玨芯微電子研究基于沖擊響應譜的紅外探測器引線鍵合

制冷型紅外探測器有響應快、靈敏度高和探測距離遠的特點，在智能光電裝備中應用廣泛。然而在實際應用場景中會經歷沖擊激勵，引起沖擊響應，為了確保制冷型紅外探測器能夠勝任復雜多變的苛刻環(huán)境，在設計階段進行沖擊響應譜環(huán)境適應性研究十分必要。

據麥姆斯咨詢報道，近期，浙江玨芯微電子有限公司的科研團隊在《紅外技術》期刊上發(fā)表了以“基于沖擊響應譜的紅外探測器引線鍵合研究”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為熊雄高級工程師，主要從事紅外探測器封裝技術方面的研究工作。

本文針對紅外探測器引線鍵合技術，建立有限元模型進行模態(tài)分析引線弧形，綜合考慮引線材料特性選擇最佳引線材料，并進行一系列工藝優(yōu)化及杜瓦加固，最后通過沖擊響應譜試驗對引線鍵合質量進行評估。

沖擊響應譜試驗條件

沖擊試驗一般分為經典沖擊和沖擊響應譜試驗兩種。經典沖擊一般有半正弦波、梯形波和鋸齒波3種，大量研究表明試件即使通過了經典沖擊試驗，在實際使用環(huán)境中仍會損壞，因此不適合采用經典沖擊作為檢測條件的試驗規(guī)范。GJB 150A中也明確規(guī)定只有證明測量數據在經典脈沖的容差內，才允許采用梯形波和鋸齒波的經典沖擊試驗，其他均以沖擊響應譜作為瞬態(tài)沖擊的試驗標準。與經典沖擊相比，沖擊響應譜試驗不僅研究沖擊波本身，而且更加關注沖擊作用與系統(tǒng)的效果，估計沖擊對結構的損傷大小，更加接近真實的沖擊環(huán)境。因此，本研究以沖擊響應譜試驗作為衡量紅外探測器中引線鍵合質量的檢測條件。

考慮到沖擊響應譜是針對不同頻率的響應進行計算，可將紅外探測器的耦合作用分解為多個線性單自由度系統(tǒng)，對于每個單自由度系統(tǒng)進行沖擊響應譜計算，取系統(tǒng)響應的最大值，然后結合紅外探測器的固有頻率便可得出整個系統(tǒng)的沖擊響應譜。圖1為單自由度（SDOF）系統(tǒng)的沖擊響應振動模型。

圖1 SDOF系統(tǒng)沖擊響應振動模型

圖中，a為輸入運動，b為響應運動，m為載荷質量，k、c分別為SDOF的剛度系數與阻尼系數。根據沖擊響應譜的頻率范圍和取樣間隔，得到各個小波分量頻率，該頻率即為各個SDOF的固有頻率，然后計算各SDOF在激勵下的響應曲線，取其峰值并結合各小波分量頻率即得到沖擊響應譜。

基于應用需求，為研制能適應沖擊響應譜為1000 g量級（試驗參數如圖2）的高可靠紅外探測器，本研究重點攻關杜瓦封裝中的引線鍵合加固設計與工藝優(yōu)化。

圖2 沖擊試驗參數

引線鍵合設計

紅外探測器在運輸、試驗和使用中會經歷各種振動和熱環(huán)境，封裝杜瓦也同樣受到環(huán)境的影響。杜瓦內部引線鍵合一般分為同一水平面的和不同水平面的鍵合，后者由于引線弧形不對稱及受力不平衡，更容易產生過大應力應變甚至斷裂的風險。如圖3所示，杜瓦封裝內基板與引線環(huán)鍵合時，第一、二焊點間隔距離遠且不在同一水平面上，其中，引線水平方向跨距為ΔL、垂直方向跨高為ΔH。

圖3 鍵合引線示意圖

圖3中，引線弧形是由劈刀運動軌跡決定的，在鍵合第一焊點后，劈刀先向上運動高度h1；然后向左運動距離l1；最后向下運動高度h2并鍵合第二焊點形成最終的引線弧形。

通過引線弧形各點數據建立模型并進行有限元分析，建立的紅外探測器模型中，底部法蘭面進行固定支撐約束，其余各部件進行綁定約束，仿真的引線材料為30 μm的鉑絲，設定1000 g沖擊響應譜試驗條件，分別沿X、Y、Z三軸正方向進行仿真，最終得到3個方向的單軸沖擊仿真結果。圖4中ΔH為7000 μm時，Y軸正方向引線位移的仿真結果，最大位移為0.2672 mm。將10根引線弧形的仿真結果整合后得到圖5。

圖4 沿Y軸沖擊的弧形位移仿真結果

圖5 弧形仿真結果：（a）為弧高與位移的關系；（b）為弧高與應力的關系

圖5中結果顯示，在1000 g沖擊響應譜試驗條件下，Y軸正方向沖擊對弧形的位移與應力影響最大，Z軸正方向的沖擊對其影響最小，X軸居中。且隨著弧高逐漸增大，弧形應力與位移也逐漸變大。因此為了減小1000 g沖擊響應譜條件下引線形變及斷裂的可能，需要弧高盡可能小。

除了考慮鍵合引線弧形外，鍵合引線的材料對鍵合質量也有直接關系，并影響紅外探測器組件長期使用的可靠性和穩(wěn)定性。紅外探測器封裝對引線材料的要求是：低電阻的歐姆連接、漏熱小、可塑性好、鍵合處的機械強度高以及鍵合完成后對杜瓦真空度影響小。常用的引線材料有：金絲、銀絲、鉑絲、硅鋁絲、鋁絲和銅絲等，表1列出了常用引線材料的部分物理參數。

表1 鍵合引線部分物理參數

紅外探測器為了獲得可以接受的制冷時間，必須相應地降低杜瓦組件的靜態(tài)熱負載。因此紅外探測器的引線選擇除了考慮鍵合性能外，還要兼顧引線漏熱。此外，為避免紅外探測器在實際應用過程中發(fā)生共振現(xiàn)象導致紅外探測器損壞，材料的固有頻率則需要被考慮。通過對鍵合引線受力分析及綜合考慮材料多種特性之后，最終優(yōu)選30 μm鉑絲為鍵合材料且確定了其鍵合弧形參數。

引線鍵合工藝優(yōu)化

引線鍵合的可靠性受多種因素影響，如鍵合表面材質、鍵合表面狀態(tài)、引線材料、鍵合參數及杜瓦整體抗振性能等。在基板、引線環(huán)及鍵合引線材料確定的前提下，引線鍵合的質量則只與鍵合表面狀態(tài)、鍵合參數和杜瓦整體抗振性能有關。我們將鍵合表面狀態(tài)因素設定為A，鍵合參數因素設定為B，杜瓦整體抗振性能因素為C，則鍵合引線發(fā)生各種斷裂等失效的概率為P（ABC）。以玨芯微電子的制冷型紅外探測器為例，在過去30個制冷型紅外探測器共計900根引線1000 g沖擊響應譜試驗中，存在26根為鍵合參數不適合導致失效，存在25根因鍵合表面狀態(tài)問題導致的失效，存在11根因杜瓦整體抗振性能差導致的引線斷裂失效。

在1000 g沖擊響應譜試驗條件下，30根引線即單個紅外探測器通過試驗的概率并不高，即鍵合工藝仍然有較大的優(yōu)化空間。在以鉑絲作為鍵合引線材料后，為了進一步提高鍵合強度，主要采用直接加固和間接加固的方式。直接加固方式包括對鍵合表面的潔凈處理、鍵合工藝參數的優(yōu)化以及植球等方式。其中，鍵合表面潔凈處理在一般清潔表面污染方式的基礎上增加了等離子清洗工藝；鍵合工藝參數的優(yōu)化可通過設計正交試驗，取鍵合三要素鍵合壓力、超聲功率、超聲時間構成3因素4水平的正交實驗，并對結果進行極差分析從而得出最佳的鍵合工藝參數；植球則是指在第二焊點鍵合結束后，再對第二焊點進行球焊操作，植球后的引線強度往往比未植球時高。間接加固方式為對杜瓦冷指頂端輔助加固從而對懸臂梁結構進行力學強化，在減少其振動的同時而間接減少鍵合引線的受力。中國科學院上海技術物理研究所也提出了一種杜瓦冷指頂端輔助加固的力學強化方式。

采用推拉力試驗機對工藝優(yōu)化后的鍵合引線進行測試，測試速度為500 μm/s，設定負載40 g。圖6為工藝優(yōu)化前后鍵合引線拉力強度值對比。

圖6 鍵合引線拉力強度對比

沖擊響應譜試驗

對引線鍵合優(yōu)化后的紅外探測器進行1000 g沖擊試驗，試驗參數如圖2，加載方向±X、±Y、±Z每向3次。圖8為試驗流程。

圖8 沖擊響應譜試驗過程

沖擊響應譜試驗一般包括圖中9個步驟，試驗開始前首先調節(jié)設備沖擊響應譜，使其輸出與試驗條件一致，接著確認紅外探測器試驗前狀態(tài)，然后就可以開始試驗。試驗時按X、-X、Y、-Y、Z、-Z的順序進行沖擊響應譜試驗，試驗完成后確認探測器的狀態(tài)。

試驗結束后分析得到：4個紅外探測器試驗樣品經過1000 g量級沖擊響應譜試驗后未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷，鍵合引線亦保持正常的電氣連接功能。因此，對鍵合引線受力進行理論分析、綜合考慮鍵合引線材料及工藝優(yōu)化這一體系措施對于提高鍵合引線在沖擊響應譜試驗下的可靠性是有效且可行的。

結論與展望

本研究通過建立有限元模型對紅外探測器杜瓦封裝中的鍵合引線進行模態(tài)分析，綜合考慮鍵合材料的物性參數，最終選定了鉑絲作為鍵合材料并確定了其弧形參數。在對引線鍵合工藝進行優(yōu)化后得到了符合期望的引線鍵合質量，且通過了1000 g量級沖擊響應譜試驗。本研究給基于沖擊響應譜試驗條件下如何提高鍵合引線可靠性提供了新的思路。然而，該研究仍然有優(yōu)化的空間：

1）由于缺少高速攝像設備，對于鍵合引線在沖擊環(huán)境下的實際運動軌跡未能捕捉到；

2）下一步，可通過設備升級及采用多種檢測方法來更好地把控鍵合一致性；

3）建立多變量系統(tǒng)性的仿真平臺，獲得更接近真實情況的引線鍵合仿真數據；

4）完善鍵合引線材料數據庫，做到針對不同情況快速篩選合適的引線材料。

審核編輯：劉清