微波組件組裝中，經常出現內引線鍵合系統(tǒng)的缺陷

摘要：微波組件組裝中，經常出現內引線鍵合系統(tǒng)的缺陷。一些缺陷在某種條件下可導致產品失效。研究了內引線鍵合的缺陷和失效問題，分辯其失效模式和失效機理，確定其最終的失效原因，提出了改進設計和制造工藝的建議。采取有效質量管理措施后，消除了故障隱患，提高了產品可靠性。

隨著現代電子技術的發(fā)展，微波組件的工作頻率越來越高，其在武器裝備中的應用范圍越來越廣。微波組件的有源部分通常由單個或多個管芯、封裝器件、單片電路以及它們的組合組成，無源部分通常由電阻、電容、電感、環(huán)行器、隔離器、分布式傳輸線、接插件等各種元器件以及做成傳輸線的電路基板組成。

金絲鍵合系統(tǒng)廣泛應用于微波組件的制造工藝中。芯片與芯片、芯片與微帶線、微帶線與微帶線、接插件與微帶線之間經常采用鍵合金絲的方式進行電氣連接。因組件的體積較小，生產數量少、品種多、結構復雜，金絲鍵合多采用人工操作方式進行。金絲鍵合的質量直接決定微波多芯片組件的可靠性、穩(wěn)定性及電性能。鍵合質量受引線材料、鍵合區(qū)鍍層質量、鍵合工藝參數等多方面的影響[1]。

以上照片射頻百花潭單獨供圖，僅供學習

由于芯片、接插件、電路基板品種繁多，導致鍵合區(qū)域差異較大，經手工裝聯(lián)后的裸芯片及鍵合系統(tǒng)，在后續(xù)的測試調試、環(huán)境適應性試驗中，經常出現因熱應力或機械應力損傷而導致鍵合系統(tǒng)出現缺陷，甚至失效。鍵合系統(tǒng)缺陷在某種條件下可導致組件失效。一種失效模式可能是由一種缺陷，也可能是由幾種缺陷在某種條件下導致。了解失效發(fā)生的機理，才能有效地預防失效的發(fā)生。通過分析研制過程中的缺陷和失效問題，分辯其失效模式和失效機理，確定其最終的失效原因，提出改進設計和制造工藝的建議，采取有效質量管理措施，消除故障隱患，使產品質量穩(wěn)定可靠[2]。

1 失效模式1.1 金帶開路失效組件中元器件的種類繁多，金帶常需鍵合在性能差異較大的板材上。根據不同的材料應選取相應的鍵合參數，鍵合參數選用不當，鍵合部位將存在缺陷，在機械應力作用下可產生失效。用金帶將陶瓷濾波器上的微帶線與FR4介質板上微波線連接起來，故障點在陶瓷片一端，如圖1所示。金帶鍵合頸部的斷裂，使電氣連接呈現時斷時續(xù)的狀態(tài)，而導致組件失效。

圖1金帶頸部斷裂

1.2 金絲短路失效芯片安裝方向偏差導致鍵合金線過長、交叉，如圖2所示。交叉絲短路失效。

圖2金絲交叉

介質板上的鍵合點與芯片上的鍵合區(qū)位置沒有做到按順序一一對應，如圖3所示，相鄰金絲短路失效。

圖3金絲過長

1.3 金絲損傷生產過程中，常出現金絲倒伏、變形、扭曲、裂口及擦痕等機械損傷。

圖4所示為金絲本體損傷。在200～500倍顯微鏡下觀察，發(fā)現金絲拱弧表面有損傷，不光滑，比較毛糙。在某種狀態(tài)下，微帶線連接點金絲將開路失效。

1.4 金絲鍵合拉力偏小按照工藝規(guī)范操作，形貌符合檢驗可接受標準

圖4金絲拉毛受損

的金絲，偶爾有部分鍵合強度不合格，即拉力數值偏小。該缺陷不易被發(fā)現，長期使用后易導致鍵合點的脫鍵，其對產品的危害較大。鍵合部位不潔、金鍍層不合格是引發(fā)該故障的主要因素。

1.5 金絲鍵合可靠性差金絲鍵合于鍍金層的下層金屬上，如圖5所示。失去鍍金層保護的底層金屬在高溫高濕等條件下易受到氧化、腐蝕，鍵合于該處的金絲易發(fā)生開路失效。

圖5金絲鍵合于鍍金層的底層金屬上

1.6 廢棄的金絲存在于組件內導致電性能失效

生產或返修過程中常需將原來不合格的金絲去除，重新鍵合合格的金絲。更換下來的金絲若遺棄于組件內，有可能導致組件短路失效。圖6所示為廢棄的金絲存在于殼體內側安裝輸出端絕緣子的孔隙中，有時導致絕緣子內導體與殼體短路，從而引起電性能失效。

圖6絕緣子安裝孔中有廢棄的金絲

2 故障原因分析2.1 金帶鍵合根部失效觀察發(fā)生故障的部位（如圖1所示），發(fā)現介質板表面低于陶瓷板表面，導致金帶的兩鍵合點不在同一水平面內，且落差較大。金帶在陶瓷板端無向上的弧度，而貼近陶瓷片表面，在其邊沿處折彎通向介質板，且故障部位的鍵合點頸部變形較大。金帶彎曲弧度過小，且與器件邊緣接觸，在溫度循環(huán)時，應力不能在金帶上釋放，而集中到鍵合頸部，而鍵合頸部過薄，其能承受的機械強度下降，導致其撕裂，出現開路失效。

2.2 金絲短路失效芯片安裝方向偏差導致鍵合金線的過長、交叉（如圖2所示）。鍵合引線長度過長、交叉的危害為：隨著鍵合引線長度的增加，質量也增加了，在振動、沖擊的環(huán)境下，引線的受力增加，這樣頸縮點的受力增加，因此斷裂的可能性增加，可靠性降低；鍵合引線長度過長使該引線更容易變形，變形后和其他不相連金屬化層短路的可能性也大大增加；不同引線間的交叉，上面的引線在塌絲的情況下就會造成交叉引線的短路，從而降低器件的可靠性[3]。電路板設計時，未將微帶鍵合點布置到芯片左側，就近與芯片上鍵合區(qū)一一對應，而是如圖3所示金絲過長。導致自左向右的鍵合金絲越來越長，且間距越來越小。設計PCB時應使鍵合金絲應盡可能短，長度應控制在金絲直徑的100倍以內。金絲間間距應不小于2倍的金絲直徑，長度越大，間距應相應增大。長金絲應避免跨接于裸露的金屬化線之上。其存在的隱患為：相鄰長金絲間易短路；長金絲易變形與其下方的金屬化線或微帶線短路；金絲鍵合部位的頸部易斷裂，導致失效。

2.3 金絲損傷在200～500倍顯微鏡下觀察故障點連接絲，可以發(fā)現金絲拱弧表面有損傷，不光滑，比較毛糙，如圖4所示。在低溫狀態(tài)下，發(fā)現端口處微帶線連接點金絲開路。

該產品選用的鍵合方式是手動金絲球鍵合，鍵合選用陶瓷劈刀。在這種工藝中，一個融化的金絲球粘在需連接的一條鍍金微帶線的端頭上。壓下后形成第一個鍵合點，然后從第一個鍵合點抽出彎曲的金絲在另一條鍍金微帶線的端頭以月牙鍵合形成第二個鍵合點。鍵合劈刀內部的構造決定了焊球的大小、直徑及高度，劈刀的好壞直接決定了鍵合的質量。鍵合過程中金絲在劈刀中產生相對運動，劈刀必須提供足夠的空間讓金絲無阻礙地通過。若使用時間過長，劈刀受損，金絲受到機械損傷，機械強度下降易斷裂。

2.4 金絲鍵合拉力偏小某組件電路板上裝配工藝較為復雜，既有貼片元件、手工焊接元器件又有芯片燒結及金絲鍵合工藝。該組件經環(huán)境應力篩選后，電性能測試發(fā)現指標超差。開蓋目檢，發(fā)現某芯片與微帶的連接金絲有一根在微帶鍵合點處浮起。隨機選取其余形貌正常的金絲做拉力試驗，結果數值普遍偏小。通過排查，導致故障發(fā)生的原因為：該電路板上微帶線為鍍薄金，厚度為0.01～0.05 μm，而鍵合金絲要求鍍厚金，鍍金層厚度不小于3.0μm。入所檢驗時，鍍薄金電路板默認為無金絲鍵合，不需做鍵合拉力試驗，作為合格品入庫備用。

金絲與微帶鍍金層的鍵合，為熱壓超聲鍥形鍵合。厚金可塑性強，鍵合過程中，金絲與鍵合區(qū)的金接觸面幾乎接近到原子引力的范圍，使表面原始交界面處的金原子相互擴散，使兩者緊密結合成牢固的鍵接。

影響超聲波鍵合的質量因素，主要有金絲的質量、鍵合區(qū)鍍金層的質量、劈刀的平整度及鍵合壓力、鍵合時間、加熱溫度、超聲功率等參數。

2.5 金絲鍵合于鍍金層的下層金屬上工藝過程中，因顧慮金層表面沾污導致鍵合強度下降，而試圖刮去受污染的部分，得到潔凈的鍍金層表面，以提高鍵合的可靠性。然而，該操作受人為因素的影響較大，無法保證剩余金層的厚度，甚至暴露底層金屬（銅）。

金絲鍵合于潔凈的鍍金層表面，因沒有界面腐蝕、金屬間化合物形成等問題，可靠性非常好。金絲鍵合于潔凈的銅表面上，將會產生金屬間化合物，導致鍵合強度下降。銅在空氣中非常容易氧化，表面形成一層氧化膜，可鍵合性及導電性將變差，在潮濕、加電的情況下，易形成電化學腐蝕，導致脫鍵。

2.6 組件內存在多余的金絲某組件在測試時，發(fā)現輸出功率有時正常，有時比正常值低30 dB左右。經排查原因是：一根廢棄的金絲存在于殼體內側安裝輸出端絕緣子的孔隙中，有時導致絕緣子內導體與殼體短路，從而使輸出功率下降。微波組件中，大量的鍵合金絲用于器件間作為信息交換的橋梁。人工鍵合的一致性較差，質量易受到人為因素的影響。有時金絲上會存在有裂口、彎曲、割口、卷曲、刻痕或頸縮等缺陷，或后續(xù)工序中受外力后，倒伏、變形。剔除不合格的金絲，重新鍵合金絲在工藝過程中常常發(fā)生。由于剔除的金絲尺寸小，而組件內部元器件密度高縫隙多，尋找失落的金絲很困難。多余的金絲存在于組件內部，當長度大于裸露的金屬間距時，可使兩引線、金屬化層與引線、各功能電路元件或者以上各部分之間橋接，可使產品性能劣化或失效。污染、殘留助焊劑等，在某種條件下引起電遷移、電化學腐蝕、樹枝狀晶體生長，可導致器件性能劣化，甚至失效。

微波組件中電路間距小、元件密度高、廣泛使用裸芯片，工藝制造過程較復雜。事后對多余物的清理是一項費時費力，且不易達到目標的工作，多余物的控制應貫穿于產品設計制造的各個階段。

3 預防措施3.1 電路設計設計電路板時，應充分考慮工藝可操作性和產品使用的可靠性。鍵合系統(tǒng)中，金絲的長度、金絲是否交叉與電路板的設計有直接的關系。PCB設計時，應充分考慮芯片的方位，芯片上的鍵合點與PCB上的鍵合點間距盡可能的短，且按順序一一對應。

合理的PCB設計將使工藝操作人員很容易做出合格產品，生產效率及可靠性將大大提高。

3.2 工藝設計工藝設計師應與電路設計師密切配合，及時給予合理的建議，幫助其完善產品工藝設計，避免生產過程中出現難以操作的工序。盡量保持兩鍵合點處于同一水平面，焊接點遠離芯片和鍵合點，或工序設計時將鍵合置于焊接之后，以減小工藝操作難度和工序之間的相互影響，提高產品質量和生產效率。

3.3 設備管理超聲鍥形鍵合的質量與超聲功率、溫度、壓力及鍵合時間密切相關，調整好四個參數的關系是保證鍵合質量的必要條件。通過鍵合拉力測試，選取鍵合形貌滿足要求、拉力測試合格的參數，由操作者使用相同設備對產品進行生產，可有效保證產品的合格率。使用的鍵合設備應在計量有效期內。當過程檢驗發(fā)現金絲出現批次性質量問題時，應排查鍵合設備是否出現故障。操作者應關注設備運行狀況，發(fā)現異常立即停止操作，及時向有關人員匯報，及時追查用此設備生產的所有產品，采取有效措施，直到可確保產品無故障隱患存在。設備恢復正常，方可繼續(xù)使用。

鍵合過程中所用的劈刀狀態(tài)不佳，磨損嚴重，劈刀端面的平整度、芯片燒結后的水平偏斜度，也會影響鍵合點的工藝質量。

3.4 外協(xié)產品管理

對需要鍵合金絲的外購外協(xié)件加強質量管理。對需鍵合金絲的介質板，與外協(xié)單位簽訂技術協(xié)議，明確微帶線的鍍金層質量要求。必要時下廠監(jiān)制。入所檢驗，首先檢查其質量證明文件應滿足協(xié)議要求，再抽取適量的介質板鍵合金絲，做鍵合拉力試驗，合格后入庫備用。對提供需要鍵合的元器件原材料的合格供應商名錄采取動態(tài)管理，監(jiān)督合格供應商的質量管理體系。檢查生產廠家的質量控制措施是否滿足鍵合工藝的要求。必要時，抽取元器件進行DPA分析，以確認其使用材料及工藝質量是否滿足鍵合要求。

3.5 過程控制金絲鍵合過程中，選用的鍵合參數將直接決定鍵合系統(tǒng)的質量。選擇合適的加熱溫度，有利于鍵合的快速完成，并提高鍵合點的機械強度。但加熱過高，鍵合過程中可導致某些芯片焊接材料重熔。超聲功率過大，金絲變形過大，鍵合點機械強度下降。另外，超聲功率過大使得鍵合強度被破壞，造成過鍵合，不利于鍵合強度的提高[4]。超聲功率過小，起不到應有的效果，鍵合不牢。鍵合壓力過小，不能牢固地壓住金絲，鍵合不牢。鍵合壓力過大，金絲變形過多，頸部易斷，甚至破壞芯片的鍵合區(qū)。鍵合時間太短，不能有效完成鍵合。時間太長，鍵合的變形過多機械強度下降。因此，應根據不同的鍵合條件，在工藝規(guī)范中選取適當的鍵合參數，按照工藝流程操作。每批產品均進行首件檢驗，目檢形貌后測試鍵合拉力，兩項都符合要求時，方可進行批生產，并在產品隨行文件上及時紀錄相關數據。

潔凈的鍵合區(qū)，有利于金絲與鍵合區(qū)鍍金層的金原子相互擴散，形成牢固的鍵接。在受到污染的鍵合區(qū)上鍵合的金絲，隨著時間的推移，機械強度下降，易發(fā)生脫鍵。工作環(huán)境及工藝紀律符合相關潔凈廠房管理要求。合理安排工序，避免清洗后的待鍵合區(qū)受到污染，保證其潔凈，選擇合適的參數可有效保證鍵合系統(tǒng)的質量。

金絲鍵合是微波組件中最關鍵的工序。為保證產品質量實行定崗、定員、定設備的“三定”原則及執(zhí)行自檢、互檢及專檢的“三檢”制度。

3.6 操作人員培訓人工鍵合與機器自動鍵合相比一致性較差，鍵合質量容易受到人為因素的影響，因此加強對操作人員培訓尤為重要。操作人員應熟練掌握鍵合設備的使用方法、工藝操作規(guī)范，嚴格遵守工藝紀律，嚴禁無證上崗。組織操作人員進行業(yè)務培訓，掌握《微電子試驗方法和程序》中有關內容。鍵合后應使用放大30～60倍（必要時100～200倍）帶垂直光源的立體光學顯微鏡傾斜適當的角度進行檢查，金絲形貌必須滿足GJB548B-2005方法2010.1中3.2.1、方法2012.1中3.11.2.2 f項及方法2017.1中3.1.5的要求。發(fā)現問題及時匯報，質量管理人員組織相關人員分析出現問題的原因，采取糾正措施。經審核試驗驗證的措施應補充完善到工藝操作規(guī)范中。根據工藝規(guī)范選取適當的鍵合參數，按照工藝流程操作，并在產品隨行文件上及時紀錄。發(fā)現問題及時匯報，嚴禁私自處理。

組織操作人員進行業(yè)務交流。通過對典型不合格案例的講解，闡明導致的原因、改進措施及對產品可靠性的危害，促進操作人員的業(yè)務水平及質量意識的提高。

3.7 質量管理

細化完善技術、質量、工藝、裝配、調試和檢驗等各類人員責任制。質量管理重在全過程控制，質量人員應將主要精力由質量問題處理轉移到預防為主的過程控制上，避免出現質量問題。切實做好生產現場操作人員的培訓和管理工作，在精細化管理上下功夫，推進操作人員崗位技能提升，使人員能力與崗位要求相匹配。推進常態(tài)化、標準化、規(guī)范化的操作要點、檢驗要點等作業(yè)步驟，通過規(guī)范崗位操作，確保產品質量穩(wěn)定受控。質量管理人員負責收集信息，組織相關人員分析原因，采取糾正措施，并審核經驗證的措施應落實到相關的設計文件和工藝文件中。質量師組織檢查類似問題在其他產品中是否存在，是否采取相應的糾正措施。研制過程中，加強過程管理，變以往的事后補救為事前預防，金絲鍵合質量有顯著提高：產品篩選過程中未發(fā)生因金絲鍵合質量而導致的失效，交付產品也無因金絲鍵合質量而導致失效返修。

4 結束語金絲鍵合工藝在微波組件中廣泛使用，鍵合系統(tǒng)的失效在組件的失效中占有的比例相當大，約占1/3。其中部分失效需要經過較長的時間才能暴露出來，給使用方帶來較大的危害，返工成本相應增大。加強全體人員產品質量培訓，對產品質量高度重視，才能對提高產品質量起到長效作用。產品質量是設計進去，制造出來的，只有加強設計人員、操作人員的能力培訓，認真總結經驗教訓，形成設計準則及操作規(guī)范并貫徹實施，才能從源頭保證產品的可靠性。