由于芯片、接插件、電路基板品種繁多，導(dǎo)致鍵合區(qū)域差異較大，經(jīng)手工裝聯(lián)后的裸芯片及鍵合系統(tǒng)，在后續(xù)的測(cè)試調(diào)試、環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)中，經(jīng)常出現(xiàn)因熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力損傷而導(dǎo)致鍵合系統(tǒng)出現(xiàn)缺陷，甚至失效。

 

      鍵合系統(tǒng)缺陷在某種條件下可導(dǎo)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(dǎo)致。了解失效發(fā)生的機(jī)理，才能有效地預(yù)防失效的發(fā)生。

 

      通過(guò)分析研制過(guò)程中的缺陷和失效問(wèn)題，分辨其失效模式和失效機(jī)理，確定其最終的失效原因，提出改進(jìn)設(shè)計(jì)和制造工藝的建議，采取有效質(zhì)量管理措施，消除故障隱患，使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

 

1、失效模式

 

1.1 金帶開(kāi)路失效

 

      組件中元器件的種類(lèi)繁多，金帶常需鍵合在性能差異較大的板材上。根據(jù)不同的材料應(yīng)選取相應(yīng)的鍵合參數(shù)，鍵合參數(shù)選用不當(dāng)，鍵合部位將存在缺陷，在機(jī)械應(yīng)力作用下可產(chǎn)生失效。用金帶將陶瓷濾波器上的微帶線與FR4介質(zhì)板上微波線連接起來(lái)，故障點(diǎn)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(xiàn)時(shí)斷時(shí)續(xù)的狀態(tài)，而導(dǎo)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(dǎo)致鍵合金線過(guò)長(zhǎng)、交叉，如圖2所示。交叉絲短路失效。

 

 

圖2　金絲交叉

 

      介質(zhì)板上的鍵合點(diǎn)與芯片上的鍵合區(qū)位置沒(méi)有做到按順序一一對(duì)應(yīng)，如圖3所示，相鄰金絲短路失效。

 

 

圖3　金絲過(guò)長(zhǎng)

 

1.3 金絲損傷

 

      生產(chǎn)過(guò)程中，常出現(xiàn)金絲倒伏、變形、扭曲、裂口及擦痕等機(jī)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(xiàn)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(diǎn)金絲將開(kāi)路失效。

 

 

圖4　金絲拉毛受損

 

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(yàn)可接受標(biāo)準(zhǔn)的金絲，偶爾有部分鍵合強(qiáng)度不合格，即拉力數(shù)值偏小。該缺陷不易被發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)期使用后易導(dǎo)致鍵合點(diǎn)的脫鍵，其對(duì)產(chǎn)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(hù)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(kāi)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(nèi)導(dǎo)致電性能失效

 

      生產(chǎn)或返修過(guò)程中常需將原來(lái)不合格的金絲去除，重新鍵合合格的金絲。更換下來(lái)的金絲若遺棄于組件內(nèi)，有可能導(dǎo)致組件短路失效。圖6所示為廢棄的金絲存在于殼體內(nèi)側(cè)安裝輸出端絕緣子的孔隙中，有時(shí)導(dǎo)致絕緣子內(nèi)導(dǎo)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、失效原因分析

 

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(xiàn)介質(zhì)板表面低于陶瓷板表面，導(dǎo)致金帶的兩鍵合點(diǎn)不在同一水平面內(nèi)，且落差較大。金帶在陶瓷板端無(wú)向上的弧度，而貼近陶瓷片表面，在其邊沿處折彎通向介質(zhì)板，且故障部位的鍵合點(diǎn)頸部變形較大。

 

      金帶彎曲弧度過(guò)小，且與器件邊緣接觸，在溫度循環(huán)時(shí)，應(yīng)力不能在金帶上釋放，而集中到鍵合頸部，而鍵合頸部過(guò)薄，其能承受的機(jī)械強(qiáng)度下降，導(dǎo)致其撕裂，出現(xiàn)開(kāi)路失效。

 

2.2 金絲短路失效

 

      芯片安裝方向偏差導(dǎo)致鍵合金線的過(guò)長(zhǎng)、交叉（如圖2所示）。鍵合引線長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)、交叉的危害為：隨著鍵合引線長(zhǎng)度的增加，質(zhì)量也增加了，在振動(dòng)、沖擊的環(huán)境下，引線的受力增加，這樣頸縮點(diǎn)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(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)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(huì)造成交叉引線的短路，從而降低器件的可靠性。

 

      電路板設(shè)計(jì)時(shí)，未將微帶鍵合點(diǎn)布置到芯片左側(cè)，就近與芯片上鍵合區(qū)一一對(duì)應(yīng)，而是如圖3所示金絲過(guò)長(zhǎng)。導(dǎo)致自左向右的鍵合金絲越來(lái)越長(zhǎng)，且間距越來(lái)越小。設(shè)計(jì)PCB時(shí)應(yīng)使鍵合金絲應(yīng)盡可能短，長(zhǎng)度應(yīng)控制在金絲直徑的100倍以內(nèi)。金絲間間距應(yīng)不小于2倍的金絲直徑，長(zhǎng)度越大，間距應(yīng)相應(yīng)增大。

 

      長(zhǎng)金絲應(yīng)避免跨接于裸露的金屬化線之上。其存在的隱患為：相鄰長(zhǎng)金絲間易短路；長(zhǎng)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(dǎo)致失效。

 

2.3 金絲損傷

 

      在200～500倍顯微鏡下觀察故障點(diǎn)連接絲，可以發(fā)現(xiàn)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(xiàn)端口處微帶線連接點(diǎn)金絲開(kāi)路。

 

      該產(chǎn)品選用的鍵合方式是手動(dòng)金絲球鍵合，鍵合選用陶瓷劈刀。在這種工藝中，一個(gè)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(gè)鍵合點(diǎn)，然后從第一個(gè)鍵合點(diǎn)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(gè)鍵合點(diǎn)。

 

      鍵合劈刀內(nèi)部的構(gòu)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(zhì)量。鍵合過(guò)程中金絲在劈刀中產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，劈刀必須提供足夠的空間讓金絲無(wú)阻礙地通過(guò)。若使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，劈刀受損，金絲受到機(jī)械損傷，機(jī)械強(qiáng)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(fù)雜，既有貼片元件、手工焊接元器件又有芯片燒結(jié)及金絲鍵合工藝。該組件經(jīng)環(huán)境應(yīng)力篩選后，電性能測(cè)試發(fā)現(xiàn)指標(biāo)超差。

 

      開(kāi)蓋目檢，發(fā)現(xiàn)某芯片與微帶的連接金絲有一根在微帶鍵合點(diǎn)處浮起。隨機(jī)選取其余形貌正常的金絲做拉力試驗(yàn)，結(jié)果數(shù)值普遍偏小。

 

      通過(guò)排查，導(dǎo)致故障發(fā)生的原因?yàn)椋涸撾娐钒迳衔Ь€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(yàn)時(shí)，鍍薄金電路板默認(rèn)為無(wú)金絲鍵合，不需做鍵合拉力試驗(yàn)，作為合格品入庫(kù)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(qiáng)，鍵合過(guò)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(kuò)散，使兩者緊密結(jié)合成牢固的鍵接。

 

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

 

2.5 金絲鍵合于鍍金層的下層金屬上

 

      工藝過(guò)程中，因顧慮金層表面沾污導(dǎo)致鍵合強(qiáng)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(wú)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(méi)有界面腐蝕、金屬間化合物形成等問(wèn)題，可靠性非常好。金絲鍵合于潔凈的銅表面上，將會(huì)產(chǎn)生金屬間化合物，導(dǎo)致鍵合強(qiáng)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(dǎo)電性將變差，在潮濕、加電的情況下，易形成電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致脫鍵。

 

2.6 組件內(nèi)存在多余的金絲

 

      某組件在測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)輸出功率有時(shí)正常，有時(shí)比正常值低30 dB左右。經(jīng)排查原因是：一根廢棄的金絲存在于殼體內(nèi)側(cè)安裝輸出端絕緣子的孔隙中，有時(shí)導(dǎo)致絕緣子內(nèi)導(dǎo)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(zhì)量易受到人為因素的影響。有時(shí)金絲上會(huì)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(guò)程中常常發(fā)生。由于剔除的金絲尺寸小，而組件內(nèi)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(nèi)部，當(dāng)長(zhǎng)度大于裸露的金屬間距時(shí)，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(chǎn)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(xué)腐蝕、樹(shù)枝狀晶體生長(zhǎng)，可導(dǎo)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(guò)程較復(fù)雜。事后對(duì)多余物的清理是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且不易達(dá)到目標(biāo)的工作，多余物的控制應(yīng)貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的各個(gè)階段。

 

3、預(yù)防措施

 

3.1 電路設(shè)計(jì)

 

      設(shè)計(jì)電路板時(shí)，應(yīng)充分考慮工藝可操作性和產(chǎn)品使用的可靠性。鍵合系統(tǒng)中，金絲的長(zhǎng)度、金絲是否交叉與電路板的設(shè)計(jì)有直接的關(guān)系。PCB設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮芯片的方位，芯片上的鍵合點(diǎn)與PCB上的鍵合點(diǎn)間距盡可能的短，且按順序一一對(duì)應(yīng)。

 

      合理的PCB設(shè)計(jì)將使工藝操作人員很容易做出合格產(chǎn)品，生產(chǎn)效率及可靠性將大大提高。

 

3.2 工藝設(shè)計(jì)

 

      工藝設(shè)計(jì)師應(yīng)與電路設(shè)計(jì)師密切配合，及時(shí)給予合理的建議，幫助其完善產(chǎn)品工藝設(shè)計(jì)，避免生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)難以操作的工序。盡量保持兩鍵合點(diǎn)處于同一水平面，焊接點(diǎn)遠(yuǎn)離芯片和鍵合點(diǎn)，或工序設(shè)計(jì)時(shí)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(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

 

3.3 設(shè)備管理

 

      超聲鍥形鍵合的質(zhì)量與超聲功率、溫度、壓力及鍵合時(shí)間密切相關(guān)，調(diào)整好四個(gè)參數(shù)的關(guān)系是保證鍵合質(zhì)量的必要條件。通過(guò)鍵合拉力測(cè)試，選取鍵合形貌滿足要求、拉力測(cè)試合格的參數(shù)，由操作者使用相同設(shè)備對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)，可有效保證產(chǎn)品的合格率。

 

      使用的鍵合設(shè)備應(yīng)在計(jì)量有效期內(nèi)。當(dāng)過(guò)程檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)金絲出現(xiàn)批次性質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，應(yīng)排查鍵合設(shè)備是否出現(xiàn)故障。操作者應(yīng)關(guān)注設(shè)備運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)異常立即停止操作，及時(shí)向有關(guān)人員匯報(bào)，及時(shí)追查用此設(shè)備生產(chǎn)的所有產(chǎn)品，采取有效措施，直到可確保產(chǎn)品無(wú)故障隱患存在。設(shè)備恢復(fù)正常，方可繼續(xù)使用。

 

      鍵合過(guò)程中所用的劈刀狀態(tài)不佳，磨損嚴(yán)重，劈刀端面的平整度、芯片燒結(jié)后的水平偏斜度，也會(huì)影響鍵合點(diǎn)的工藝質(zhì)量。

 

3.4 外協(xié)產(chǎn)品管理

 

      對(duì)需要鍵合金絲的外購(gòu)?fù)鈪f(xié)件加強(qiáng)質(zhì)量管理。對(duì)需鍵合金絲的介質(zhì)板，與外協(xié)單位簽訂技術(shù)協(xié)議，明確微帶線的鍍金層質(zhì)量要求。必要時(shí)下廠監(jiān)制。

 

      入所檢驗(yàn)，首先檢查其質(zhì)量證明文件應(yīng)滿足協(xié)議要求，再抽取適量的介質(zhì)板鍵合金絲，做鍵合拉力試驗(yàn)，合格后入庫(kù)備用。

 

      對(duì)提供需要鍵合的元器件原材料的合格供應(yīng)商名錄采取動(dòng)態(tài)管理，監(jiān)督合格供應(yīng)商的質(zhì)量管理體系。檢查生產(chǎn)廠家的質(zhì)量控制措施是否滿足鍵合工藝的要求。必要時(shí)，抽取元器件進(jìn)行DPA分析，以確認(rèn)其使用材料及工藝質(zhì)量是否滿足鍵合要求。

 

3.5 過(guò)程控制

 

      金絲鍵合過(guò)程中，選用的鍵合參數(shù)將直接決定鍵合系統(tǒng)的質(zhì)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(diǎn)的機(jī)械強(qiáng)度。但加熱過(guò)高，鍵合過(guò)程中可導(dǎo)致某些芯片焊接材料重熔。超聲功率過(guò)大，金絲變形過(guò)大，鍵合點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度下降。

 

      另外，超聲功率過(guò)大使得鍵合強(qiáng)度被破壞，造成過(guò)鍵合，不利于鍵合強(qiáng)度的提高。超聲功率過(guò)小，起不到應(yīng)有的效果，鍵合不牢。鍵合壓力過(guò)小，不能牢固地壓住金絲，鍵合不牢。鍵合壓力過(guò)大，金絲變形過(guò)多，頸部易斷，甚至破壞芯片的鍵合區(qū)。鍵合時(shí)間太短，不能有效完成鍵合。時(shí)間太長(zhǎng)，鍵合的變形過(guò)多機(jī)械強(qiáng)度下降。

 

      因此，應(yīng)根據(jù)不同的鍵合條件，在工藝規(guī)范中選取適當(dāng)?shù)逆I合參數(shù)，按照工藝流程操作。每批產(chǎn)品均進(jìn)行首件檢驗(yàn)，目檢形貌后測(cè)試鍵合拉力，兩項(xiàng)都符合要求時(shí)，方可進(jìn)行批生產(chǎn)，并在產(chǎn)品隨行文件上及時(shí)紀(jì)錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

 

      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(kuò)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(shí)間的推移，機(jī)械強(qiáng)度下降，易發(fā)生脫鍵。

 

      工作環(huán)境及工藝紀(jì)律符合相關(guān)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(shù)可有效保證鍵合系統(tǒng)的質(zhì)量。

 

      金絲鍵合是微波組件中最關(guān)鍵的工序。為保證產(chǎn)品質(zhì)量實(shí)行定崗、定員、定設(shè)備的“三定”原則及執(zhí)行自檢、互檢及專(zhuān)檢的“三檢”制度。

 

3.6 操作人員培訓(xùn)

 

      人工鍵合與機(jī)器自動(dòng)鍵合相比一致性較差，鍵合質(zhì)量容易受到人為因素的影響，因此加強(qiáng)對(duì)操作人員培訓(xùn)尤為重要。

 

      操作人員應(yīng)熟練掌握鍵合設(shè)備的使用方法、工藝操作規(guī)范，嚴(yán)格遵守工藝紀(jì)律，嚴(yán)禁無(wú)證上崗。組織操作人員進(jìn)行業(yè)務(wù)培訓(xùn)。

 

      鍵合后應(yīng)使用放大30～60倍（必要時(shí)100～200倍）帶垂直光源的立體光學(xué)顯微鏡傾斜適當(dāng)?shù)慕嵌冗M(jìn)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(xiàng)及方法2017.1中3.1.5的要求。

 

      發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)匯報(bào)，質(zhì)量管理人員組織相關(guān)人員分析出現(xiàn)問(wèn)題的原因，采取糾正措施。經(jīng)審核試驗(yàn)驗(yàn)證的措施應(yīng)補(bǔ)充完善到工藝操作規(guī)范中。根據(jù)工藝規(guī)范選取適當(dāng)?shù)逆I合參數(shù)，按照工藝流程操作，并在產(chǎn)品隨行文件上及時(shí)紀(jì)錄。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)匯報(bào)，嚴(yán)禁私自處理。

 

      組織操作人員進(jìn)行業(yè)務(wù)交流。通過(guò)對(duì)典型不合格案例的講解，闡明導(dǎo)致的原因、改進(jìn)措施及對(duì)產(chǎn)品可靠性的危害，促進(jìn)操作人員的業(yè)務(wù)水平及質(zhì)量意識(shí)的提高。

 

3.7 質(zhì)量管理

 

      細(xì)化完善技術(shù)、質(zhì)量、工藝、裝配、調(diào)試和檢驗(yàn)等各類(lèi)人員責(zé)任制。質(zhì)量管理重在全過(guò)程控制，質(zhì)量人員應(yīng)將主要精力由質(zhì)量問(wèn)題處理轉(zhuǎn)移到預(yù)防為主的過(guò)程控制上，避免出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

 

      切實(shí)做好生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作人員的培訓(xùn)和管理工作，在精細(xì)化管理上下功夫，推進(jìn)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(jìn)常態(tài)化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的操作要點(diǎn)、檢驗(yàn)要點(diǎn)等作業(yè)步驟，通過(guò)規(guī)范崗位操作，確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定受控。

 

      質(zhì)量管理人員負(fù)責(zé)收集信息，組織相關(guān)人員分析原因，采取糾正措施，并審核經(jīng)驗(yàn)證的措施應(yīng)落實(shí)到相關(guān)的設(shè)計(jì)文件和工藝文件中。質(zhì)量師組織檢查類(lèi)似問(wèn)題在其他產(chǎn)品中是否存在，是否采取相應(yīng)的糾正措施。

 

      研制過(guò)程中，加強(qiáng)過(guò)程管理，變以往的事后補(bǔ)救為事前預(yù)防，金絲鍵合質(zhì)量有顯著提高：產(chǎn)品篩選過(guò)程中未發(fā)生因金絲鍵合質(zhì)量而導(dǎo)致的失效，交付產(chǎn)品也無(wú)因金絲鍵合質(zhì)量而導(dǎo)致失效返修。

 

4、結(jié)論

 

      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(dāng)大，約占1/3。其中部分失效需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的時(shí)間才能暴露出來(lái)，給使用方帶來(lái)較大的危害，返工成本相應(yīng)增大。

 

      加強(qiáng)全體人員產(chǎn)品質(zhì)量培訓(xùn)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量高度重視，才能對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量起到長(zhǎng)效作用。產(chǎn)品質(zhì)量是設(shè)計(jì)進(jìn)去，制造出來(lái)的，只有加強(qiáng)設(shè)計(jì)人員、操作人員的能力培訓(xùn)，認(rèn)真總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，形成設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及操作規(guī)范并貫徹實(shí)施，才能從源頭保證產(chǎn)品的可靠性。