張加波，王道暢，張忠波

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088）

1 引言

微波多芯片產(chǎn)品廣泛應用于航空、航天、軍事裝備以及工業(yè)領域，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，但也存在成本高昂等缺點。隨著微波印制板材料和印制板制造工藝技術的不斷提高，復合微波印制板快速發(fā)展并得到廣泛應用，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，同時加工技術成熟、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，被廣泛應用于自動化生產(chǎn)中，但形成第一鍵合點較大，難以滿足細間距及低弧度要求，如以Φ25 μm金絲為例，鍵合焊點直徑約為 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45 μm細間距的鍵合能力,焊點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)合實際產(chǎn)品，分析了復合微波印制板熱超聲楔焊的難點，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合微波印制板細間距自動金絲楔焊的要求。

2 自動金絲楔焊工藝

2.1 金絲楔焊工藝

金絲熱超聲楔焊工藝是實現(xiàn)微電路傳輸互連的主要方式之一。楔焊時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，金屬原子相互擴散，產(chǎn)生彈性嵌合和不可逆塑性形變，界面處互擴散金屬引起固溶強化效應，使兩者產(chǎn)生連接強度[3-4]。加熱在楔焊鍵合過程中起到提高原子活性、增強原子擴散能力、促進鍵合的作用。

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用于微波多芯片產(chǎn)品射頻信號互連，有其獨特的優(yōu)勢：1）小焊點，楔焊點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，同種金屬間擴散，強度高且不存在異種金屬互連時擴散導致的潛在可靠性風險；4）微波特性優(yōu)異，楔焊金絲可以實現(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 復合微波印制板

復合微波印制板因材料特性和制造工藝特點，以及鍵合前組裝工序的影響，在熱超聲金絲楔焊時存在一些難點：1）復合微波印制板表面一般為duroid系列微波印制板，其特點是板材較柔軟，電鍍鎳金的覆銅箔下是有機介質(zhì)層，在金絲楔焊時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下陷，導致金絲楔焊困難[6]；2）復合微波印制板層間互連一般通過鉆孔鍍銅實現(xiàn)，并填充樹脂，最終進行表面鍍涂處理，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，填充孔位置偏移導致鍵合在填充孔位置而引起鍵合失??；3）高度一致性差，復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 印制板自動金絲楔焊工藝優(yōu)化

3.1 印制板自動金絲楔焊

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

復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下陷，所以會導致楔焊困難或虛焊[6]，試驗通過優(yōu)化超聲施加方式，超聲能和壓力施加時分階段進行，分兩階段甚至更多階段進行施加，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現(xiàn)金絲和焊盤間金屬的相互擴散，固溶強化形成連接強度，一般第一階段施加超聲和壓力為第二階段的 50%～60%，時間 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，導致焊盤位置存在一定偏差，部分編程鍵合點偏移到填充孔位置，因此需要精確定位鍵合點位置。通過對印制板進行精細化分區(qū)，存在填充孔的鍵合焊盤區(qū)域單獨建立子參考系，以填充孔為該子參考系圖像識別基準，準確定位鍵合點位置，可有效避開填充孔位置，實際生產(chǎn)中再未出現(xiàn)鍵合點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。在實際生產(chǎn)中，隨機抽取20只組件進行測高，統(tǒng)計各參考系測高值，選擇測高值最靠近統(tǒng)計中值的組件作為基準（h3），如圖4所示，盡可能覆蓋不同高度的組件。同時在鍵合搜尋階段，擴大搜尋（h2～h3）和過搜尋（h3～h4）的范圍，進一步降低高度差的影響。通過優(yōu)選基準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致的設備報錯停機次數(shù)，雖然單個鍵合周期時間延長，但設備停機次數(shù)大大減少，整體生產(chǎn)效率提高。

3.2 高精度楔焊

在自動金絲楔焊過程中，除上述復合微波印制板本身和印制板焊接所致的難點外，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)焊盤實際尺寸僅為90 μm×90 μm，由于自動鍵合設備連續(xù)生產(chǎn)不適于復合鍵合，因此必須進行細間距的高精度楔焊鍵合。

圖4 劈刀搜尋高度示意圖

實際鍵合過程中，焊點寬度約為1.3倍引線直徑，即33 μm，為實現(xiàn)寬度90 μm焊盤并排鍵合2根金絲，設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根金絲鍵合時第二根金絲鍵合對已完成的第一根金絲焊點無損傷。設備適用的Deweyl標準劈刀尖端最小值為64 μm，即圖5中W=64 μm，必然會導致自動鍵合時2根金絲相互干擾，為此進行了楔焊劈刀定制，將劈刀尖端形狀和尺寸重新設計，以實現(xiàn)細間距楔焊，如圖6所示為定制劈刀尖端實物圖片，劈刀尖端寬度定制為50 μm，定制部分高度為200 μm。但相較于標準型號劈刀，定制劈刀損耗較快。

圖5 定制楔焊劈刀結(jié)構示意圖

圖6 定制楔焊劈刀尖端

在批量應用復合微波印制板的某八通道微波組件的實際自動金絲楔焊生產(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，定位鍵合點中心間距不低于45 μm時，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，在印制板上可實現(xiàn)連續(xù)自動楔焊，鍵合焊點正常；隨機選擇的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0.6 mm（Δh3），通過選擇統(tǒng)計中值附近的印制板作為編程基準，可將搜尋高度降至0.2 mm，實際生產(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 鍵合強度測試

對芯片焊盤到復合微波印制板之間的自動楔焊金絲進行破壞性拉力測試，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）和隨機振動（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，拉力強度正常，斷裂位置均為焊點踵部。

4 應用實例

運用上述自動金絲楔焊改善方法，進行了10個小批次約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，應用于地面環(huán)境，根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范要求經(jīng)C組檢驗后，未發(fā)生因金絲失效導致的故障，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、以填充孔為圖像識別基準建立精細化子參考系，使鍵合位置避開填充孔、印制板高度中值作為基準定制楔焊劈刀工具的方法，實現(xiàn)了中心線間距不低于45 μm的高精度鍵合，并應用到產(chǎn)品生產(chǎn)中，取得了一定的成效。本文主要對復合微波印制板自動金絲楔焊進行了上述優(yōu)化改善，針對楔焊要求，印制板鍵合面的質(zhì)量檢驗評價方法有待進一步探索。