等离子清洗机在微波功能模块微组装技术中的应用

2017-01-16

1. 微组装技术概况

在提出微组装这一名词的初期,特指表面贴装技术发展到高一级的特定阶段,即指引脚中必间距小于化3mm间隙的元器件表面贴装技术,随着技术进一步发展,现在也泛指电路引线间距微小、或所生成的模块、组件、系统微小的各种形式封装、组装技术。也有说法;微组装技术是微电路组装技术的简称,即组装人员利用组装设备、工具,采用微型焊接、互连和封装等工艺技术将各种微型元器件、集成电路芯片、微小结构件等装配在多层互连基板上,最终使之成为高可靠、高密度、二维结构的微电子产品(模块/组件/部件/子系统/系统)的过程、方法与技术。

微组装技术主要应用对象为:微型元器件、微细间距、微小结构、微连接。

微组装技术主要应用场合为:器件级封装、电路模块级组装、微组件或微系统级组装。

微组装技术主要内容有:1)芯片焊接技术(导电胶粘接、共晶焊接、倒装焊法等);2)化片互连技术(引线键合、载带自动键合、微凸点连接等):3)器件三维组装技术(圆片级二维组装、芯片级二维组装、封装级H维组装);4)立体组装技术(芯片级立体组装、板级立体组装)。

微组装技术主要特征:1)在单块印制板(或基板)上装配多个元器件(包含有外封装和无外封装)W及其它微小零件形成电路模块(或组件、微系统、子系统);2)这种电路模块或组件具有专用的功能和性能;3)独立的电路模块或组件一般无外封装,也可W有外封装(当基板上装有未封装元器件时,或特殊需要时);4)多块独立的电路模块或组件可通过母板、垂直互连等技术组装成立体组件——维立体组装技术;5)多块独立的电路模块或组件可W通过母板、接插互连或线缆互连技术形成更髙级别的系统——整机互联技术;6)采巧元器件引脚间距小于化3mm间隙的表面组装技术;7)采用微连接、微封装方式组装微小型组件/系统;8)组装设计需要多学科优化和考虑微尺寸效应。

微组装技术发展方向、趋势:1)电子组装技术继续从单芯片向多总片发展,出现了多化片模块(MCM)、多芯片封装(MC巧、系统级封装(SI巧及芯片叠层等;2)从二维向三维方向发展,不仅出现了3D-MCM(MCM模块堆叠),也出现了3D-SIP等封装形式;3)元器件朝超小型方向发展,出现了0201、01005等更小的片式元件以及与芯片尺寸大小相同的超小型封装形式——圆晶级封装技术(WLP);4)低温共烧陶瓷(LTCC)多层基板技术:LTCC可以制成内埋多个无源元件(如电阻、电容等)的三维电路基板,在其表面贴装1C和无源器件,制成无源/有源集成的功能模块,进一步实现了微型化;5)组装技术与封装技术的融合:SOP技术在系统/子系统级组装中大量采用多芯片组件等新技术,把包含微电子、光电子、数字、模拟、射频和微机电系统集成封装为单一的组件系统;6)MEMS(微电子机械系统)微组装:涉及许多微加工技术,包括显微刻蚀、激光微钻孔、干膜及液态粘接工艺、微型焊接、微成型、混合微电子工艺及精密微装配工艺等;7)光电互联技术:通过光信号传输,把光源、互联通道、接受器等组成部分连成一体,彼此间交换信息的一种髙效的光和电混合互联技术。

2. 微组装工艺流程

T/R组件包含的基本功能模块主要有:电调衰减器、低噪声放大器、T/R开关、固态功率放大器、驱动放大器、数字孩相器、限幅器、环流器、移相器等等。虽然各基本功能模块的名字不同、主要功能不同,但从工艺角度出发,构成各模块的元器件、零部件、材料等大同小异,决定了它们的组装工艺流程也类似。

微组装主要工艺流程如下图所示,主耍工序有等离子清洗、芯片导电胶粘接、芯片共晶焊接、巧片真空烧结、金丝键合,可根据各模块的具体情况作适当调整,其中芯片共晶焊接、金丝键合是关键工序,芯片导电胶粘接是特殊控制过程,且在研究初期均未能得到很好的控制。

 

3. 等离子清洗技术介绍

物质常见的三种状态是固态、液态和气态,如果给与气态物质更多的能量,就会产生等离子体,等离子体包括电子、离子、光子、自由基和中性粒子。上世纪60年代,为了减少湿法清洗的污染及成本,等离子清洗技术开始起源。在高分子、光学、半导体、测量等领域,随着技术的快速发展,等离子清洗已得到广泛的应用。

与湿法清洗相比,等离子清洗的优势主要体现在W下几个方面;1)清洗过程只需几分钟即可完成,清洗时等离子可渗透到物体细小的角落并完成清洗任务,因此清洗效率高;2)经过等离子清洗后被清洗器件己经很干燥,无需再进行干燥处理。3)清洗时产生的气体及汽化的污垢被排出,在器件上无残留物;4)可清洗不同的基材,使用材料范围广;5)节省废物处理费用。

4. 等离子清洗原理介绍

等离子清洗设各的工作原理是在真空状态下,利用微波能量供给装置产生的高压交变电场将工艺腔室内的氧、氣、氨等工艺气体震荡形成具有高能量和高反应活性的等离子体,活性等离子体与微颗粒污染物或有机污染物发生物理轰击或化学反应,使被清洗表面物质变成粒子和挥发性气态物质,然后随工作气流经过抽真空排出,从而达到清洁、活化表面的目的。

等离子清洗主要是依靠等离子体中活性粒子的"活化作用"达到去除物体表面污渍的目的,根据清洗机理不同可分为物理清洗和化学清洗。Alpha Plasma等离子清洗机采用的是2.45Ghz微波等离子源,其主要应用清洗机理就是化学清洗。

以化学清洗为主的微波等离子清洗有以下几个优点:

无害处理过程,最低偏置电压;

②快速反应,极高电子密度;

③无电极的等离子发生方式,零维护;

④无UV紫外光线产生。

 

 

5. 等离子清洗工艺研究

在微组装中,等离子清洗是一个非常重要的环节,它直接影响到所组装功能模块的质量,等离子清洗工艺在微组装工艺中主要应用在以下两个方面。

①点导电胶前:基板上的污染物会导致基板浸润性差,点胶后不利于胶液平铺,胶液呈圆球状。使用等离子清洗可以使基板表面浸润性大大提高,有利于导电胶平铺及芯片粘贴,提高芯片粘接强度。

②引线键合前:芯片粘贴到基板上后,经过高温固化,其上存在的污染物可能包含有微颗粒及氧化物等,这些污染物使引线与芯片或基板么间枯附性差,造成键合强度不够。在引线键合前进行等离子清洗,会显著提高其表面活性,从而提高引线键合强度。

6. 等离子清洗工艺试验

微组装中等离子清洗对象主要有芯片键合区、基板语盘、引线框架、陶瓷基片等。本试验选用基板进行清洗,基板焊盘表面诞银、已氧化,采用微波等离子清洗机对基板进斤清洗试验,选用氮氢混合气体作为清洗工艺气体,在清洗过程中氢等离子体能够有效地去除基板焊盘上的氧化物。通过试验,有效地控制清洗时的压力、功率、时间及气体流量等工艺参数,能够获得良好的清洗效果。

7. 等离子清洗机清洗效果

通过以上参数设置对试验基板(焊盘锥银、已氧化)进行清洗,可以看到氧化银被充分还原,获得了良好的清洗效果。下图是试验基板清洗前、清洗后的图片。

 

等离子清洗就是为了改善表面的浸润特性,判定等离子清洗的效果就是判定表面的浸润特性是否改善以及改善的程度。浸润表面是亲水的,其润湿角小于90°;不浸润表面是憎水的,其润湿角大于90°。大多数污染物及氧化物是憎水(不浸搁)的,故可采用放大镜下观测润湿角来衡量基板表面的浸润性。

 

因此,通过试验比对观察,经等离子清洗过的基板,改善了浸润特性,减小了其涧湿角。

参考:部分摘录段佐勇,2014年,南京理工大学,光学工程,优秀硕士论文