等離子清洗在微波多芯片組件金絲鍵合技術中的應用

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時間：2023-05-05

現(xiàn)代軍、民用電子裝備，尤其是各武器系統(tǒng)中的雷達和通訊系統(tǒng)，正在向著小型化、輕量化、高工作頻率、多功能、高可靠和低成本等方向發(fā)展，對組裝和互聯(lián)提出了越來越高的要求。隨著相控陣體制在各類雷達和通訊等電子整機中的廣泛應用，需要研制生產(chǎn)大量的小型化、高密度、多功能微波組件。微波組件技術經(jīng)歷了從分立電路、到混合微波集成電路、到單片微波集成電路、到微波多芯片組件的發(fā)展過程。目前，小型化、高密度、三維結(jié)構、多功能微波組件微組裝技術已經(jīng)成為國內(nèi)外的研究和應用熱點之一。

如圖1所示，微波多芯片組件是各類復雜軍/民用電子系統(tǒng)的核心部件，負責微波信號的收發(fā)、變頻以及濾波等功能，具有技術指標要求高、實現(xiàn)難度大、價格昂貴、對系統(tǒng)性能具有決定性影響等特征。以相控陣雷達為例，一部相控陣雷達中包含成千上萬個微波多芯片組件，微波多芯片組件成本占雷達成本的50%以上，雷達主要性能指標通常取決于成千上萬各微波組件的制造一致性，因此微波多芯片組件的制造工藝對系統(tǒng)性能的提升至關重要。

圖1 微波多芯片組件

微組裝技術是實現(xiàn)電子裝備小型化、輕量化、高密度互聯(lián)結(jié)構、寬工作帶寬、高工作頻率、高功率密度以及高可靠性等工作目標的重要技術途徑，從組裝技術發(fā)展規(guī)律來看，組裝密度每提高10%，電路模塊的體積可減小30%、重量減小20%。微組裝技術對減小微波組件的體積和重量，滿足現(xiàn)代電子裝備武器小型化、輕量化、數(shù)字化、低功耗的要求具有重要意義，因此微組裝工藝技術在航天、航空，船舶等各平臺的電子裝備上得到了越來越廣泛的應用。微組裝技術是綜合運用高密度多層基板技術、多芯片組件技術、三維組裝和系統(tǒng)級組裝技術，將集成電路的裸芯片、薄/厚膜混合電路、微小型表貼元器件進行高密度互聯(lián)，構成三維立體結(jié)構的高密度、多功能模塊化電子產(chǎn)品的一種先進電氣互聯(lián)技術。在微波多芯片組件制造過程中，實現(xiàn)各芯片之間的電氣互聯(lián)是核心環(huán)節(jié)，電氣互聯(lián)的可靠性與一致性將對微波多芯片組件性能與可靠性產(chǎn)生直接影響，微組裝和主要工藝與核心環(huán)節(jié)如圖2所示。

圖2 微組裝工藝環(huán)節(jié)與核心工藝

目前，實現(xiàn)微波多芯片組件中各芯片之間電氣互聯(lián)的技術有金絲鍵合、倒裝焊與載帶自動焊接三種。相比另外兩種技術，金絲鍵合實現(xiàn)成本較低、一致性好，被廣泛采用，是微組裝中的核心工藝技術。

鍵合樣品表面處理

從被鍵合對象看，影響鍵合質(zhì)量的因素是被鍵合樣品表面的清潔度與樣品表面處理工藝。在產(chǎn)品的整個裝配過程中鍵合區(qū)域難免會受到污染，如果不能有效清潔鍵合面，會造成虛焊、脫焊、鍵合強度偏低和鍵合一致性差等問題，產(chǎn)品的長期可靠性無法保證，因此需要對樣品在鍵合前進行表面處理工藝，實現(xiàn)高潔凈度的表面，滿足后續(xù)金絲鍵合要求。表面處理工藝主要有手動刮擦與等離子清洗兩種方式，手動刮擦是鍵合前采用刮刀刮去樣品表面被氧化污染的金層，使表面露出未被污染與氧化的“新鮮”金層。

等離子清洗

等離子清洗是利用等離子體來達到清洗的效果。等離子體和固體、液體或氣體一樣，是物質(zhì)的一種狀態(tài)，也叫做物質(zhì)第四態(tài)。對氣體施加足夠的能量使之離化便成為等離子體的狀態(tài)。等離子體的“活性”組分包括：離子、電子、活性基團、激發(fā)態(tài)的核素（亞穩(wěn)態(tài)）、光子等，等離子清洗的機理是通過激勵電壓（一般為低頻40kHz、射頻13.56MHz或微波2.45GHz），將通入腔體的氣體（一般為H2、O2或Ar）激發(fā)為等離子態(tài)，等離子粒子吸附在物體表面，發(fā)生物理或化學反應，物理反應主要是以轟擊的形式使污染物脫離表面，從而被氣體帶走，通常使用Ar氣來進行物理反應；化學反應是活性粒子與污染物發(fā)生反應，生成易揮發(fā)物質(zhì)再被帶走，在實際使用過程中，使用O2或者H2來進行化學反應。兩種處理方法各有優(yōu)勢：刮擦法直接刮除表面氧化污染層，露出“新鮮”金層，但是刮擦后表面不同位置金層厚度與表面平整度存在明顯差異，并且刮擦容易損傷金屬膜層并產(chǎn)生金屬多余物；等離子清洗用高能粒子活化金層表面，達到去除樣品表面污染物的目的，等離子清洗作用方式溫和，不損傷金屬膜層且不會產(chǎn)生金屬多余物。對裝配完成待鍵合基板進行等離子清洗，清洗效果見圖3所示。

圖3 等離子清洗前后待鍵合樣品對比

經(jīng)過等離子清洗處理方式得到的金絲破壞拉力平均值明顯高于表面刮擦處理后的拉力均值，并且經(jīng)過等離子清洗處理后，金絲鍵合的一致性高，每根金絲之間的差異小。而相比等離子清洗，手動刮擦處理后的樣品表面粗糙度、金層薄厚等差異性較大，同時，由于刮擦處理過程中會產(chǎn)生金屑等多余物，需要在鍵合前進行清理，不僅降低了生產(chǎn)效率，而且并不適用于自動化生產(chǎn)線的產(chǎn)品流轉(zhuǎn)，因此，采用等離子清洗的表面處理方式更適用于自動鍵合工藝中。