精准通信雷达，离不开微波组件的力量

发布时间：2023-05-25 23:13:20

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

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微波组件在现代通信和雷达系统中扮演着至关重要的角色，其性能与可靠性直接关联到整个系统的稳定运行,而细间距小尺寸的焊盘键合工艺，一直以来都是技术挑战。

微波多芯片组件的制造过程中，金丝键合技术是实现电气互联的重要手段,自动金丝键合因其高效、精准、稳定的特性，在微波毫米波领域得到了广泛应用。然而，随着电子封装技术的进步和产品精度的提升，微波组件的焊盘设计越来越精细，间距越来越小，这给金丝键合工艺带来了前所未有的挑战。传统的金丝键合工艺往往针对较大的焊盘尺寸和间距进行设计,但在现代微波组件中，焊盘尺寸已经缩小至几十微米，间距也大大减小。这种细间距小尺寸的焊盘设计，使得金丝键合过程中极易出现焊点偏移、短路等问题，严重影响了产品的性能和可靠性。

细间距小尺寸焊盘的球焊键合工艺控制要点在于对劈刀结构进行了改进，使其更适应于细间距小尺寸的焊盘键合。通过优化劈刀的形状、材料和尺寸，我们成功降低了键合过程中的金丝偏移和断裂风险。传统的焊线模式往往难以适应细间距小尺寸焊盘的需求，容易导致焊点间的短路。因此，我们开发了一种新的焊线模式，通过精确控制金丝的走向和弯曲度，实现了焊点的精准定位，有效避免了短路问题的发生。通过调整键合温度、压力、时间等参数，我们找到了最适合细间距小尺寸焊盘的键合条件，提高了键合的可靠性和稳定性。采用这些优化方法后，我们成功实现了细间距小尺寸焊盘的自动球焊键合。在实际应用中，焊接的可靠性和稳定性得到了很大的提高，不仅满足了产品设计的要求，还提升了微波组件的整体性能。

金丝键合是连接芯片与外界电路或元器件的关键环节，它的核心目的是确保芯片上的输入输出端口能够与外界顺畅地传递信号。而球焊键合，作为一种常见的金丝键合方式，通过特定的工艺步骤实现这一连接。在球焊键合过程中，利用打火杆产生的瞬时电压，将金丝的尾端烧制成一个规则的空气自由球。这个球状结构将作为后续焊接的起点。劈刀会下移至一焊点焊盘的位置，并施加压力和超声能量。这些力量会促使空气自由球与焊盘表面的金属层紧密接触，通过摩擦去除表面的污染物和氧化层，进而在原子层面形成稳定的连接，完成一焊点的键合。

劈刀会按照预设的轨迹移动，使金丝在空中形成特定的角度和形状，也就是线弧。之后，金丝会被拉伸到第二个焊点位置，再次利用超声和压力完成二焊点的键合。完成二焊点后，劈刀会进行截尾焊，将金丝在二焊点处截断。最后，劈刀抬起，线夹闭合，为下一次的烧球操作做好准备。至此，整个金丝的键合过程便告完成。整个球焊键合过程中，超声能量、键合压力等参数都是可以通过设备进行精确调控的。这些参数相互协作，共同影响着最终的键合效果。因此，在实际操作中，我们需要根据具体的工艺要求和材料特性，合理设置和调整这些参数，以确保键合的质量和稳定性。

在微波组件制造中，“打火杆烧球”是一个至关重要的阶段，金丝的根部由于尖端放电现象，会产生极高的局部温度，使金丝的尖端部分达到熔融状态。此时，熔融的金丝在重力和表面张力的共同影响下，逐渐形成一个空气自由球。这个自由球，通常呈现为标准的圆球形，为后续键合过程提供了基础。进入“键合—焊点”阶段，这个空气自由球在劈刀的作用下被压扁，形状发生变化，其尺寸也会相应增大。通常，一焊点的尺寸会达到金丝直径的2.5到3.0倍。例如，使用25 μm的金丝时，焊点尺寸会达到约70到80 μm。为确保键合的可靠性和稳定性，焊盘的设计尺寸通常会大于这个数值，通常要大于100 μm。

随着现代芯片功能的不断集成和运算能力的提升，焊盘的设计尺寸也在逐渐减小。例如，本文所讨论的芯片焊盘尺寸仅为55 μm，而相邻焊盘之间的间距更是缩小到只有15 μm。这种设计上的变化，对金丝球焊键合过程提出了新的挑战。当焊盘尺寸和间距如此小时，金丝球焊键合过程中可能会出现多种缺陷。由于焊盘尺寸的限制，金丝球的大小必须严格控制，否则焊点可能会超出焊盘范围，导致短路。焊点的大小是由打火过程中的电流、电压和时间等参数决定的。如果打火参数设置不当，金丝获得的热量不足，熔融量不够，形成的金球可能会偏置，导致焊点位置不准确，进一步增加了短路的风险。

此外，劈刀在键合过程中的使用也带来了新的问题。劈刀本身具有一定的宽度，当焊盘间距过小时，劈刀在压扁金丝球的过程中可能会不小心压到相邻焊盘上的焊点，导致金丝受损。这种情况在本文所讨论的芯片中尤为突出，因为相邻焊盘的间距仅有15 μm，远小于普通劈刀底部宽度的一半。为了克服这些挑战，针对细间距小尺寸焊盘金丝键合问题，通过优化关键设备参数和工艺参数，实现了高精度、高可靠性的自动球焊键合试验。试验过程中采用了纯度高于99.99%的金丝，以确保键合的质量和稳定性。通过这一系列的优化措施，我们成功地解决了细间距小尺寸焊盘金丝键合过程中的难题，为微波组件的制造提供了更加可靠和高效的解决方案。

金丝直径不仅关系到FAB的尺寸范围，还直接影响到金丝与焊盘之间的连接质量和稳定性。在金丝键合工艺中，对25μm直径的金丝进行了烧球参数优化试验，尽管在一定范围内调整打火电流和打火时间可以控制FAB的尺寸，但获得的FAB球型并不总是规整，特别是当打火电流或打火时间较小时，FAB与金丝容易出现不同轴的情况，导致球型不完整、不规则，甚至产生偏头球。因此，对于25μm直径的金丝，单纯通过调节烧球参数难以满足细间距键合对FAB焊球的要求。为了解决这个问题，我们尝试将金丝直径减小至20μm，并重新调整了打火电流和时间。通过试验，我们发现当打火电流控制在30~40mA，打火时间控制在300~400μs时，可以获得工艺稳定且球型完整的FAB，且FAB球的尺寸可以控制在55μm以内。这一结果满足了我们对于细间距键合的要求。

深入分析金丝打火并形成FAB的过程，我们发现打火电流和时间对金丝吸收的热量和凝固过程有着显著影响。打火电流大、时间长时，金丝吸收的热量多，凝固后的FAB球直径增大；而打火电流小、时间短时，金丝内部可能存在未熔化的固态金，导致形核点增多，晶粒生长方向不一致，最终形成的FAB球型不完整、不规则。基于以上分析，确定了适合20μm直径金丝的FAB打火工艺参数：打火电流30mA，打火电压5000V，打火时间400μs。在实际应用中，这些参数使得我们在小尺寸焊盘上的键合结果焊点完整、形状规则，且焊点尺寸小于55μm，焊点一致性较好。这不仅提高了微波组件的制造质量，也提升了其稳定性和可靠性。

劈刀是微波组件制造中球焊键合技术的核心工具，它的选择直接关系到焊点质量和金丝键合的稳定性。在解决焊球尺寸超出焊盘问题时，虽然选择细金丝有助于减小焊球尺寸，但实际操作中，后键合的金丝往往会对已键合的金丝产生干扰，这通常是由于劈刀尺寸选择不当所致。劈刀在球焊键合过程中起着至关重要的作用。它不仅要与芯片焊盘进行接触并完成热压超声，还要带动金丝形成所需的线弧并切断线尾。因此，劈刀的材质、尺寸和形状都会影响键合的效果。在选择劈刀时，首先要考虑其材质，氧化铝陶瓷劈刀因其高硬度、易加工和低成本等优点，成为大多数球焊键合场景的首选。在选择劈刀尺寸时，我们需要考虑多个参数，如劈刀内径、内切角直径和尖端直径等。这些参数的选择将直接影响焊点的质量和金丝的稳定性，例如，劈刀的内径应根据金丝的线径来确定，以确保金丝能够顺利穿过劈刀并完成键合。内切角直径则需要根据压扁后的焊球直径和焊盘尺寸来确定，以确保焊球能够完全覆盖焊盘并形成良好的键合。

在本案例中，我们针对产品特性和金丝键合的需求，选择了三款不同尺寸的劈刀进行试验。通过对比不同劈刀下的键合结果，我们可以发现劈刀尺寸对金丝键合的稳定性和焊点质量有着显著的影响。选择合适的劈刀尺寸，不仅可以减少金丝之间的干扰，还可以提高焊点的可靠性和一致性。

金丝键合在微波组件制造中，利用Dage 4000拉力测试仪对金丝键合进行了深入研究。在试验过程中，我们特别关注了劈刀尖端直径对键合效果的影响。通过对比不同直径的劈刀，我们发现C型号劈刀（尖端直径80 μm）表现最为出色。使用这种劈刀时，相邻焊点清晰完整，焊线之间互不干扰，且拉力值均在理想范围内。相反，当劈刀尖端直径较大时，相邻焊点会受到劈刀的压迫，导致焊线弯曲变形，先键合的焊线拉力值也相对较低，这说明焊线在键合过程中已经受损，其可靠性自然难以保证。

在优化焊线模式的过程中，我们选择了20 μm的金丝和相应的细间距劈刀。尽管这种配置有效避免了焊球超出焊盘以及劈刀对焊线的干扰和损伤，但在实际键合过程中，我们仍然遇到了金丝塌陷或弯曲的问题。经过深入分析，我们发现这主要是由于金丝线弧的垂直稳定性不佳。当金丝所在平面与地面不垂直时，塌陷的金丝会阻碍相邻金丝的键合，导致后续金丝无法继续键合。为了解决这个问题，对比了BSOB和BBOS两种焊线模式。BSOB模式在键合过程中会在二焊点位置预置一个金球，导致焊线与底面不垂直，工艺稳定性较低。而BBOS模式则在键合完成后在二焊点位置再次植球，这样不仅提高了金丝的结合力，还降低了虚焊的风险。实际测试结果表明，采用BBOS模式进行金丝键合时，金丝的垂直程度更高，无弯曲现象发生，且拉力测试的平均值高于BSOB模式，数据分布也更加均匀。

在金丝键合工艺中，针对20微米金丝的处理显得尤为关键。为了确保键合过程的高效与稳定，我们不仅对金丝线径和劈刀尺寸进行了细致的优化，还深入研究了焊线模式的影响。在此基础上，我们进一步聚焦于几个对键合过程至关重要的参数：超声能量、键合压力以及键合时间。通过控制变量法，逐一调整这些参数，并观察金丝键合后的效果。具体而言，我们选取了20根金丝作为每组实验的样本，测量了金丝键合后的拉力值以及一焊点的尺寸。这样做是为了更准确地把握每个参数变化对键合效果的影响。

实验结果显示，超声能量和键合压力对金丝的拉力值和焊点尺寸有着显著的影响。当超声能量和键合压力增大时，金丝的拉力值会明显提升，这意味着键合更为牢固。然而，如果这两个参数过大，焊点尺寸可能会超出焊盘的承受范围，导致键合失败。相反，如果减小超声能量和键合压力，金丝的拉力值和焊点尺寸会相应减小，但过小的参数可能会导致金丝拉力不足，影响键合的可靠性，甚至影响到线弧的稳定性。经过多次实验与验证，找到了一个平衡点：当超声能量设置为110毫瓦，键合压力为0.25牛顿，键合时间为20毫秒时，我们能够实现芯片焊盘尺寸小、线弧稳定且键合拉力值较高的理想效果。