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微組裝技術是實現電子裝備小型化、輕量化、高密度互聯結構、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,從組裝技術發展規律來看,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,滿足現代電子裝備武器小型化、輕量化、數字化、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,構成三維立體結構的高密度、多功能模塊化電子產品的一種先進電氣互聯技術。在微波多芯片組件制造過程中,實現各芯片之間的電氣互聯是核心環節,電氣互聯的可靠性與一致性將對微波多芯片組件性能與可靠性產生直接影響,微組裝和主要工藝與核心環節如圖1所示。

圖1:微組裝工藝環節與核心工藝

目前,實現微波多芯片組件中各芯片之間電氣互聯的技術有金絲鍵合、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。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,組件已經經歷了多道工序,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,更容易發生脫鍵失效。對于電子整機系統而言,任何鍵合點的松動或者脫落,都會導致其失靈,后果不堪設想。導致基板鍵合引線質量可焊性和可靠性下降的主要原因是基板上的雜質污染。

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。在產品的整個裝配過程中鍵合區域難免會受到污染,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,實現高潔凈度的表面,滿足后續金絲鍵合要求。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,是物質的一種狀態,也叫做物質第四態。對氣體施加足夠的能量使之離化便成為等離子體的狀態。等離子體的“活性”組分包括:離子、電子、活性基團、激發態的核素(亞穩態)、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)激發為等離子態,等離子粒子吸附在物體表面,發生物理或化學反應,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生反應,生成易揮發物質再被帶走,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生金屬多余物。

利用射頻等離子清洗設備,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生金屑等多余物,需要在鍵合前進行清理,不僅降低了生產效率,而且并不適用于自動化生產線的產品流轉,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。經過等離子清洗,能夠顯著提高產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量和成品率。