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            等離子清洗機在微波功能模塊微組裝技術中的應用

            2017-01-16

            1. 微組裝技術概況

            在提出微組裝這一名詞的初期,特指表面貼裝技術發展到高一級的特定階段,即指引腳中必間距小于化3mm間隙的元器件表面貼裝技術,隨著技術進一步發展,現在也泛指電路引線間距微小、或所生成的模塊、組件、系統微小的各種形式封裝、組裝技術。也有說法;微組裝技術是微電路組裝技術的簡稱,即組裝人員利用組裝設備、工具,采用微型焊接、互連和封裝等工藝技術將各種微型元器件、集成電路芯片、微小結構件等裝配在多層互連基板上,最終使之成為高可靠、高密度、二維結構的微電子產品(模塊/組件/部件/子系統/系統)的過程、方法與技術。

            微組裝技術主要應用對象為:微型元器件、微細間距、微小結構、微連接。

            微組裝技術主要應用場合為:器件級封裝、電路模塊級組裝、微組件或微系統級組裝。

            微組裝技術主要內容有:1)芯片焊接技術(導電膠粘接、共晶焊接、倒裝焊法等);2)化片互連技術(引線鍵合、載帶自動鍵合、微凸點連接等):3)器件三維組裝技術(圓片級二維組裝、芯片級二維組裝、封裝級H維組裝);4)立體組裝技術(芯片級立體組裝、板級立體組裝)。

            微組裝技術主要特征:1)在單塊印制板(或基板)上裝配多個元器件(包含有外封裝和無外封裝)W及其它微小零件形成電路模塊(或組件、微系統、子系統);2)這種電路模塊或組件具有專用的功能和性能;3)獨立的電路模塊或組件一般無外封裝,也可W有外封裝(當基板上裝有未封裝元器件時,或特殊需要時);4)多塊獨立的電路模塊或組件可通過母板、垂直互連等技術組裝成立體組件——維立體組裝技術;5)多塊獨立的電路模塊或組件可W通過母板、接插互連或線纜互連技術形成更髙級別的系統——整機互聯技術;6)采巧元器件引腳間距小于化3mm間隙的表面組裝技術;7)采用微連接、微封裝方式組裝微小型組件/系統;8)組裝設計需要多學科優化和考慮微尺寸效應。

            微組裝技術發展方向、趨勢:1)電子組裝技術繼續從單芯片向多總片發展,出現了多化片模塊(MCM)、多芯片封裝(MC巧、系統級封裝(SI巧及芯片疊層等;2)從二維向三維方向發展,不僅出現了3D-MCM(MCM模塊堆疊),也出現了3D-SIP等封裝形式;3)元器件朝超小型方向發展,出現了0201、01005等更小的片式元件以及與芯片尺寸大小相同的超小型封裝形式——圓晶級封裝技術(WLP);4)低溫共燒陶瓷(LTCC)多層基板技術:LTCC可以制成內埋多個無源元件(如電阻、電容等)的三維電路基板,在其表面貼裝1C和無源器件,制成無源/有源集成的功能模塊,進一步實現了微型化;5)組裝技術與封裝技術的融合:SOP技術在系統/子系統級組裝中大量采用多芯片組件等新技術,把包含微電子、光電子、數字、模擬、射頻和微機電系統集成封裝為單一的組件系統;6)MEMS(微電子機械系統)微組裝:涉及許多微加工技術,包括顯微刻蝕、激光微鉆孔、干膜及液態粘接工藝、微型焊接、微成型、混合微電子工藝及精密微裝配工藝等;7)光電互聯技術:通過光信號傳輸,把光源、互聯通道、接受器等組成部分連成一體,彼此間交換信息的一種髙效的光和電混合互聯技術。

            2. 微組裝工藝流程

            T/R組件包含的基本功能模塊主要有:電調衰減器、低噪聲放大器、T/R開關、固態功率放大器、驅動放大器、數字孩相器、限幅器、環流器、移相器等等。雖然各基本功能模塊的名字不同、主要功能不同,但從工藝角度出發,構成各模塊的元器件、零部件、材料等大同小異,決定了它們的組裝工藝流程也類似。

            微組裝主要工藝流程如下圖所示,主耍工序有等離子清洗、芯片導電膠粘接、芯片共晶焊接、巧片真空燒結、金絲鍵合,可根據各模塊的具體情況作適當調整,其中芯片共晶焊接、金絲鍵合是關鍵工序,芯片導電膠粘接是特殊控制過程,且在研究初期均未能得到很好的控制。

             

            3. 等離子清洗技術介紹

            物質常見的三種狀態是固態、液態和氣態,如果給與氣態物質更多的能量,就會產生等離子體,等離子體包括電子、離子、光子、自由基和中性粒子。上世紀60年代,為了減少濕法清洗的污染及成本,等離子清洗技術開始起源。在高分子、光學、半導體、測量等領域,隨著技術的快速發展,等離子清洗已得到廣泛的應用。

            與濕法清洗相比,等離子清洗的優勢主要體現在W下幾個方面;1)清洗過程只需幾分鐘即可完成,清洗時等離子可滲透到物體細小的角落并完成清洗任務,因此清洗效率高;2)經過等離子清洗后被清洗器件己經很干燥,無需再進行干燥處理。3)清洗時產生的氣體及汽化的污垢被排出,在器件上無殘留物;4)可清洗不同的基材,使用材料范圍廣;5)節省廢物處理費用。

            4. 等離子清洗原理介紹

            等離子清洗設各的工作原理是在真空狀態下,利用微波能量供給裝置產生的高壓交變電場將工藝腔室內的氧、氣、氨等工藝氣體震蕩形成具有高能量和高反應活性的等離子體,活性等離子體與微顆粒污染物或有機污染物發生物理轟擊或化學反應,使被清洗表面物質變成粒子和揮發性氣態物質,然后隨工作氣流經過抽真空排出,從而達到清潔、活化表面的目的。

            等離子清洗主要是依靠等離子體中活性粒子的"活化作用"達到去除物體表面污漬的目的,根據清洗機理不同可分為物理清洗和化學清洗。Alpha Plasma等離子清洗機采用的是2.45Ghz微波等離子源,其主要應用清洗機理就是化學清洗。

            以化學清洗為主的微波等離子清洗有以下幾個優點:

            無害處理過程,最低偏置電壓;

            ②快速反應,極高電子密度;

            ③無電極的等離子發生方式,零維護;

            ④無UV紫外光線產生。

             

             

            5. 等離子清洗工藝研究

            在微組裝中,等離子清洗是一個非常重要的環節,它直接影響到所組裝功能模塊的質量,等離子清洗工藝在微組裝工藝中主要應用在以下兩個方面。

            ①點導電膠前:基板上的污染物會導致基板浸潤性差,點膠后不利于膠液平鋪,膠液呈圓球狀。使用等離子清洗可以使基板表面浸潤性大大提高,有利于導電膠平鋪及芯片粘貼,提高芯片粘接強度。

            ②引線鍵合前:芯片粘貼到基板上后,經過高溫固化,其上存在的污染物可能包含有微顆粒及氧化物等,這些污染物使引線與芯片或基板么間枯附性差,造成鍵合強度不夠。在引線鍵合前進行等離子清洗,會顯著提高其表面活性,從而提高引線鍵合強度。

            6. 等離子清洗工藝試驗

            微組裝中等離子清洗對象主要有芯片鍵合區、基板語盤、引線框架、陶瓷基片等。本試驗選用基板進行清洗,基板焊盤表面誕銀、已氧化,采用微波等離子清洗機對基板進斤清洗試驗,選用氮氫混合氣體作為清洗工藝氣體,在清洗過程中氫等離子體能夠有效地去除基板焊盤上的氧化物。通過試驗,有效地控制清洗時的壓力、功率、時間及氣體流量等工藝參數,能夠獲得良好的清洗效果。

            7. 等離子清洗機清洗效果

            通過以上參數設置對試驗基板(焊盤錐銀、已氧化)進行清洗,可以看到氧化銀被充分還原,獲得了良好的清洗效果。下圖是試驗基板清洗前、清洗后的圖片。

             

            等離子清洗就是為了改善表面的浸潤特性,判定等離子清洗的效果就是判定表面的浸潤特性是否改善以及改善的程度。浸潤表面是親水的,其潤濕角小于90°;不浸潤表面是憎水的,其潤濕角大于90°。大多數污染物及氧化物是憎水(不浸擱)的,故可采用放大鏡下觀測潤濕角來衡量基板表面的浸潤性。

             

            因此,通過試驗比對觀察,經等離子清洗過的基板,改善了浸潤特性,減小了其澗濕角。

            參考:部分摘錄段佐勇,2014年,南京理工大學,光學工程,優秀碩士論文




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