异质材料金丝键合断裂故障分析

2019年9月电子工艺技术

Electronics Process Technology

第40卷第5期

253

摘　要：金丝互联技术是微波组件射频互联的关键手段，金丝键合质量直接影响微波组件的可靠性和微波特性。针对某产品金丝断裂现象进行分析，给出了异质材料金丝弧高对产品微波组件可靠性的影响，采用仿真优化及可靠性试验，提出了异质材料金丝弧高要求，提高了产品可靠性。

关键词：金丝互联；微波组件；异质材料

中图分类号：ＴＮ６０５　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１－３４７４（２０１９）０５－０２５３－０４

Abstract: Gold wire bonding is a key means in the RF interconnection of microwave modules. The quality of gold wire bonding directly affects the reliability and microwave characteristics of microwave modules. The disconnection of the gold wire in a product is analyzed, and the impacts of the loop height of bonding wires is given on the reliability of the microwave modules. By the simulation optimization and reliability test, the requirement of the loop height of gold wire of different materials is given so as to improve the reliability of products.

Key Words: wire bonding; microwave module; different materials Document Code: A Article ID: 1001-3474 (2019) 05-0253-04

异质材料金丝键合断裂故障分析

Analysis on Gold Wire Bonding Fracture of Different Materials

卢宏超１，王恩浩２，黄巍１

LU Hongchao 1, WANG Enhao 2, HUANG Wei 1

（１　陆军装备部驻重庆地区军事代表局驻成都地区第二军事代表室，四川　成都　６１００３６；２　陆军装备部驻重庆地区军事代表局驻昆明地区第二军事代表室，四川　成都　６１００３６）

卢宏超（１９８３－　），硕士，毕业于中国科学技术大学，工程师，主要从事信号处理、电子及光电技术应用及方法研究。

( 1 The 2nd Military Representative Offi ce in Chengdu of the Military Representative Bureau in Chongqing

of the Army Equipment Department 2, Chengdu 610036, China;

2 The 2nd Military Representative Offi ce in Kunming of the Military Representative Bureau in Chongqing

of the Army Equipment Department 2, Chengdu 610036, China )金丝键合工艺具有可靠性高、柔韧性好和互联密度高等特点[1]。其原理为：使用热、压力、超声波能量将键合引线与金属焊盘紧密焊合（原子量级键合），用于实现芯片间、芯片与封装体间的信号传输。常用的引线键合方法主要有热压焊、超声波焊和超声热压焊等[2]。随着微波和毫米波子系统的快速发展，射频互联对于模块的电性能影响越来越大，并且这种影响随着频率的提高会越来越明显。高频

段的金丝互联要求也越来越高。由于互联的金丝寄生电感，键合丝的弧高和跨距对模块的微波特性和一致性具有很大影响[3]。

本文主要讨论微波组件中异质材料金丝互联弧高对组件可靠性的影响。主要通过异质材料的金丝键合热仿真及相关试验给出可伐盒体和覆铜基板异质材料跨接金丝弧高要求及检验方法。

ｄｏｉ：　１０．１４１７６／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－３４７４．２０１９．０５．００２

2019年9月

电子工艺技术

Electronics Process Technology

254１　故障现象

将装配好管芯的覆铜基板微模块采用螺钉固定在可伐盒体上，覆铜基板模块传输线和可伐盒体上软基材间采用金丝级联，产品结构如图1所示。产品在20次温冲后出现输出增益降低30 dB左右，在显微镜下观察（放大25倍），可见一处软基材和覆铜基板处级联处金丝断裂，如图2所示。

图１ 产品结构示意图

图２ 级联金丝断裂

图３ 异质材料级联金丝焊点断裂故障树

２　故障定位

针对金丝焊接后焊点根部断裂的现象进行故障分析，级联金丝跨接在覆铜基板和可伐盒体的软基材上，属于异质材料金丝级联。故障树如图3所示。

２．１　焊点弧高过低

故障的金丝焊接在复合基板和可伐盒体间。由于复合基板的热膨胀系数为16×10-6 ℃-1，可伐盒体热膨胀系数为5.5×10-6 ℃-1，在温度变化时会存在热应力，且温度差越大，热应力越大。温度冲击过程中两种材料间的热应力不断作用在金丝上，低温下金丝被拉伸。当金丝弧高较低，金丝可能会存在被拉直的风险，且热应力会导致金丝被拉断。焊点根部为金丝焊点薄弱点，金丝在焊点根部断裂。

采用镊子恢复故障断裂金丝形貌，显微镜测试故障金丝弧高13~20 μm，其他正常焊接的金丝共测试20根，弧高在50~94 μm之间，故金丝弧高过低导致故障不能排除。２．２　金丝问题

组件使用的某公司的金丝，纯度为99.999%，金丝延展率符合标准，是微波组装常用耗材。故障产品金丝焊接拉力测试值见表1，金丝焊接满足所标金丝拉力值要求。采用200倍显微镜观察组件中其他焊接金丝，金丝光滑，表面无损伤。同时金丝大量

用于各种型号微波产品，未出现批次性金丝质量问题，故排除此类故障原因。

表１ 故障件金丝拉力测试值

图４ 故障区域焊点变形

图５ Ａ区焊点变形

图６ Ｂ区焊点变形焊点拉力Ｆ／×１０－２　Ｎ

１７．０３６２８．１４４３７．４１８４７．６２０５８．８３３６８．０２３７７．９１５８８．１５０９９．３２３１０７．２８７１１７．５２２１２７．９４８

１３ １０．０９４

１４８．９９５１５９．９８８１６

９．３５０

２．３　焊接参数不当

组件金丝焊接采用超声热压焊工艺，若焊接参数不当，导致焊点变形过大，会影响金丝焊点可靠性。该组件共5处异质材料金丝级联，故障件采用测量显微镜放大500倍，观察级联处故障焊点及其余A、B区域级联金丝焊点形貌，形貌如图4、图5和图6所示，各区域焊点形变量见表2。

按照微组装检验规范，金丝楔形焊变形要求，故障件金丝焊点变形符合检验规范要求，同时复查

表２ 各区域焊点变形量测试位置

故障焊点－１故障焊点－２故障焊点－３焊点宽度ｂ／μｍ

３５．１６３９．２７３６．５３位置

Ａ－１Ａ－２Ａ－３焊点宽度ｂ／μｍ

３８．２４４０．１４３７．９１位置

Ｂ－１Ｂ－２Ｂ－３焊点宽度ｂ／μｍ

３８．２５

４２．３４

４１．６５