微波毫米波T/R组件内键合引线熔断机理研究*

2022-07-02王越飞顾春燕张兆华

电子机械工程 2022年3期

王越飞，顾春燕，张兆华

（南京电子技术研究所，江苏南京210039）

引言

在微波毫米波多通道收发组件中，大量采用引线键合技术实现组件电学性能。键合引线承担了内部射频信号传输、大电流传输等重要任务[1-2]，其可靠性将直接影响组件的电学性能，并决定了雷达装备的服役寿命。

影响键合引线可靠性的因素很多，如键合工艺参数[3]、焊盘洁净度[4]、外部力学环境因素[5]等。这些因素中，键合引线的耐电流水平至关重要，过电流如果超出引线耐受能力，将导致引线熔断、信号丢失，最终导致组件失效。因此，在组件设计之初，便要充分考虑链路的耐电流水平，如增加键合引线根数进行冗余设计、使用大直径粗引线以提高单根引线耐电流能力等。然而，现有能够为设计提供耐电流水平参考的数据主要来自引线生产厂家，通常局限于某一特定弧长引线的耐电流水平，不能够覆盖组件内部的各种引线长度需求。并且，目前的文献大都针对集成电路芯片内部金属互联线的迁移失效[6-7]以及互联凸点的迁移失效[8]开展机理研究，对引线熔断机理的分析未见报道。

因此，本文将结合雷达微波组件的实际键合需求，开展键合引线耐电流水平研究，并深入分析引线熔断机理，探讨引线熔断的微观过程，为电讯设计提供数据和理论参考。

1 试验方案

选取某型微波T/R组件产品，在组件矩形连接器与低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic,LTCC）基板之间通过楔形键合工艺完成引线。选用金带（152.4 μm（宽度）×12.7 μm（厚度）规格）/金丝（25.4 μm 直径规格）作为研究对象，纯度均为99.99%，延展率为1%～2.4%，键合设备为Westbond 7476E。通过键合设备送丝参数控制金带/金丝弧长，在矩形连接器插针和LTCC焊盘之间键合金带/金丝，对电源、电流表、负载以及组件组成的回路实现连通。通过调节电源电流水平测试不同弧长金带/金丝的耐电流能力，并分析熔断过程，开展熔断机理研究。熔断电流测试电路结构如图1所示。

图1 熔断电流测试电路结构

2 试验结果

在光学显微镜下实时观察大电流瞬间金带的熔断过程发现，随着所施加的电流不断趋近熔断电流，金带中间部位逐渐变红，表明此处温度逐渐升高，到达熔断电流值时，温度最高部位立刻熔断。金带中间位置断裂后呈球状，如图2所示。测量不同长度金带/金丝的熔断电流水平，数据见表1。

图2 金带熔断后的光学显微镜照片

表1 熔断电流数据

金带/金丝熔断电流与弧长关系曲线如图3所示。由图可见，随着弧长的增加，金带/金丝熔断电流水平逐渐降低，降低幅度逐渐减小并趋于稳定。金带长度为2.5 mm典型值时，熔断电流约为3.2 A，金丝长度为1.5 mm典型值时，熔断电流约为1.6 A。

图3 金带/金丝熔断电流与弧长关系曲线

进一步观察引线在低于熔断电流的恒定电流下，表面状态随时间的变化情况。图4为金带在1.5 A恒定电流下经历6个时刻（0～290 h）的光学显微镜照片，金带尺寸为152.4 μm（宽度）×12.7 μm（厚度），金带弧长为4.0 mm。随着时间的推移，金带中间部位逐渐变得粗糙、凹凸不平，颗粒状逐渐明显，并逐渐变细，最终在约290 h时金带熔断。

图4 恒定电流下金带表面形貌随时间的演变

3 机理分析

前人通过对集成电路芯片内部金属互联线迁移失效[6-7]以及互联凸点迁移失效[8]的机理分析，认为金属互联线在施加大电流时，内部将产生很高的电子流定向移动，在运动的过程中，电子的动能不断传递给附近的金属原子，导致金属原子沿着电子流移动的方向产生定向迁移，即原子的电迁移现象。电迁移现象通常表现为原子向同一方向移动，造成相反方向的原子数越来越少，而相同方向的原子则不断堆积。在倒装凸点焊接界面[9-10]处，该现象尤为明显，因界面处通常存在界面电阻带来的电子流堆积，造成电子流密度急剧上升，从而加快该部位的电迁移。

然而，本文金带熔断的位置均处于金带中部，界面电阻效应影响微弱，表现为金原子向两边迁移造成金带断裂，与电迁移导致的断裂现象完全不同。与此同时，中部位置的金带热量散发途径主要通过两端金带传导进入基板焊盘，因而此处在施加大电流时产生的温度最高，温度梯度从金带中部向金带两端至基板焊盘逐渐降低。温度较高部位的金原子拥有较高的动能和界面反应能[11]，驱动金原子沿着温度梯度降低的方向迁移，从而产生原子的定向质量迁移，表现为金带中部的原子向两边扩散，在温度达到极值时，扩散剧烈发生，最终造成金带从中间断开。

进一步分析导致金原子热迁移的机理发现，在金带温度升高的过程中，由于金的化学性质极其稳定，不会与外界气氛发生化学反应，除了从金带两端至键合焊盘向外传导热量外，还可以通过外界气氛热传导和热辐射两种途径向外界传递热量。热辐射能够传递的热量微乎其微，外界气氛（如空气或氮气等）的热传导能力远低于两端金带和键合焊盘，所传递的热量只占很小一部分，因此散热的主要途径仍然是两端金带和键合焊盘。

本文进一步研究了外界气氛环境对金带熔断过程的影响，设计试验如下：

1）在组件壳体矩形插座位置键合若干金带，金带尺寸为152.4 μm（宽度）×12.7 μm（厚度）。设定约4.0 mm和2.5 mm两种弧长规格的金带，通过调节电源电流水平测试金带耐电流能力。

2）首先在大气气氛中，通过恒定电流源分别向两种规格金带施加电流，测得金带的熔断电流。

3）在真空腔室内进行同样的加电试验，真空腔室的真空度约为1×10-5Pa。

4）金带熔断后将其拔去并重新键合，再次进行试验，多次测量求平均值。

试验结果如图5所示。键合金带长度存在一定的涨落，对熔断电流有一定影响，图中画出了电流水平分布。分析可知：1）同样的气氛条件下，短金带的熔断电流明显高于长金带，该结论与图3结果一致；2）无论是长金带还是短金带，大气气氛下的熔断电流均略微高于真空气氛条件下。

图5 金带熔断电流水平与外界气氛关系

以上两点现象表明：1）长金带中间区域离两端键合焊盘较远，热传导效率较低，金带中间部位温度上升较快，因而熔断电流减小。2）真空气氛下通过外界气氛进行热传导的途径被关闭，热传导能力有一定程度的降低，因而造成同样规格金带的熔断电流略微减小。航天产品需特别注意此问题，因在外太空环境中，当组件内部预充气氛逐渐泄露至真空时，内部引线的过电流能力降低，键合引线的使用寿命降低。

经过以上分析，可以认为在加电过程中，金带中间部位的焦耳热量不断累积，造成金原子向两端迁移，金带熔断是焦耳热造成的原子热迁移现象。