等離子清洗機在DC/DC混合電路中的應用

等離子清洗機是利用等離子體中各粒子的能量, 通過(guò)化學(xué)或物理方式作用于物體表面, 改善物體表面狀態(tài)的工藝過(guò)程。不同等離子體電源會(huì )產(chǎn)生不同頻率的等離子體, 產(chǎn)生不同的作用效果。13.56 MHz射頻等離子體在物體表面既可以產(chǎn)生物理作用, 又可以產(chǎn)生化學(xué)作用, 對于射頻等離子清洗技術(shù)在改善集成電路粘接及鍵合質(zhì)量方面的研究已較為成熟, 在半導體封裝領(lǐng)域使用最為普遍,。

DC/DC混合電路屬于供電系統中的核心器件, 對其可靠性和使用壽命有著(zhù)嚴格的要求。DC/DC混合電路相比于普通集成電路, 組裝工藝通常包含回流焊、磁性元件粘接、引線(xiàn)鍵合、封蓋等工藝;原材料種類(lèi)多, 如外殼、基板、磁性材料、漆包線(xiàn)、粘接材料、焊接材料、鍵合材料等;在DC/DC混合電路生產(chǎn)各工藝環(huán)節中會(huì )有不希望出現的物理接觸面狀態(tài)變化、相變等, 對質(zhì)量帶來(lái)不利影響, 如引起焊料焊接孔洞增大、導電膠接觸電阻升高、金屬絲鍵合黏附強度退化甚至脫焊等, 對其生產(chǎn)中表面狀態(tài)的控制已成為必不可少的關(guān)鍵控制環(huán)節。

射頻等離子清洗技術(shù)在DC/DC混合電路生產(chǎn)中有兩類(lèi)應用, 第一類(lèi)主要是去除處理物體表面的外來(lái)物層, 如沾污層、氧化層等;第二類(lèi)主要是改善物體表面狀態(tài), 提高物體表面活性, 提高物體表面能等。

去除背銀芯片硫化物

單層或多層金屬化結構的背面金屬層芯片, 其表層金屬通常是金和銀, 采用背銀的芯片很容易發(fā)生銀的硫化及氧化, 將直接影響芯片的貼裝質(zhì)量。被硫化或氧化背銀的芯片采用導電膠粘接、氫氣燒結、再流焊貼裝均將有空洞率增大導致接觸電阻、熱阻增大和粘接強度下降等問(wèn)題。

典型等離子清洗去除背銀芯片硫化物圖

去除厚膜基板導帶上的有機沾污

DC/DC混合電路在組裝過(guò)程中會(huì )使用到焊膏、粘接劑以及接觸到助焊劑、有機溶劑等材料, 若以上有機材料附著(zhù)在厚膜基板導帶表面, 如在有機沾污的導帶上使用導電膠粘二極管, 將引起二極管導通電阻異常;在有機沾污的導帶上鍵合, 很容易引起鍵合強度下降甚至脫焊, 這些均會(huì )影響DC/DC混合電路的可靠性。

通過(guò)等離子清洗過(guò)后可以有效去除金導體厚膜基板導帶上的有機沾污。參見(jiàn)下圖, 厚膜基板上導帶經(jīng)過(guò)射頻等離子清洗后, 導帶上存在有機沾污發(fā)黃的部位完全消失, 表明有機沾污被去除。

典型等離子清洗去除厚膜基板導帶有機沾污圖

去除外殼表面氧化層

為了提高電路散熱能力, DC/DC混合電路通常將厚膜基板焊接在外殼上, 若外殼上氧化層沒(méi)有去除, 會(huì )導致焊接空洞率增大, 基板與管殼之間熱阻增大, 影響DC/DC混合電路的散熱及可靠性。DC/DC混合電路使用的金屬外殼表面通常鍍金或鍍鎳, 其中鍍鎳外殼存在易氧化的缺點(diǎn)。傳統去除外殼氧化層的方法為橡皮擦拭, 隨著(zhù)外殼結構越來(lái)越復雜, 外殼狹小部位已無(wú)法采用橡皮擦拭, 且橡皮擦拭存在引入多余物的風(fēng)險。

通過(guò)氬氣或氫氣作為清洗氣體的射頻等離子清洗, 可以很好地去除鍍鎳外殼表面的氧化層。由于等離子體在清洗艙內分布較為均勻, 可以實(shí)現復雜結構及狹小部位的清洗, 由下圖可以看出, 經(jīng)過(guò)射頻等離子清洗后, 焊料在管殼上浸潤性良好, 而沒(méi)有清洗的管殼存在焊料浸潤不良的問(wèn)題。

等離子清洗鍍鎳外殼焊接效果對比圖

提高油墨與蓋板的浸潤性

DC/DC混合電路蓋板打標工藝有激光打標、絲網(wǎng)漏印、噴墨打標等, 其中絲網(wǎng)漏印、噴墨打標均需要在蓋板表面使用油墨。部分蓋板由于表面光滑, 表面能較低, 油墨在蓋板表面容易出現浸潤不良、團聚現象, 導致印字清晰度差, 也容易導致標識耐溶劑性不合格。在等離子體環(huán)境中, 能量較高的活性粒子不斷轟擊蓋板表面, 一方面使得蓋板表面能提高, 一方面使得蓋板表面粗糙化, 可以有效提高油墨與蓋板表面的浸潤性。

經(jīng)過(guò)射頻等離子清洗處理后, 油墨與蓋板表面的浸潤性明顯提高, 沒(méi)有出現團聚現象, 參見(jiàn)下圖。

等離子清洗蓋板噴印打標效果對比圖

提高陶瓷材料表面活性

DC/DC混合電路中光耦通常使用陶瓷作為襯底或基座, 某些材質(zhì)的陶瓷無(wú)法與粘接劑形成良好的粘接界面, 存在粘接可靠性隱患。通過(guò)實(shí)驗發(fā)現射頻等離子清洗可以有效提高粘接劑與陶瓷的粘接強度。在等離子體轟擊瓷表面的情況下, 激發(fā)態(tài)原子、分子容易與陶瓷表面分子結合, 進(jìn)行能量傳遞, 形成新的激發(fā)態(tài)原子、分子, 提高高溫共燒陶瓷表面活性。

經(jīng)過(guò)射頻等離子處理光耦陶瓷粘接面后, 粘接劑在陶瓷界面有了明顯的殘留, 符合正常的粘接破壞模式, 而沒(méi)有處理的高溫共燒陶瓷界面沒(méi)有粘接劑殘留, 存在一定的粘接可靠性隱患。

等離子清洗陶瓷界面后的粘接界面殘留對比圖

提高鋁絲與焊盤(pán)相互擴散

鍵合前通過(guò)對DC/DC混合電路進(jìn)行射頻等離子清洗, 一方面可以去除芯片及導帶上的沾污, 提高鍵合成功率;另一方面可以提升鍵合絲與焊盤(pán)材料之間的相互擴散, 提高鍵合質(zhì)量。

等離子清洗前后芯片上鍵合效果圖

等離子清洗機在DC/DC混合電路生產(chǎn)的多個(gè)環(huán)節中起到關(guān)鍵作用: (1) 射頻等離子清洗可以去除背銀芯片硫化物、金屬外殼表面氧化物及厚膜基片上的有機沾污, 提升焊接及粘接的可靠性; (2) 射頻等離子清洗可以提高金屬蓋表面活性, 提升油墨在金屬蓋板上的浸潤性; (3) 射頻等離子清洗可以提升芯片表面焊點(diǎn)活性, 使得硅鋁絲與焊點(diǎn)形成良好的功率擴散。而不當的射頻等離子清洗帶來(lái)的陶瓷厚膜基板滲膠問(wèn)題可通過(guò)靜置或高溫烘烤以降低厚膜基板表面活性來(lái)解決, MOS器件損傷問(wèn)題可通過(guò)降低清洗功率及清洗時(shí)間或采用微波等離子清洗來(lái)解決。