摘要：随着微电子电路集成度的大幅度提高，组装密度越来越高，承担机械与电气连接的焊点尺寸越来越小，而任意焊点的失效就有可能造成器件甚至系统整体的失效。微波组件组装中，经常出现内引线键合系统的缺陷。一些缺陷在某种条件下可导致产品失效。本文分析了内引线键合的缺陷和失效问题，提出了改进设计和制造工艺，采取有效质量管理措施。
关键词：电子组装；失效分析；预防措施
随着现代电子技术的发展，微波组件的工作频率越来越高，其在武器装备中的应用范围越来越广。微波组件的有源部分通常由单个或多个管芯、封装器件、单片电路以及它们的组合组成，无源部分通常由电阻、电容、电感、环行器、隔离器、分布式传输线、接插件等各种元器件以及做成传输线的电路基板组成。通过分析研制过程中的缺陷和失效问题，分辩其失效模式和失效机理，确定其最终的失效原因，提出改进设计和制造工艺的建议，采取有效质量管理措施，消除故障隐患，使产品质量稳定可靠。
一、失效模式
1、金带开路失效。组件中元器件的种类繁多，金带常需键合在性能差异较大的板材上。根据不同的材料应选取相应的键合参数，键合参数选用不当，键合部位将存在缺陷，在机械应力作用下可产生失效。金带键合颈部的断裂，使电气连接呈现时断时续的状态，而导致组件失效。
2、金丝短路失效。芯片安装方向偏差导致键合金线过长、交叉，介质板上的键合点与芯片上的键合区位置没有做到按顺序一一对应，相邻金丝短路失效。
3、金丝损伤。生产过程中，常出现金丝倒伏、变形、扭曲、裂口及擦痕等机械损伤。在200～500倍显微镜下观察，发现金丝拱弧表面有损伤，不光滑，比较毛糙。在某种状态下，微带线连接点金丝将开路失效。
二、故障原因分析
1、金带键合根部失效。观察发生故障的部位，发现介质板表面低于陶瓷板表面，导致金带的两键合点不在同一水平面内，且落差较大。金带在陶瓷板端无向上的弧度，而贴近陶瓷片表面，在其边沿处折弯通向介质板，且故障部位的键合点颈部变形较大。金带弯曲弧度过小，且与器件边缘接触，在温度循环时，应力不能在金带上释放，而集中到键合颈部，而键合颈部过薄，其能承受的机械强度下降，导致其撕裂，出现开路失效。
2、金丝短路失效。芯片安装方向偏差导致键合金线的过长、交叉。键合引线长度过长、交叉的危害为：随着键合引线长度的增加，质量也增加了，在振动、冲击的环境下，引线的受力增加，这样颈缩点的受力增加，因此断裂的可能性增加，可靠性降低；键合引线长度过长使该引线更容易变形，变形后和其他不相连金属化层短路的可能性也大大增加；不同引线间的交叉，上面的引线在塌丝的情况下就会造成交叉引线的短路，从而降低器件的可靠性。电路板设计时，未将微带键合点布置到芯片左侧，就近与芯片上键合区一一对应，导致自左向右的键合金丝越来越长，且间距越来越小。设计PCB时应使键合金丝应尽可能短，长度应控制在金丝直径的100倍以内。金丝间间距应不小于2倍的金丝直径，长度越大，间距应相应增大。长金丝应避免跨接于裸露的金属化线之上。其存在的隐患为：相邻长金丝间易短路；长金丝易变形与其下方的金属化线或微带线短路；金丝键合部位的颈部易断裂，导致失效。
3、金丝损伤。在200～500倍显微镜下观察故障点连接丝，可以发现金丝拱弧表面有损伤，不光滑，比较毛糙，在低温状态下，发现端口处微带线连接点金丝开路。该产品选用的键合方式是手动金丝球键合，键合选用陶瓷劈刀。在这种工艺中，一个融化的金丝球粘在需连接的一条镀金微带线的端头上。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆压下后形成第一个键合点，然后从第一个键合点抽出弯曲的金丝在另一条镀金微带线的端头以月牙键合形成第二个键合点。键合劈刀内部的构造决定了焊球的大小、直径及高度，劈刀的好坏直接决定了键合的质量。键合过程中金丝在劈刀中产生相对运动，劈刀必须提供足够的空间让金丝无阻碍地通过。若使用时间过长，劈刀受损，金丝受到机械损伤，机械强度下降易断裂。
三、预防措施
1、电路设计。设计电路板时，应充分考虑工艺可操作性和产品使用的可靠性。键合系统中，金丝的长度、金丝是否交叉与电路板的设计有直接的关系。PCB设计时，应充分考虑芯片的方位，芯片上的键合点与PCB上的键合点间距尽可能的短，且按顺序一一对应。合理的PCB设计将使工艺操作人员很容易做出合格产品，生产效率及可靠性将大大提高。
2、工艺设计。工艺设计师应与电路设计师密切配合，及时给予合理的建议，帮助其完善产品工艺设计，避免生产过程中出现难以操作的工序。尽量保持两键合点处于同一水平面，焊接点远离芯片和键合点，或工序设计时将键合置于焊接之后，以减小工艺操作难度和工序之间的相互影响，提高产品质量和生产效率。
3、设备管理。超声锲形键合的质量与超声功率、温度、压力及键合时间密切相关，调整好四个参数的关系是保证键合质量的必要条件。通过键合拉力测试，选取键合形貌满足要求、拉力测试合格的参数，由操作者使用相同设备对产品进行生产，可有效保证产品的合格率。使用的键合设备应在计量有效期内。当过程检验发现金丝出现批次性质量问题时，应排查键合设备是否出现故障。操作者应关注设备运行状况，发现异常立即停止操作，及时向有关人员汇报，及时追查用此设备生产的所有产品，采取有效措施，直到可确保产品无故障隐患存在。设备恢复正常，方可继续使用。键合过程中所用的劈刀状态不佳，磨损严重，劈刀端面的平整度、芯片烧结后的水平偏斜度，也会影响键合点的工艺质量
4、过程控制。金丝键合过程中，选用的键合参数将直接决定键合系统的质量。选择合适的加热温度，有利于键合的快速完成，并提高键合点的机械强度。但加热过高，键合过程中可导致某些芯片焊接材料重熔。超声功率过大，金丝变形过大，键合点机械强度下降。另外，超声功率过大使得键合强度被破坏，造成过键合，不利于键合强度的提高。超声功率过小，起不到应有的效果，键合不牢。键合压力过小，不能牢固地压住金丝，键合不牢。键合压力过大，金丝变形过多，颈部易断，甚至破坏芯片的键合区。键合时间太短，不能有效完成键合。时间太长，键合的变形过多机械强度下降。因此，应根据不同的键合条件，在工艺规范中选取适当的键合参数，按照工艺流程操作。每批产品均进行首件检验，目检形貌后测试键合拉力，两项都符合要求时，方可进行批生产，并在产品随行文件上及时纪录相关数据。洁净的键合区，有利于金丝与键合区镀金层的金原子相互扩散，形成牢固的键接。在受到污染的键合区上键合的金丝，随着时间的推移，机械强度下降，易发生脱键，工作环境及工艺纪律符合相关洁净厂房管理要求。
在微波组件中广泛使用，键合系统的失效在组件的失效中占有的比例相当大，约占1/3。其中部分失效需要经过较长的时间才能暴露出来，给使用方带来较大的危害，返工成本相应增大。加强全体人员产品质量培训，对产品质量高度重视，才能对提高产品质量起到长效作用。产品质量是设计进去，制造出来的，只有加强设计人员、操作人员的能力培训，认真总结经验教训，形成设计准则及操作规范并贯彻实施，才能从源头保证产品的可靠性。
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论文作者:刘勇
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第11期
论文发表时间:2018/8/7
标签：金丝论文; 劈刀论文; 微带论文; 引线论文; 芯片论文; 产品论文; 工艺论文; 《建筑模拟》2018年第11期论文;