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微組裝技術(shù)是實現(xiàn)電子裝備小型化、輕量化、高密度互聯(lián)結(jié)構(gòu)、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(biāo)的重要技術(shù)途徑,從組裝技術(shù)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(shù)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(shù)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(yīng)用。微組裝技術(shù)是綜合運用高密度多層基板技術(shù)、多芯片組件技術(shù)、三維組裝和系統(tǒng)級組裝技術(shù),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(gòu)成三維立體結(jié)構(gòu)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(shù)。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1所示。

圖1: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(shù)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(shù),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(shù)。金絲鍵合分為球形鍵合與楔形鍵合兩種,如圖2所示。

圖2:金絲球焊與金絲楔焊示意圖

按照正常的工藝流程,金絲鍵合之前,組件已經(jīng)經(jīng)歷了多道工序,造成了基板鍵合界面的污染,而在受污染的鍵合界面上鍵合金絲隨著時間的推移,更容易發(fā)生脫鍵失效。對于電子整機系統(tǒng)而言,任何鍵合點的松動或者脫落,都會導(dǎo)致其失靈,后果不堪設(shè)想。導(dǎo)致基板鍵合引線質(zhì)量可焊性和可靠性下降的主要原因是基板上的雜質(zhì)污染。

金絲鍵合前（Wire bonding）等離子清洗

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(xué)反應(yīng),物理反應(yīng)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(yīng);化學(xué)反應(yīng)是活性粒子與污染物發(fā)生反應(yīng),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(xué)反應(yīng)。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。

利用射頻等離子清洗設(shè)備,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。經(jīng)過等離子清洗,清洗件表面相比于清洗前污染物明顯減少,鍵合質(zhì)量大幅提升,鍵合強度的波動范圍減小,一致性大大提高。

圖3 等離子清洗后待鍵合樣品表面形貌對比

由于自動鍵合設(shè)備對樣品表面的一致性要求高,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。

等離子清洗工藝是干法清洗的一種重要方式,它無污染而且不分材料對象均可清洗。經(jīng)過等離子清洗,能夠顯著提高產(chǎn)品金絲鍵合的鍵合強度及鍵合拉力的一致性,從而使鍵合工藝獲得較好的質(zhì)量和成品率。