輸入條件相同時，工藝過程一致性有保證。本研究通過在微帶基板和盒體焊接面預(yù)涂鍍?nèi)埸c為183 ℃的鉛錫焊料，再利用工裝對鍍好焊料的基板和盒體進行裝夾，于真空共晶爐中實施真空釬焊。通過試驗分析得出真空燒結(jié)爐峰值溫度、峰值溫度保溫時間是影響基板焊接釬透率高低的關(guān)鍵因素。試驗優(yōu)化后的真空釬焊溫度設(shè)置曲線如圖4所示：燒結(jié)爐設(shè)定峰值溫度為380 ℃，峰值溫度保溫時間為2 min。試驗表明，采用此種焊接方式可使微帶基板的焊接釬透率達到90%以上，滿足毫米波模塊研制要求。

3.2 MMIC芯片共晶焊接釬透率優(yōu)化控制

毫米波芯片的接地性能會直接影響芯片的工作性能。芯片與微帶基板的互連工藝包括芯片粘接工藝和芯片共晶焊接工藝。對于高頻電路，通常采用芯片共晶焊接工藝依次實現(xiàn)芯片和載體、載體（帶芯片）和微帶基板之間的連接。芯片共晶焊接的焊料選擇主要考慮三個方面：（1）芯片所能承受的最高焊接溫度、焊料熔點及焊接時間；（2）根據(jù)芯片背面的金屬膜層材料選擇合適的焊料；（3）兼顧考慮組件裝配焊料的溫度梯度。本研究中使用的低噪放芯片為砷化鎵材質(zhì)，考慮到各級組裝的焊接要求，芯片與載體的焊接采用熔點為280 ℃的金錫焊料進行共晶焊接。對于需要共晶的芯片，與鉬銅載體間共晶焊接的質(zhì)量也將直接影響到芯片工作時的散熱及其輸出功率。芯片焊接面與載體之間的摩擦是提高芯片共晶焊釬透率的有效方法，因為摩擦的過程可以有效去除氧化物和降低焊接空洞率。本研究中，采用手工摩擦焊接的方式實現(xiàn)，得到了較高的焊接釬透率，圖5所示為典型共晶芯片釬透率檢驗結(jié)果。

圖4 微帶板真空釬焊溫度設(shè)置曲線

圖5 典型共晶芯片釬透率檢驗結(jié)果

4 高一致性金絲熱超聲楔焊

在毫米波頻段，信號傳輸、芯片直流供電都是靠金絲鍵合來實現(xiàn)，由此可以看出金絲鍵合技術(shù)在毫米波系統(tǒng)微組裝工藝中的重要性。其中，金絲熱超聲楔焊廣泛應(yīng)用于毫米波模塊的射頻互連。然而，由于互連的金絲存在寄生電感，鍵合引線的拱高、跨距等對模塊的微波特性和一致性具有很大影響[3]。高頻段微波模塊的射頻互連給金絲熱超聲楔焊線弧輪廓提出了更高的要求，線弧的形狀需要更為精確的控制，并且對模塊之間的引線線弧形狀的一致性提出了更高的要求。隨著自動鍵合設(shè)備在混合集成電路電氣互連領(lǐng)域的逐步應(yīng)用，使得高一致性引線鍵合成為可能，對毫米波模塊的性能優(yōu)化起到了關(guān)鍵的作用。

4.1 金絲熱超聲楔焊線型參數(shù)優(yōu)化

使用前述仿真手段，在工作頻率為40～50 GHz時、其他條件固定的情況下，分別對金絲熱超聲楔焊引線的跨距、拱高對電壓駐波比的影響進行了仿真，仿真結(jié)果如表2和表3所示。從仿真結(jié)果可以看出，金絲拱高對電壓駐波比影響顯著，金絲跨距對電壓駐波比的影響也較大：以駐波最小為原則，跨距越短、拱高越低，駐波越小，電路微波特性越好。根據(jù)模擬仿真結(jié)果，優(yōu)選跨距為400 μm、拱高小于100 μm的熱超聲楔焊金絲互連結(jié)構(gòu)作為工藝優(yōu)化對象。為使鍵合金絲能夠滿足規(guī)定的線弧形狀要求，使用F&K自動鍵合機進行金絲熱超聲楔焊試驗，通過線型參數(shù)優(yōu)化調(diào)整線弧形狀至最佳。

表2 不同金絲跨距條件下毫米波模塊的電壓駐波比建模仿真數(shù)據(jù)表

表3 不同金絲拱高條件下毫米波模塊的電壓駐波比建模仿真數(shù)據(jù)表

高度/跨距比、弧高因子、反向高度、XY弧高因子、Z弧延遲是影響線弧高度的主要因素，本研究通過定量化改變以上參數(shù)設(shè)置，用高精度三坐標(biāo)測量設(shè)備對不同參數(shù)下獲得的線弧形狀（如拱高）進行測量和記錄，初步建立以上鍵合弧度參數(shù)與拱高、弧形的對應(yīng)關(guān)系，達到對短跨距條件下金絲熱超聲楔焊線型優(yōu)化的目的。以XY弧高因子為例，在其他參數(shù)固定的情況下，隨著XY弧高因子不斷增加，鍵合引線的拱高不斷增大，引線輪廓的下垂度有所減小。當(dāng)XY弧高因子過小時，可能會導(dǎo)致引線輪廓下垂度超過限度；而當(dāng)XY弧高因子過大時，引線拱高超過100 μm的上限要求。隨著XY弧高因子的變化鍵合線弧外形變化顯著，如圖6。通過試驗分別確定各參數(shù)的優(yōu)選范圍，表4給出了優(yōu)化后的自動鍵合線型參數(shù)。

表4 優(yōu)化后的自動鍵合弧度參數(shù)范圍

圖6 XY弧高因子參數(shù)不斷變大時鍵合線弧外形變化

4.2 金絲熱超聲楔焊鍵合參數(shù)優(yōu)化

由于短跨距、低弧度的金絲熱超聲楔焊將部分參數(shù)推向極限，加之楔形鍵合強度對于參數(shù)設(shè)置非常敏感，稍有偏差就可能造成鍵合失效，必須優(yōu)化自動鍵合參數(shù)，調(diào)整各項參數(shù)達到最佳組合，即采用正交試驗方法優(yōu)化鍵合工藝的參數(shù)設(shè)置。根據(jù)鍵合工藝的參數(shù)設(shè)置，選擇超聲功率、鍵合壓力、超聲時間作為影響金絲熱超聲楔焊鍵合強度的因素，參數(shù)的水平值根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)設(shè)定。為了便于對比并考慮到實際封裝中的鍵合線的物理尺寸，所用鍵合線跨距設(shè)置為400 μm，實際鍵合線拱高為（90±10）μm。正交試驗的計算結(jié)果表明，第一點的超聲功率對鍵合強度影響最大，其次分別是第二點鍵合力和第一點超聲時間。應(yīng)用方差計算公式，查F臨界值，判斷各因素對鍵合拉力測試值的影響，第一點超聲功率對鍵合拉力測試值的影響高度顯著；第二點鍵合力和第一點超聲時間對鍵合拉力測試值的影響顯著，所得結(jié)果與極差計算一致。表5給出了正交試驗優(yōu)化后的自動鍵合參數(shù)，利用該組參數(shù)進行了5組鍵合試驗，所得鍵合拉力測試值均在8.0 g以上，滿足國軍標(biāo)要求，且一致性較好。

5 應(yīng)用實例

在某毫米波模塊研制中，運用上述毫米波射頻互連微組裝工藝技術(shù)研究結(jié)果，完成了基于若干級射頻互聯(lián)毫米波低噪放模塊的小批量試制。試制完成后，對毫米波模塊的輸入輸出端駐波以及各模塊的幅相一致性進行了測試，實際結(jié)果與仿真優(yōu)化結(jié)果較為一致，且近20個模塊的幅相一致性較好。

表5 試驗優(yōu)化后的自動鍵合參數(shù)

6 結(jié)束語

本文在毫米波模塊的射頻互連微組裝工藝優(yōu)化方面做了一些有益的研究，形成了一套應(yīng)用于毫米波射頻互連的微組裝工藝優(yōu)化方法，實現(xiàn)了毫米波模塊的電訊指標(biāo)要求，并在其他毫米波模塊項目的研制中得到了推廣應(yīng)用，取得了一定的效果。

[1] 王海．激光開槽技術(shù)在毫米波產(chǎn)品中的應(yīng)用[J]．半導(dǎo)體技術(shù)，2009，34(6)：539-542．

[2] 劉炳龍，唐亮．組裝方法對微波模塊VSWR的影響[J]．電子與封裝，2012，12(6)：9-11，25．

[3] 黃建．毫米波有源相控陣TR組件集成技術(shù)[J]．電訊技術(shù)，2011，51(2)：1-6．