微组装技术中的金丝键合工艺研究
２０１３年８月第３６卷第４期
舰船电子对抗
ＳＨＩＰＢＯＡＲＤＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣｃｏｕＮＴＥＲＭＥＡｓｕＲＥ
Ａｕｇ．２０１３
Ｖ０１．３６Ｎｏ．４
微组装技术中的金丝键合工艺研究
孙瑞婷
（船舶重工集团公司７２３所，扬州２２５００１）
摘要：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因素进行了分析，并通过设计实验方案对２５扯ｍ金丝进行键合实验。对键合金丝进行拉力
测试，测量结果全部符合军标ＧＪＢ５４８Ｂ－２００５要求。根据测量结果寻求最佳键合参数，对实际生产具有一定的指导意义。
关键词：微组装技术；金丝键合；参数提取中图分类号：ＴＮ６０５ＲｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｏＧｏｌｄ
文献标识码：Ｂ
文章编号：ＣＮ３２—１４１３（２０１３）０４—０１１６—０５
Ｗｉｒｅ
ＢｏｎｄｉｎｇＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｎ
ＳＵＮＲｕｉ—ｔｉｎｇ
Ｍｉｃｒｏ－ａｓｓｅｍｂｌｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
（Ｔｈｅ７２３ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣＳＩＣ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ２２５００１・Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｏｌｄｗｉｒｅｂｏｎｄｉｎｇｉｓ
ａ
ｋｅｙｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｉｎｍｉｃｒｏ—ａｓｓｅｍｂｌｙｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ａｎｄｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ
ａｒｅ
ａｎｄｍｉｃｒｏｗａｖｅｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｍｉｃｒｏｗａｖｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｄｉｒｅｃｔｌｙａｆｆｅｃｔｅｄｂｙｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｇｏｌｄｗｉｒｅ
ｂｏｎｄｉｎｇ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｓｏｆｇｏｌｄｗｉｒｅｂｏｎｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ａｎｄｐｅｒｆｏｒｍｓｂｏｎｄｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ
ｔｏ
２５ｕｍｇｏｌｄｗｉｒｅｔｈｒｏｕｇｈｄｅｓｉｇｎｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｐｒｏｊｅｃｔ．Ｐｕｌｌｓｔｒｅｎｇｔｈ
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ｂｏｎｄｉｎｇｗｉｒｅｉｓｐｅｒｆｏｒｍｅｄ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓａｃｃｏｒｄｗｉｔｈｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｍｉｌｉｔａｒｙｓｔａｎｄａｒｄＧＪＢ
ｔｏ
５４８Ｂ一２００５．Ｓｅｅｋｉｎｇｔｈｅｂｅｓｔｂｏｎｄｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｔｈｅａｃｔｕａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．
ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｈａｓｃｅｒｔａｉｎ
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ—ａｓｓｅｍｂｌｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｇｏｌｄｗｉｒｅｂｏｎｄｉｎｇ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ
０
士
丘
不同能量于接头处，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距离。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，是微组装技术的重要进步。而裸芯片中的键合互连便是组装ＭＣＭ的关键技术。
丝键合或点焊到裸芯片与基板的相应焊盘位置上。随着应用需求的不断提高，现在铝丝键合的应用越来越少，金丝键合已成为微组装技术中的关键工艺。热超声键合是超声波键合的一种变化，即再外加一合适合１８～１００ｂｔｍ的金丝。本文中选用２５弘ｍ热超声键合方式。
微组装技术具有微型化、高集成、高可靠性的特点，采用微组装技术的微波组件，比一般分离器件电路重量轻１０～２０倍，体积小４～６倍，性能和无故障时间成倍提升。微组装一般包含清洗、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术，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。本文主要针对微波模块、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作用。１
金丝键合简介
键合是通过施加压力、机械振动、电能或热能等
收稿日期：２０１３—０４—０８
第４期
孙瑞婷：微组装技术中的金丝键合工艺研究
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从键合工具及对引线端部的工艺处理不同可将Ｂｏｎｄ）和楔形键合（ＷｅｄｇｅＢｏｎｄ），如图１所示。
球形键台
契形键合
丝、金带、铝丝、铝带等键合，主要分为深腔、非深腔、粗铝、金带／铝带键合等几大类，多为钨钢材料，刀头在一个完整的楔形键合中（如图３），第１键合点的键合强度主要受到劈刀的后倒角（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、线夹打开的宽度等因素的影响。如果ＢＲ太小，则劈刀后倒角区域较锋利，就会导致第１键合点的根部较脆弱，在拉力测试实验中容易在此位置断裂。在完成第１键合点后，劈刀要经过先上升、再向第２键合点方向水平移动，然后下降到第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弯曲，引线受到送线孔后端的摩擦，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键合点的键合强度主要受到前倒角一致性及扯断引线提供一个应力集中点。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合适的劈刀参数。
在实际使用中，当劈刀用过一段时间后，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低，影响键合质量。同时，操作人员使用不当也会缩短劈刀的使用寿命。２．２键合参数
在劈刀到头端部引线与键合表面接触后，键合
图１球形键合与楔形键合
的伸出部分，在表面张力作用下熔融金丝形成球形，球直径一般是线径的２～３倍，紧接着降下劈刀，在适当的压力和定好的时间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，第２焊点，之后扯线使金丝断裂，劈刀升高到合适的高度送线达到要求尾线长度，进入下一键合循环。直径７５“ｍ以下的金丝，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，一般用于焊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，金丝和焊盘金属的广泛应用。本文主要对楔焊键合质量进行研究，故以下论述中的键合方式全部为楔焊，所用工艺设备所示。２
金丝键合质量的影响因素
金丝键合质量的影响因素有劈刀、键合参数、键
机通过劈刀传递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。中的必要条件。压力太小，劈刀不能紧紧地压住引
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
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舰船电子对抗
第３６卷
集成电路对金丝的直径要求也不同，本文中实验采用生产中常用的２５卢ｍ金丝为例对金丝键合质量进行分析。
２．５
其他影响因素
不同的基板材料也会产生不同的键和效果。比
前倒
且该现象是目前国内非常普遍存在的一个问题，关于如何解决在软基板表面键合困难的问题，经常使图３楔形键合劈刀示意图
一个金球进行加固，可以有效地提高焊点质量。
另外Ｗｅｓｔｂｏｎｄ７４７６Ｅ键合机属于手动键合机，键合过程受到一定的人为因素影响，操作人员的技术熟练度、疲劳程度等都可能影响到键合质量，所以实验中所有键合操作全部由同一个操作人员完成，并且使其保证充分的休息。３
线，超声功率的传递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脆弱。超声功率太小则起不到键合的作用。功率太大，引线受到太大的变形使键合点抗拉强度减弱，并且破坏键合面时，键合时间的合理选择也对键合点质量起到关键的作用。因此要得到良好的键合点，必须根据使用引线的直径选择合适的键合参数。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。
另外，镀金层表面的清洁度对键合质量也有较相清洗不可比拟的优势［１］。等离子清洗过程中高能清洗‘２｜。
２．４
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
丝等因素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控制变量，包括压力、超声功率、键合时间和劈刀温度。其中压力根据芯片推荐要求选择２２ｇ。对于实验方法，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［３。４］。
本文在已有经验的基础上对工艺参数进行优化筛选。首先根据经验确定参数的范围边界，最低要求能够得到完整的键合点，最高要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，使用进口２５“ｍ金丝，根据实际应用中最常使用的键合类型制定表１所示实验方案。实验中每组工艺参数都采用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。
表１实验方案
键合类型
方案１方案２方案３
基板一基板芯片一基板
基板板材罗杰斯５８８０罗杰斯５８８０
陶瓷陶瓷
金丝
金丝的质量和直径对键合质量都有影响。金丝的纯度一般为９９．９９％以上，且要求尺寸精确、表面均匀无污染、达到标准的拉断力和延展率。不同的
基板一基板芯片一基板
方案４
第４期孙瑞婷：微组装技术中的金丝键合工艺研究
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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因素造成的不合格焊点，包括焊点尾丝过长、焊点不完整、金丝拱弧过低等情况，对其余键合金丝用Ｗｅｓｔｂｏｎｄ７０ＰＴＥ拉力测试仪进行抗拉强度测试。按照ＧＪＢ５４８Ｂ－２００５中方法２０１１．１对键合金丝进行破坏性键合拉力实验。
得到测试数据后，剔除相对于平均值过高或过低的数据，对剩余的数据取平均值作为每组键合参数的抗拉强度值。实验结果见表２～表５，其中超声功率为键合机转换的步进值，无单位；键合时间单位表２方案１实验结果
序号
第１点第１点第２点第２点拉力测试
超声功率键合时间超声功率键合时间
结果
１１３５
２００
１８０３４０７．８
２１４０２００１８５
３４０７．９３１４５２００１９０
３４０７．１
４１３５２１０１８０３５０７．５
５１４０２１０１８５
３５０７．５
６１４５２１０１９０
３５０７．８７１３５
２２０
１８０３６０７．９
８１４０
２２０１８５３６０
７．６
９１４５２２０
１９０
３６０
７．７１０１３５２３０１９０３５０７．５１１１４０２３０１９５３５０６．８１２
１４５
２３０
２００
３５０
７．１
表３方案２实验结果
序号
第１点第１点第２点第２点
拉力测试
超声功率键合时间
超声功率键合时间
结果
１８０
２００
１８０
３４０５．１２８５２００１８５
３４０７．１３９０２００１９０３４０６．５４８０２１０１８０３５０５．６５８５２１０１８５３５０７．２６９０
２１０１９０３５０６．１７８０
２２０１８０３６０６．４８８５２２０１８５３６０６．７９９０
２２０１９０３６０７．７１０８０
２３０１９０３５０７．４１１８５２３０１９５３５０５．７
１２
９０
２３０
２００
３５０
６．２
表４方案３实验结果
序号
第１点第１点第２点
第２点拉力测试超声功率键合时间超声功率键合时间结果
１８０１８０
１４０２６０５．４２９０１８０
１５０２６０６．３
３
１００
１８０
１６０２６０
８．３
４８０
２００１４０３２０
７．９５９０２００
１５０３２０８．１６１００２００
１６０３２０
７．３７８０２２０１４０３２０６．３８９０２２０１５０３２０７．２
９１００２２０１６０３２０８．６
１０８０２４０１４０３４０５．９１１９０２４０１５０３４０８．５１２
１００
２４０
１６０
３４０
７．７
表５方案４实验结果
序号
第１点第１点
第２点
第２点拉力测试超声功率键合时间超声功率键合时间结果
１
８０２００１４０２６０５．２２
８５
２００
１５０
２６０
６．５
３
９０２００１６０２６０６．９４
８０
２１０１４０３２０５．９５８５
２１０
１５０
３２０７．２６９０
２１０１６０３２０
６．８
７８０
２２０
１４０
３２０
６．４
８８５２２０１５０３２０７．１９９０２２０１６０３２０７．３１０８０
２３０１４０３４０６．５１１
８５
２３０１５０３４０７．３１２
９０
２３０
１６０
３４０
６．４
经验证，以上所有数据结果均满足军标ＧＪＢ
５４８Ｂ－２００５（键合拉力强度最低值３ｇｆ）的要求。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，即该因素对金丝键合质量有较大的影响。在实际装配操作中要根据实验结果采取最优参数组合［５］，从而提高装配的可靠性。
影响金丝键合质量的因素很多，其中超声功率和键合时间是实际设备操作中最直接接触、最直观反应键合效果的因素。对于金丝键合质量的分析，也不仅仅局限于测量键合拉力，还包含焊点宽度的影响、焊点失效性分析、金丝弧度及跨度、键合金丝微波特性等各种分析方法，都需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经验的基础上对键合
１２０
舰船电子对抗
微电子技术，２００３，１４（３）：５３—５７．［２］
第３６卷
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低键合强度。因此在实际生产过程中，要根据实际情况制定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配，这样才可以在节省时间的前提下既得到可靠的装配质量，又可以使产品获得较好的微波特性（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指导意义，可广泛应用于ＭＣＭ组件、Ｔ／Ｒ组件等微波组件中。参考文献
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图６噪声直方图统计
加后进行相关解调，解调后的数据通过串口上传主控计算机，计算机内存储了发送数据，通过对比收发数据进行误码率统计‘６１。
误码率实测的统计曲线和理论曲线如图７所示，可见由ＦＰＧＡ生成的噪声对系统产生的影响和理想噪声产生的影响基本吻合，说明本系统设计的合理性。４
结束语
本文提出的基于ＦＰＧＡ的高斯白噪声发生器，
通过算法优化节约了硬件存储资源，生成速度快。通过理论仿真验证了其特性符合高斯白噪声性质。应用到工程实践中能够满足实际需求，且取得了良好效果。
微组装技术中的金丝键合工艺研究
作者：
作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
孙瑞婷， SUN Rui-ting
船舶重工集团公司723所,扬州,225001舰船电子对抗
Shipboard Electronic Countermeasure2013,36(4)
参考文献(5条)
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本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_jcdzdk201304030.aspx