等离子清洗在微波多芯片组件金丝键合技术中的应用

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-05-05

现代军、民用电子装备，尤其是各武器系统中的雷达和通讯系统，正在向着小型化、轻量化、高工作频率、多功能、高可靠和低成本等方向发展，对组装和互联提出了越来越高的要求。随着相控阵体制在各类雷达和通讯等电子整机中的广泛应用，需要研制生产大量的小型化、高密度、多功能微波组件。微波组件技术经历了从分立电路、到混合微波集成电路、到单片微波集成电路、到微波多芯片组件的发展过程。目前，小型化、高密度、三维结构、多功能微波组件微组装技术已经成为国内外的研究和应用热点之一。

如图1所示，微波多芯片组件是各类复杂军/民用电子系统的核心部件，负责微波信号的收发、变频以及滤波等功能，具有技术指标要求高、实现难度大、价格昂贵、对系统性能具有决定性影响等特征。以相控阵雷达为例，一部相控阵雷达中包含成千上万个微波多芯片组件，微波多芯片组件成本占雷达成本的50%以上，雷达主要性能指标通常取决于成千上万各微波组件的制造一致性，因此微波多芯片组件的制造工艺对系统性能的提升至关重要。

图1 微波多芯片组件

微组装技术是实现电子装备小型化、轻量化、高密度互联结构、宽工作带宽、高工作频率、高功率密度以及高可靠性等工作目标的重要技术途径，从组装技术发展规律来看，组装密度每提高10%，电路模块的体积可减小30%、重量减小20%。微组装技术对减小微波组件的体积和重量，满足现代电子装备武器小型化、轻量化、数字化、低功耗的要求具有重要意义，因此微组装工艺技术在航天、航空，船舶等各平台的电子装备上得到了越来越广泛的应用。微组装技术是综合运用高密度多层基板技术、多芯片组件技术、三维组装和系统级组装技术，将集成电路的裸芯片、薄/厚膜混合电路、微小型表贴元器件进行高密度互联，构成三维立体结构的高密度、多功能模块化电子产品的一种先进电气互联技术。在微波多芯片组件制造过程中，实现各芯片之间的电气互联是核心环节，电气互联的可靠性与一致性将对微波多芯片组件性能与可靠性产生直接影响，微组装和主要工艺与核心环节如图2所示。

图2 微组装工艺环节与核心工艺

目前，实现微波多芯片组件中各芯片之间电气互联的技术有金丝键合、倒装焊与载带自动焊接三种。相比另外两种技术，金丝键合实现成本较低、一致性好，被广泛采用，是微组装中的核心工艺技术。

键合样品表面处理

从被键合对象看，影响键合质量的因素是被键合样品表面的清洁度与样品表面处理工艺。在产品的整个装配过程中键合区域难免会受到污染，如果不能有效清洁键合面，会造成虚焊、脱焊、键合强度偏低和键合一致性差等问题，产品的长期可靠性无法保证，因此需要对样品在键合前进行表面处理工艺，实现高洁净度的表面，满足后续金丝键合要求。表面处理工艺主要有手动刮擦与等离子清洗两种方式，手动刮擦是键合前采用刮刀刮去样品表面被氧化污染的金层，使表面露出未被污染与氧化的“新鲜”金层。

等离子清洗

等离子清洗是利用等离子体来达到清洗的效果。等离子体和固体、液体或气体一样，是物质的一种状态，也叫做物质第四态。对气体施加足够的能量使之离化便成为等离子体的状态。等离子体的“活性”组分包括：离子、电子、活性基团、激发态的核素（亚稳态）、光子等，等离子清洗的机理是通过激励电压（一般为低频40kHz、射频13.56MHz或微波2.45GHz），将通入腔体的气体（一般为H2、O2或Ar）激发为等离子态，等离子粒子吸附在物体表面，发生物理或化学反应，物理反应主要是以轰击的形式使污染物脱离表面，从而被气体带走，通常使用Ar气来进行物理反应；化学反应是活性粒子与污染物发生反应，生成易挥发物质再被带走，在实际使用过程中，使用O2或者H2来进行化学反应。两种处理方法各有优势：刮擦法直接刮除表面氧化污染层，露出“新鲜”金层，但是刮擦后表面不同位置金层厚度与表面平整度存在明显差异，并且刮擦容易损伤金属膜层并产生金属多余物；等离子清洗用高能粒子活化金层表面，达到去除样品表面污染物的目的，等离子清洗作用方式温和，不损伤金属膜层且不会产生金属多余物。对装配完成待键合基板进行等离子清洗，清洗效果见图3所示。

图3 等离子清洗前后待键合样品对比

经过等离子清洗处理方式得到的金丝破坏拉力平均值明显高于表面刮擦处理后的拉力均值，并且经过等离子清洗处理后，金丝键合的一致性高，每根金丝之间的差异小。而相比等离子清洗，手动刮擦处理后的样品表面粗糙度、金层薄厚等差异性较大，同时，由于刮擦处理过程中会产生金屑等多余物，需要在键合前进行清理，不仅降低了生产效率，而且并不适用于自动化生产线的产品流转，因此，采用等离子清洗的表面处理方式更适用于自动键合工艺中。