微波混合电路中的引线键合技术.pdf

2 0 0 8 年电子机械与微波结构工艺学术会议论文集 微波混合电路中的引线键合技术 李安 7 连雪海 金大元 中国电子科技集团公司第三十六研究所 浙江嘉兴3 1 4 0 3 3 摘要 引线钡t C 是实现微波混合电路的关键技术 文中对引线键合的形式 键合机理 键合参数 工艺 流程进行了论述和分析 指出金丝热超声楔键合是实现微波混合电路电气互联的主流工艺 通过工艺试验 和样品试制 摸索出使用复合介质材料基板的微波混合电路的引线键合工艺参数 为后期的工艺参数优化 研究打下基础 最后分析了引线键舍的微波特性 并提出改进措施 关键词 微波混合电路 引线键合 楔键合 工艺参数 微波特性 W i r eB o n d i n gT e c h n i q u e sf o rM i c r o w a v eH y b r i dC i r c u i t L I A n n i n g L I A NX u e h a i J 啉D n y u a n T h e3 6 t hR e s e a r c hl n s 距t u t eo f C e r C J i a x i n gZ h e j i a n g3 1 4 0 3 3 C h i n a A b s t r a c t W t r eb o n d i n gi sac r i t i c a lt e c h n i q u ef o rr e a l i z i n gm i c r o w a v eh y b r i dc k e u i t T h i sp a p e rd i s c u s s e da n da n a l y z e dt h ew i r e b o n d i n gp r o c e s s b o n d i n gm e c h a n i s m b o n d i n gp a r a m e t e r s A ut h e r m o s o n i ew e d g eb o n d i n gh a sb e c o m et h em a i n 缸 e n di nm i c r o w a v e h y b r i de i t e m te l e c t r i c a lm t c r c o n n e c t i n n B o n d i n gp a r a m e t e r si nm i c r o w a v eh y b r i dc i r c u i tw i t l lc o m p o s i t ed i e l e c t r i cm a t c r i e a l s u b s t r a t ea 陀e x p l o r e dv i ae x p e r i m e n ta n ds a m p l ea s s e m b l y T h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r cu s e f u lt ot h es t u d yo f p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o n i nt h ef u t u r e A f t e ra n a l y z i n gt h em i c r o w a v ee h a r a c t c r i a i c so f w i r eb o n d i n g t h ei m p r o v e m e n tm e a s u r e sa r ep u tf o r w a r d K e yw o r d s m i c r o w a v eh y b r i dc i r c u i t w i r eb o n d i n g w e d g eb o n d i n g p r o c e s s i n gp a l a m c t e l S m i c r o w a v ec h a r a c t e r i s t i c s 0 引言 在微波混合电路中 大都采用薄 厚膜工艺制造 的陶瓷基板或聚四氟乙烯玻璃纤维基板 因此 工艺 研究的重点都集中在如何实现上述基板微带线与 M M I C 的电气互联上 对其工艺机理 参数控制 微 波特性分析等均有较为深入的研究 此类微波混合电 路的主要问题是工艺过程复杂 成本高 近年来 复 合介质材料 如R T d l l r o i d 材料 以其优良的电性能 和较低的制作成本 在微波混合电路中应用越来越广 泛 而在实现微波混合电路的过程中 引线键合是其 中关键技术 主要用于实现单片微波集成电路 M M I C 集总式电阻和电容等微型元件与微带线 共面波导的连接 以及微波传输线之间或与射频接地 面的电气互连 近年来虽然倒装芯片和载带自动焊技 术发展迅速 但是引线键合由于具有工艺简单 价格 低廉 性能优良 灵活性强 适用于研发或小批量的 生产需求的特点 在微波混合电路中依然具有重要的 应用价值 文中将主要以某微波混合电路的实际组装为实 例 介绍引线键合技术在以复合介质材料为基板的微 波混合电路中的实际应用 探讨适合的工艺形式 工 艺参数控制 并分析其微波特性 1 实验样品简介 选取某微波混合电路 复合介质材料基板采用 R o g e r sR T d u r o i d5 8 8 0 厚度0 2 5 4 m m 微带线表面 镀金 加工精度 1 m 样品中所用到的元器件有 M M I C 裸芯片 G a A s 材料 焊盘金属为铝 焊盘大 小5 0 m 片式电阻 电容 电连接器 键合前 裸芯片 阻容和基板已通过导电胶粘接或共晶焊接工 2 8 年电f 机般与错渡结椅1 艺 术会 谁女韭 艺固定在金属腔体相应的位置 清洗后 接设计要求 进 I 引线键台 2 引线键合形式的选择 引线键台技术就是使用普通焊接能源 熟压 超 声或两者结合 利用特殊的键合工具 劈刀或楔 把金丝或铝丝键合到芯片和基板上相应的捍区位置 队便实现电气互连 根据能量的施加方式 引线键台 工艺可以分为三种 热压键台 超声键台和热超声键 音 由于热超声键台降低了键台温度 提高了键台强 度 己经成为当前主流的键台工艺 根据键台工具的 不同 l 线键舍的基本形式主要有两种 球键台 约 占所有引线键合的9 5 和樱键台 其相应的键旨工 艺 工具和材料见表l 密IM 种 线键台形式 i 键台I 艺 茎i 缱材料焊盘材辩 球键e 热乒二热超 劈刀金 铜金 铝 镕 枢键A 热躲超 楔 金铝铜盒 铝锕 一 在球键合工艺中 键舍时将金丝穿过键旨机空心 劈刀 如图1 所示 到达其端部 利用电气放电系 统产生电火花以融化金属丝在劈刀 伸出部分 在表 面张力的作用下 焙融金属凝固形成标准的球形 球 苴径一般是线径的2 3 倍 紧接着降下劈刀 在适 当的压力和定好的时闻内将金属球压在相应的焊区 上 键合过程中 通过劈刀向金属球旖加压力 同时 促进引线金属和下面的焊区金属发生塑性形变和原 子间扩散 并完成第一次键合 然后劈刀运动到第二 个键合位置 用过劈刀外壁对金属线捕加压力以楔焊 的方式完成第二次键合 劈月楔 图I 键台I 且 球键台使用直径为7 5p m 常用5 0 口m 2 5 m 1 8 m 吼下的细金丝 因为其在高温受压状态下容 易变形 抗氧化性能好 成球性好 球键合一般用于 焊盘问距大干1 0 0 m 的情况下 目前也有用于5 0 p m 焊盘问距的报道 楔键台工艺中 金属丝穿过楔形工具背面的通 孔 与水平被键台表面成3 06 或6 0 角方向 在楔 形工具的压力和超声能波量的作用下 金属丝和焊盘 金属的纯净表面接触并最终形成连接 楔键舍的主要 优点是适用于5 0 m 以下的焊盘间距 但由于键台 工具的旋转 其总体速度低于热超声球键台 最常见 的楔键台工艺是铝丝超声楔键台 其成本和键台温度 较低 铜丝楔键台还在试验阶段 没有广泛使用 而 金丝楔键台的主要优点是键台后不需要密闭封装 由 于在楔键合过程中不会出现焊球 因此楔键舍形成的 焊点小于球键合 有利于提高微波电路的性能 如图 2 所示 特别适用于微波混台电路 霉2 引缝键旨点 与球捍相比 楔焊一直是焊点节距悬细的引线键 合方法 主要是因为在楔形焊中 键台区引线变形只 有2 0 3 0 而球焊中则达到6 0 8 0 此外 楔焊工艺中 引线的拱高 引线弓形较平 和跨距均 小于球焊工艺 更容易控制引线几何形状 而且楔焊 的成品率高于球焊 除此而外 楔焊具有球焊无法实 现的功能 1 楔焊除了键舍金丝吐讣迁可以键台硅铝丝 金 带 而球焊只能键台金丝 2 楔焊可以进行连焊 针焊 即键舍完第二键 李安宁 等 微波混合电路中的引线键合技术 1 9 1 合点后不拉断尾丝继续键合第三个键合点 由于楔焊具有上述的优点 因此 在组装此微波混 合电路时 采取热超声金丝楔焊工艺实现电气互连 3引线键合工艺参数设置 3 1 微波混合电路引线键合工艺的特殊性 在此微波混合电路中 使用M M I C 和微小型的 元件 组装难度越加提高 其引线键合的关键性和可 靠性越加突出 因此 对引线键合有着特殊的要求 1 样品的基板用了复合介质材料制成 比陶瓷 基板软 薄 因此 参数设置不同与硬基板 2 M M C 芯片尺寸小 焊区及焊区间距小 因 此要求键合的准确率要高 键合点小 以避免键合点 超出焊区过多 引起桥连 短路 动M M I C 由G a A s 材料制作 薄且脆 容易碎 裂 键合时必须使键合的压力规范适当 避免焊区出 现压痕与碎裂 4 两个键合点高度不同 个别落差较大 这就 要求深腔键合 而且键合点应有足够的剪 拉力 不 易脱落 3 2 工艺参数的设定 键合时 键合区温度控制和精确定位 键合时间 超声功率和键合压力 键合工具的质量 手动操作时 的平稳性以及键合设备运动机构的稳定性等均会影 响键合的质量 其中 主要因素是前三项 后面的影 响因素 主要取决于操作人员的技能水平和键合设备 的质量 因此 控制键合质量的关键在于温度 时间 压力的合理设置和控制 通常 采用热超声金丝楔键合时 第一键合点在 芯片上 第二键合点在基板上 经过试验 当采用的 基板比较薄 软的时候 其键合的温度和压力较厚 硬的基板要低 键合采用2 5 t m 金丝 设备采用具 有深腔键合功能的K 4 5 2 3 进行 经过实验 键合的 参数见表2 具体的参数要根据镀层厚度 基板厚度 等实际情况做略微调整 表2 热超声金丝楔键合参数 名称数值 t e m p e r a t u r e f o r c e p o w e r t i m e 4 引线键合的微波特性 在此微波混合电路中 应用频率高 2 0G H z 不必要的分布电容 电感对微波混合电路的微波性能 功率 驻波 损耗等 有影响 因此 在实际的应 用中 就必须采取实际的措施尽量降低微波损耗 组 装过程中 最常用的有单金丝 双金丝和三金丝键合 结构 键合的性能不仅与键合丝的条数有关 还和键 合丝的长度 键合丝的高度 键合丝的直径 键合丝 问的间距有密切关系 微波混合电路中 芯片焊区到微带线的最佳距离 是2 0m i l 3 0r a i l 键合的一致性和重复性非常重要 对金线键合丝来说 其电感的一般公式是 三 旦l l l 丝 2 ud 其中h 是高度 d 是直径 单位长度 因此 要使 小 必须h 变小 d 变大 即键合 线的高度要低 金丝直径要大 在自由空间中 金丝的电感是不依赖频率的 其 值可根据公式 7 三 5 0 8 1 0 3 I n 二 0 3 8 6 n H d 计算式中尺寸单位为m i l 从中看出 电感随长度成比例的增加 因此 键 合时 应该使键合丝尽可能的短 金属丝的直径也应 尽可能的大 但是由于焊区尺寸和焊区间距限制 键 合线直径不可能太大 一般用2 5um 金线 因此 重要的是降低键合线的高度和长度 这也是目前工艺 发展的方向 因此在组装过程中 1 在同长度的情况下 金丝的高度越低越好 以平直为最佳 对单根金丝 但是腔体 电路 芯 片间的热膨胀系数不同 平直金丝在高低温冲击中会 因热失配而失效 从键合工艺的特点来看 平直金丝 的键合稳定性很难保证 此外 高度过高将造成局部 娶 如姚年电子机械与蚀蛙结构z 艺学术会议论文集 的高盟抗 引起互联生配 还会产生较强的高频辐射 效应 使系统无法稳定工作 因此为兼顾微杖特性和 可靠性 必须保持适当的高度 0 在高度相同的情况下 键台丝的长度越短越好 3 如果芯片焊区允许 尽量同时链台两根丝或 三根丝 5 样品目检验及调试结果 按照上述要求完成键合后 经过目检 引线键台 位置符合电路键台阁要求 如图3 所示 键台点宽度 大于引线直径的1 2 倍小于引线直径的3 倍 长度大 于引线直径舶1 5 倍小于引线直径曲 倍 键合尾丝 的砸要求小于引线直径的2 倍 键台引线上的裂口 弯曲 割口 卷曲 刻痕或颈缩小于引线直径的2 5 圊3 样8 中的引线健台 腔体封盖后 交设计师调试 电性能指标达到其 殳计的要求 键合过程中 严格控制金丝的长度和高 度 样品的微波性能得到改菩 这也证明 工艺实验 所探索的参数切实有效 具有指导意义 6 总结 通过工艺试验和样品的试制 探索出了采用热超 声金线楔键舍来实现以复台介质材料作为基板的微 波混合电路电气互联的各个参敬 切实有效且具有指 导意义 同时 在键台时 特别注意金线的长度 高 度和数量 以远到改善电路微波性能的目的 参考文献 1 J 踊BJL i c 4 a drL 鲥l a RE n b w 偏 朱瑞廉译混 台搬电路技术手m 第2 版 M 北京电子I 业出版 t2 0 0 4 2 1R a o R D m t r a a l a 缠 黄庆安 唐洁影4 锚系统 装 堇础 M J 南氪东南文学出版牡 2 0 3 J 3T a p a n KG u p l a 犏 瑞庭 朱征译厚薄膜搬电子学 手册 M l 北京 电子I n 出版社 2 0 0 5 嗍P h i l i p E G u L w o n a T u x l i k 稿 玉传声 叶天培 等 译多芯片组件技术手m I M 北京 电子工业出版社 2 0 0 6 5 WM 眦JM o b OP a u l 编 王眷海 于熹等 译撤茬统技术M 北京z 化学工n 出版杜 2 0 0 3 嘲珊c b 删B r o v m 镶 孙海 等最射巍和擞波特旨电路 一基础 材料目I 芑 呻北京 电子I 业出版社 2 0 0 6 印 晁丰睛引线键台技术进晨啊电子I 艺技术 2 0 M 1 2 8 4 2 0 5 2 0 9 嗍 晏畿平 I 线键音原4 与I 艺m