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低放模块的微组装工艺研究

作者: 发布时间:2020-01-20 13:40:25 阅读: 52 次

    摘要:低放模块朝着高频率、高可靠性、小体积、低成本的趋势发展,传统组装工艺已不能满足装配要求,微组装技术能有效地解决这一技术难题。针对微组装过程中的等离子清洗、真空共晶焊接、环氧粘接、金丝键合等几个关键工序进行深入研究,获得合理的工艺参数。

   关键词:低放模块  微组装  工艺技术

1  引言

   放模块是把接收到的小信号转换成具有指定功率和调制形式的大功率信号,故要求其具有低的噪声系数和高的增益,低放模块芯片是裸芯片,传统焊接及接线方式根本无法组装,采用微组装技术,能有效解决低放模块的焊接空洞、引线连接、阻抗匹配等问题。

2  低放模块微组装的主要工艺流程分析

   根据低放模块应用场合不同,其微组装过程也稍许区别,但主要的工艺流程不变,现根据某预研产品所设计的低放模块进行组装,工艺流程:等离子清洗→真空共晶焊接→环氧粘接→等离子清洗→金丝键合。

2.1等离子清洗工艺技术分析

微组装中,等离子清洗直接影响组装功能模块的质量。它可以有效清除器件和材料表面各种玷污,提高芯片粘贴质量、增强引线键合强度、改善封装质量。根据需要采用氮氢混合气体和氩气作为清洗工艺气体,等离子体能够有效地去除芯片、印制板、电容上的玷污和氧化物。工艺参数如表1

1 等离子清洗工艺参数

材料

清洗气体

工艺参数

清洗对象

压力(Pa)

功率(W)

时间

s

气体流(ml/min)

芯片、电容、印制板

氮氢混合气

60

400

300

250

氧化物

氩气

60

300

480

250

污染物

2.2 真空共晶焊接工艺技术分析

   低放模块共晶焊接时,若焊接面有过多的空洞,可能引起接地不良使热阻增加,烧坏芯片。传统的镊子共晶焊接是开放式焊接,焊接温度很难保证,空气中的氧气和水分也会影响焊接效果,很难实现无空洞或者低空洞率的共晶焊接。因此我们采用真空共晶焊接技术进行功率芯片的焊接。真空共晶焊接是在真空环境中进行的软钎焊,在工作腔体中充入适当的工艺气体,以提高焊接质量。

2.2.1 真空共晶焊接焊料选择

    真空共晶焊接应据焊接器件选择焊料。由于低放模块芯片镀金,选择金锡焊料见表2。为了使热阻更低,选Au80Sn,要求焊料表面清洁平整,无气泡和起皮等缺陷,两边和两端无破裂及卷边。

                      2  金锡焊料成分与熔化温度对比表

牌号

主要成分(%)

熔化温度(℃)

Au

Sn

Au80Sn

80

20

275-285

Au10Sn

10

90

217-227

Au8Sn

8

92

217-232

 

2.2.2 真空共晶焊接温度曲线的确定

     真空共晶焊接温度曲线是决定低放模块焊接质量的重要工艺参数,包括温度均匀性和升降温速率。通常情况下,温度高的地方优先被焊料浸润和铺展,这要求焊接处温度均匀。温区设置见表3

3 真空共晶焊接设置温度

温区

预热

预热升温

保温

焊接升温

焊接

降温

时间(s)

30

10

30

10

60

60

30

60

60

30

5

35

90

40

120

温度()

60

60

60

60

120

180

230

275

275

335

340

340

275

230

50

 

2.3 环氧粘接技术

   环氧树脂种类繁多,其中掺银环氧粘贴法是当前更流行的芯片粘贴方法之一,掺银环氧通常叫银浆,固化温度低。低放模块微组装过程中,环氧粘接用于电容、印制板和基板之间的连接,电容和基板之间通过环氧贴片机粘接,印制板和基板采用手工粘接。粘接完成后,必须将低放模块组件放入烘箱中烘干,使银浆固化,保证粘接的质量和可靠性,烘干温度和时间见表4

4  银浆烘干温度与时间对比表

环氧材料

烘干温度(℃)

烘干(min

导电银浆

150

5

Epotek H20E

120

15


80

180

2.4金丝键合工艺技术分析

2.4.1金丝键合温度

    键合工艺对温度有较高的控制要求,温度过高会产生过多的氧化物,影响键合质量;温度过低又不能使焊点处的金属流动性达到焊接要求。正确的加热方式可以增加焊点处的金属流动性,为焊接面提供较好的接触交界面和金属结构,有利于焊点的快速键合,提高焊点的键合强度。

2.4.2 金丝键合时间

    通常的键合时间都在毫秒级。一般来说,键合时间越长,键合点的直径就越大,界面强度增加而颈部强度降低。但过长的时间,会使键合点尺寸过大,超出焊盘边界并且导致空洞生成概率增大,使焊点机械强度减弱,重者会破坏焊点,因此合适的键合时间显得尤为重要。

2.4.3 超声功率与键合压力

超声功率对键合质量和外观影响更大,因为它对键合处的变形起主导作用。过小的功率会导致键合处过窄、未成形的键合或尾丝翘起;过大的功率导致根部断裂、键合塌陷或焊盘破裂。超声波的水平振动是导致焊盘破裂的更大原因。压力是超声热压键合的必要条件。施加压力是为了使引线与电极金属化层紧密地接触。压力太小,劈刀不能牢固地压住引线,超声功率不能传递到引线与电极金属化层的交界面,不能使引线与电极金属化层产生相对摩擦。压力过大,引线的变形增大,会切断引线或破坏电极金属化层,导致焊接不可靠。

根据低放模块键合界面(放大芯片、电容、印制板)的特点,经过工艺试验,对低放模块金丝键合工艺参数进行不断的优化,确定了工艺参数(见表5),经专用的拉力测试仪进行检测,其键合强度符合《GJB548A-96微电子器件试验方法和程序》的要求。

5 金丝键合工艺参数

键合界面

工艺参数

温度(℃)

时间(ms)

压力(g)

功率(mW)

低放模块芯片

150

40

20

250

电容

150

30

20

220

印制板

150

40

20

270

 

3 工艺试验情况

   低放模块组装工艺过程采用以上工艺参数进行微组装后,用噪声系数分析仪进行测试,其噪声系数为3dB,增益为24dB,满足设计技术指标要求。

4 结束语

根据低放模块微组装的实际情况,对微组装中等离子清洗、真空共晶焊接、环氧粘接及金丝键合工艺过程进行深入分析,并结合工艺试验确定了相关工艺参数,为低放模块的微组装提供了有力的工艺支持。

 

参考文献:

[1]  电子微连接技术与材料 杜长华 陈方 2008.2  机械工业出版社。

[2]  微电子焊接与封装  金德宣 张晓梅 1996.11  电子科技大学出版社。