射頻組件作為無線通信設備的基礎性零部件，是通過鍵合技術將芯片與芯片、芯片與微絲材、微帶材、微帶線進行電氣連接，進而形成的一個完整組件電路系統。鍵合技術的使用讓多個封裝或板級系統集成于一塊芯片，實現射頻信號和能量的高效傳輸。鍵合金帶的特性對整個射頻組件的應用具有重要影響，其具有頻譜資源豐富、抗干擾能力強等特點，使其能夠在嚴酷環境下穩定運行，同時也具備出色的密封性能。尤其在第五代移動通信（5G）的備選頻段，鍵合金帶可以拓寬信息傳輸路徑，提升信息傳輸速度，從而推動衛星產品向高密度、小型化和輕量化方向發展。
射頻組件的質量受引線材料、焊接質量、鍵合工藝參數等多種因素的影響。金帶作為引線材料，往往對射頻組件的可靠性、穩定性以及信號傳輸能力起著決定性作用，鍵合工藝的精細化控制是提高射頻組件性能的關鍵。本文對鍵合金帶的成分設計、制備工藝、鍵合特性及失效形式等方面進行了深入闡述，并展望未來發展趨勢，為推動鍵合金帶的發展提供參考。
表1 化學元素對金帶的主要作用機理
表2 鍵合金帶各成分的質量分數 單位：%
圖1鍵合金帶性能測試結果
羅瑤等人開發了1種高強度鍵合金帶，Au的質量分數≥99.99%，添加微量元素Be（質量分數為0~0.01%）、Ni（質量分數為0~0.01%）、Sm（質量分數為0~0.01%），通過感應熔煉、澆鑄成型、軋制、熱處理、拉絲、精密軋制等工藝制備出厚度為2~8 μm（厚度公差為±0.1 μm），寬度為20~800 μm（寬度公差為±5%）的鍵合金帶，其斷裂載荷≥15 gf，延伸率≥8%，成功實現了鍵合金帶強度增加，且保持較高的延伸率。張京葉等人開發了1種微型窄薄金屬鍵合金帶及其一體化制備方法，Au的質量分數>99.99%，添加微合金化元素Ag、Cu、Pb、Sb、Bi、Be、Fe、Ca和Mg。通過線坯制備、圓絲拉拔、精密成型、在線熱處理和密排復繞等工藝制備的鍵合金帶具有平直度好、尺寸精度高、表面缺陷不超過5%（在50倍顯微鏡下）等優點，該方法自動化程度高，利于批量生產。
目前，為了提高鍵合金帶的鍵合強度和使用壽命，合金化元素趨向于多元化、微量化，但合金化元素添加過多將適得其反，例如：適量堿土元素Be的添加對于金帶加工和再結晶溫度有著積極的影響，然而添加的質量分數超過0.05%將導致金絲拉拔過程中表現出硬脆特性，增加了金帶制備的難度；微量的Al有助于提升金的韌性，但添加的質量分數超過0.5%時，會發生第2焊點鍵合不良；微量的Sc可細化金的晶粒，提高再結晶溫度，但添加量過高會造成其分布不均勻，導致金帶的一致性差，軋制過程斷帶率高。因此，在添加微量元素時需要將其控制在適當的范圍內，以平衡金帶的加工性能和機械性能，正確選擇微量元素并控制合適的添加量，是實現鍵合金帶性能優化的關鍵之一。
鍵合金帶制備工藝主要包括感應熔鑄工藝、絲材拉拔工藝、熱處理工藝、精密軋制工藝、密排復繞工藝等。經過眾多學者對熔煉方式、軋制成型、一體化裝置升級等方面的研究，鍵合金帶的質量、合格率得到提高，從而實現了批量化生產，降低了生產成本。在制作金鑄錠時，通常使用真空感應熔煉澆鑄法以及真空感應熔煉連鑄法。然而，通過真空熔煉澆鑄法制備出的合金鑄錠表面粗糙、縮孔較深并容易形成凝固縮孔，這使得鑄錠的成品率相對偏低，并不適用于大規模生產。因此，國內許多公司都使用真空感應熔煉連鑄法來制造合金鑄錠，這種方法的優點在于其成品率更高，鑄錠組織均勻、表面光滑、一致性較好。
周鋼等人1在150~1 250 ℃下連鑄金合金棒，在該溫度范圍內，黃金流動性好，利于鑄造，且微量元素不會出現燒結現象，能精準控制微量元素的含量。張昆進行了關于鍵合金產業化技術的研究，采用了1種立式中頻感應真空連鑄爐進行熔煉，在1 300 ℃的條件下進行5~10 min的精煉處理，然后以1 240~1 260 ℃的拉鑄溫度和200~400 mm/min的拉鑄速度進行制備，制備的金鑄錠具有均勻的組織結構，非常適用于電子信息領域中的鍵合金應用。劉家強等人采用了1種間歇式拉鑄的熔煉方法，通過控制熔體的冷卻速度和拉伸速度，使其在凝固過程中形成等軸晶。使用這種方法制備的金錠在滿足鑄錠組織均勻性的同時，仍能保持較好的抗拉強度和伸長率，極大地提高了微細金絲的成材率。這種間歇式拉鑄的熔煉方法具有批量化、規模化和穩定化的優勢，可以應用于大規模生產，使用該方法能夠穩定地獲得高質量的等軸晶材料。
鍵合金帶在軋制過程中，為了控制帶材平直度和表面質量，重慶材料研究院有限公司開發了1種精密壓延系統，可對鍵合金帶進行一次軋制成型，軋制前后通過收放線系統將微張力控制在10~80 gf，同時搭載自動排線裝置和在線退火系統，一體化完成鍵合金帶的軋制、退火和繞帶工藝。經過對工藝的不斷優化升級，可制備厚度為（5±1）μm的鍵合金帶，寬度公差在±2%以內，同時具有良好的鍵合性能，滿足半導體封裝用鍵合金帶應用需求，鍵合金帶與金帶鍵合后形貌如圖2和3所示。
圖 2 鍵合金帶形貌
圖3 金帶鍵合后形貌
鍵合技術通過施加壓力、機械振動、電能或熱能等不同形式的能量于接頭處，實現材料之間的連接，使得接頭具有良好的導電性、可靠的機械強度和穩定的熱特性，鍵合技術成為微波封裝、傳感器制造、半導體芯片連接等集成電路制造工藝中不可或缺的關鍵技術。實現金帶鍵合的方法主要有引線鍵合、載帶焊和倒裝芯片鍵合，其特點如表3所示。除了上述方法，國內外學者還開發了多種鍵合技術，將其應用于不同領域。例如高效集成化單片微波集成電路技術用于高頻微波電路的封裝和互連；小型化共燒陶瓷基板系統級封裝實現了高密度的三維封裝；微機電系統三維集成封裝技術用于集成微機電系統和電子封裝；超聲熱壓楔形引線鍵合技術通過超聲波和熱壓力實現精確的鍵合連接。其中，超聲波楔形鍵合技術因其成熟度和可靠性高，已成為射頻電路中應用最廣泛的互連技術之一。
表3 金帶鍵合的3種主要方法及其特點
引線鍵合是封裝器件中常用的連接方法，在毫米或微米級別實現芯片輸入/輸出端與基板之間的互連，能滿足一般集成電路的性能要求。然而，引線鍵合對焊件表面的清潔度非常敏感，鍵合金帶或基板上的金屬化層須無污染、無氧化，并且對鍵合工藝有高要求，鍵合組件需要被整體加熱，鍵合距離不能太長，以避免信號干擾。為了解決引線鍵合中存在的問題，可以采用電阻焊接，其具有鍵合過程簡單、加熱時間短、生產效率高和焊接成本低等優點，在電子制造領域得到了廣泛應用。引線鍵合和電阻焊接是常用的連接技術，可根據具體應用需求和材料特性選擇適合的方法，以確保連接的質量和可靠性。
鍵合金帶成本較低、性能優異，被廣泛應用于芯片與外圍電路的連接。鍵合工藝技術對射頻組件微波特性有顯著的影響，金帶寬度和厚度、鍵合間距、鍵合數量以及金帶的一致性等因素都會對其微波特性產生巨大的影響，進而直接影響芯片的輸入/輸出信號功率和駐波比等特性。
根據王尚等人的研究結果，表面金帶的尺寸會影響電路的射頻性能。對金帶厚度為6 μm，寬度分別為25 μm、50 μm、75 μm、100 μm的鍵合金帶微波性能進行仿真，結果如圖4（a）所示，從圖中可以看出，隨著寬度的增加，金帶插入損耗的絕對值均呈下降趨勢；對金帶寬度為100 μm，厚度分別為6 μm、15 μm、20 μm、30 μm、40 μm、50 μm的鍵合金帶微波性能進行仿真，結果如圖4（b）所示，在0~10 GHz的頻率范圍內，金帶厚度對插入損耗無明顯影響；在10~20 GHz的頻率范圍內，隨著厚度的增加，金帶插入損耗的絕對值逐漸降低。另一項研究結果表明，在10~20 GHz的頻率范圍內，金帶與金絲橫截面面積相同時，金帶的射頻性能更優。鄒軍在20~40 GHz的頻率范圍內進行了鍵合金絲與鍵合金帶的微波性能對比測試，結果顯示，多根鍵合金絲的微波特性優于單根鍵合金帶，而鍵合數量相同時鍵合金帶微波特性優于鍵合金絲。KIM等人在20~35 GHz頻率范圍內對單鍵合金線、雙鍵合金線、三鍵合金線和鍵合金帶進行了散射參數實測，結果顯示，單鍵合金線插入損耗的絕對值為0.4~1.2 dB，雙鍵合金線、三鍵合金線和鍵合金帶的插入損耗的絕對值分別小于0.6 dB、0.3 dB和0.5 dB。采用超聲熱壓楔形鍵合方式（其過程如圖5所示）對鍵合金絲和鍵合金帶的鍵合性能進行了對比分析，結果表明，在相同工藝參數下鍵合金絲的形變量大于鍵合金帶，說明鍵合金帶的鍵合性能優于鍵合金絲，鍵合金絲與鍵合金帶的鍵合效果如圖6所示。這些研究結果表明，鍵合金帶尺寸對電路射頻性能有一定影響，不同的頻率范圍和連接方式可能會產生不同的效果。
圖4 不同尺寸的鍵合金帶微波性能仿真結果
圖5 超聲熱壓楔形鍵合過程
圖6 鍵合效果
重慶材料研究院有限公司貴金屬團隊采用 WB7476E 型超聲熱壓焊機對 100 μm×20 μm 的鍵合金帶連續進行了 50 次鍵合試驗，采用 Dage 4000 內引線拉力測試儀對鍵合后的金帶進行破壞性鍵合拉力試驗，測試拉力值高達 74 gf。圖 7 為鍵合金帶經破壞性拉力試驗后的效果圖，拉力試驗后鍵合金帶均從根部斷裂，表明金帶抗拉性能優異。
圖7 鍵合金帶經破壞性拉力試驗后的效果圖
WEI 等人研究了不同鍵合工藝對電路射頻性能的影響，分別測量了采用球形鍵合工藝和楔形鍵合工藝鍵合后的插入損耗。對于橫截面面積相同的鍵合金絲與鍵合金帶，采用 2 根鍵合金絲進行球形鍵合后的插入損耗的絕對值最小，測量結果如圖 8 所示；對于表面積相同的鍵合金絲與鍵合金帶，鍵合完成后的電感相差不大，基于此結果提出鍵合材料的表面積是決定電路射頻性能的關鍵因素，表面積相同的金帶與金絲電感測量結果如圖 9 所示。
圖8 不同鍵合工藝的插入損耗測量結果
圖9 表面積相同的金帶與金絲電感測量結果
相關研究結果表明，與鍵合金絲相比，鍵合金帶電導率高、強度高、鍵合性能良好和高頻段信號傳輸能力優異等特點，金帶的有效鍵合面積大，焊接更牢靠。在工程應用中，需根據實際情況選擇金帶或者金絲進行鍵合，相比之下，鍵合金帶的微波性能優異，更有利于高頻段信號傳輸，這也是金帶被廣泛應用于 5G 射頻組件封裝的主要原因。
在射頻組件中，金帶通常需要被鍵合在不同材質的基板上。然而，在鍵合焊接、測試試驗和環境適應性調試過程中，熱應力或機械應力等因素常常會導致鍵合系統出現缺陷甚至失效。為了解決這些問題，需要對缺陷和失效進行分析，針對失效原因提出改進方案。在分析過程中，需要考慮鍵合工藝參數對拉伸試驗中焊點的失效模式、拉伸力大小和引線形變量的影響。根據研究結果，將失效模式分為3種：界面斷裂、根部斷裂和接頭斷裂，拉伸試驗失效的3種模式及實際微觀形貌如圖10所示。通過對失效模式和失效機理的研究可知：1）界面斷裂失效模式通常是由鍵合點與基板之間的界面強度不足導致的，建議改進鍵合工藝，確保鍵合界面的黏結強度，例如采用適當的鍵合溫度、壓力和時間等參數；2）根部斷裂失效模式通常是由焊點根部的應力集中造成的，建議優化焊點的設計和加強焊點與基板之間的連接，以提高焊點的承載能力；3）接頭斷裂失效模式通常是由于金帶和引線之間的連接強度不足，建議改進連接方式或使用更可靠的材料以提高接頭的強度和穩定性。
圖10 拉伸試驗失效的 3 種模式及實際微觀形貌
王尚等人對橫截面尺寸為 25 μm×5 μm 的金帶進行了失效分析，2個鍵合點參數相同時第2鍵合點的金帶形變量大于第1鍵合點，且第2鍵合點的金帶容易斷裂，第1鍵合點和第2鍵合點微觀形貌如圖11所示。在鍵合過程中，當鍵合到最后1個鍵合點時，線夾夾緊金帶并施加向上的拉力，造成劈刀向下施加的力相應增大，導致第2鍵合點的鍵合金帶形變量大于第1鍵合點，對于尺寸極小的金帶，這種現象更為明顯，甚至可能導致第2鍵合點的金帶斷裂，極大地影響鍵合結構的可靠性。為了解決這個問題，可以通過改變鍵合點數量的方法來減輕設備對第2鍵合點作用力過大而導致鍵合點金帶拉伸力較小的問題。在第2鍵合點處鍵合2個點能夠緩解頸縮處形變量過大的問題，進而提高鍵合點金帶拉伸力，避免鍵合斷裂。這樣的改進方法可以提升鍵合結構的可靠性，減少金帶的形變量差異，避免斷裂現象的發生。
圖11 鍵合點微觀形貌
劉斌等人針對鍵合鋁絲在使用過程中出現第2鍵合點的脫離失效與根部斷裂失效問題進行了熱循環加速試驗，采用ANSYS軟件對鍵合過程中應力分布及鍵合區域變形情況進行模擬分析，發現鍵合區域中心處的應力應變較小，導致不容易形成有效鍵合，而周邊部位的應力應變較大，因此更容易發生有效鍵合。當受到熱循環應力的作用時，鍵合點的中心區域容易形成裂紋并迅速向前端擴展，最終導致鍵合點脫離。通過對根部斷裂斷口的分析發現，熱應力疲勞是引發斷裂的主要原因，裂紋源位于鍵合點根部與劈刀邊緣接觸部位。而王成等人利用ANSYS軟件分析了鍵合金絲在不同方向隨機振動激勵載荷作用下的應力分布情況，結果表明，鍵合金絲在振動作用下絲材振動幅度較大，引發的振動疲勞導致第1鍵合點根部斷裂，可以通過縮短鍵合焊盤距離，減小絲材振動幅度來提高鍵合絲的抗振能力。
業內眾多學者對鍵合點脫鍵的失效模式進行了分析研究，并提出了影響鍵合點脫落的因素以及相應的解決方法，主要有以下幾個方面。1）鍵合區域受污染形成鈍化絕緣層：鍵合區域受到污染并形成鈍化絕緣層，進而導致鍵合點在鍵合過程中脫離；為避免此問題，可以在鍵合前對鍵合區域進行清理，以減少污染物對鍵合區域氧化的影響。2）金屬化層缺陷：芯片金屬化層存在缺陷或過薄時，鍵合過程無法提供足夠的緩沖而形成缺陷，導致芯片黏附不牢，產生鍵合點脫鍵；可在鍵合前對金屬化層進行檢驗，確保其滿足鍵合要求。3）材料間應力影響：材料間的熱應力、形變應力等接觸應力不當，也可能導致鍵合點脫鍵；可以通過觀察鍵合點的形狀來判斷鍵合力的大小，優化鍵合參數，降低鍵合點脫鍵的風險。除了以上3個常規方面的失效分析以外，需要對不同使用環境下的失效分析進行針對性研究，例如，在振動載荷作用下，需要分析振動頻率與組件固有頻率形成的共振影響；在酸堿環境下，需要分析酸堿氣氛對射頻組件的腐蝕作用等。在特殊環境下外界環境對組件的使用性能往往起著決定性作用。
射頻組件微型化促使射頻電路中的引線鍵合向超高密度方向發展，鍵合尺寸越來越小成為趨勢，這對鍵合金帶的要求也將進一步提高，主流發展方向包括：1）優化添加的微量元素種類和含量，對金帶進行合金化處理，提高金帶強度，降低金帶發生破壞性斷裂的風險，提高鍵合強度；2）改進熔煉方式和參數，提升加工制造裝備能力，實現帶材極薄化、批量化生產。在高頻波段中，鍵合尺寸的縮小會受到引線的寄生效應和趨膚效應的影響，進而影響高頻電路的信號穩定性，如何兼顧小尺寸且保持性能穩定將是亟待解決的問題，鍵合金帶的研究和開發仍將任重而道遠。
作者：謝勇，肖雨辰，唐會毅，王云春，侯興哲，吳華，吳保安，譚生，孫玲
來源：電子與封裝
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