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1所示。

图1: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。金丝键合分为球形键合与楔形键合两种,如图2所示。

图2:金丝球焊与金丝楔焊示意图

按照正常的工艺流程,金丝键合之前,组件已经经历了多道工序,造成了基板键合界面的污染,而在受污染的键合界面上键合金丝随着时间的推移,更容易发生脱键失效。对于电子整机系统而言,任何键合点的松动或者脱落,都会导致其失灵,后果不堪设想。导致基板键合引线质量可焊性和可靠性下降的主要原因是基板上的杂质污染。

金丝键合前（Wire bonding）等离子清洗

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。

利用射频等离子清洗设备,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。经过等离子清洗,清洗件表面相比于清洗前污染物明显减少,键合质量大幅提升,键合强度的波动范围减小,一致性大大提高。

图3 等离子清洗后待键合样品表面形貌对比

由于自动键合设备对样品表面的一致性要求高,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。

等离子清洗工艺是干法清洗的一种重要方式,它无污染而且不分材料对象均可清洗。经过等离子清洗,能够显著提高产品金丝键合的键合强度及键合拉力的一致性,从而使键合工艺获得较好的质量和成品率。