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等離子清洗機(jī)在DC/DC混合電路中的應(yīng)用
等離子清洗機(jī)是利用等離子體中各粒子的能量, 通過化學(xué)或物理方式作用于物體表面, 改善物體表面狀態(tài)的工藝過程。不同等離子體電源會產(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(dǎo)體封裝領(lǐng)域使用最為普遍,。
DC/DC混合電路屬于供電系統(tǒng)中的核心器件, 對其可靠性和使用壽命有著嚴(yán)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、引線鍵合、封蓋等工藝;原材料種類多, 如外殼、基板、磁性材料、漆包線、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(jié)中會有不希望出現(xiàn)的物理接觸面狀態(tài)變化、相變等, 對質(zhì)量帶來不利影響, 如引起焊料焊接孔洞增大、導(dǎo)電膠接觸電阻升高、金屬絲鍵合黏附強(qiáng)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(jié)。
射頻等離子清洗技術(shù)在DC/DC混合電路生產(chǎn)中有兩類應(yīng)用, 第一類主要是去除處理物體表面的外來物層, 如沾污層、氧化層等;第二類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(jié)構(gòu)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(dǎo)電膠粘接、氫氣燒結(jié)、再流焊貼裝均將有空洞率增大導(dǎo)致接觸電阻、熱阻增大和粘接強(qiáng)度下降等問題。
典型等離子清洗去除背銀芯片硫化物圖
去除厚膜基板導(dǎo)帶上的有機(jī)沾污
DC/DC混合電路在組裝過程中會使用到焊膏、粘接劑以及接觸到助焊劑、有機(jī)溶劑等材料, 若以上有機(jī)材料附著在厚膜基板導(dǎo)帶表面, 如在有機(jī)沾污的導(dǎo)帶上使用導(dǎo)電膠粘二極管, 將引起二極管導(dǎo)通電阻異常;在有機(jī)沾污的導(dǎo)帶上鍵合, 很容易引起鍵合強(qiáng)度下降甚至脫焊, 這些均會影響DC/DC混合電路的可靠性。
通過等離子清洗過后可以有效去除金導(dǎo)體厚膜基板導(dǎo)帶上的有機(jī)沾污。參見下圖, 厚膜基板上導(dǎo)帶經(jīng)過射頻等離子清洗后, 導(dǎo)帶上存在有機(jī)沾污發(fā)黃的部位完全消失, 表明有機(jī)沾污被去除。
典型等離子清洗去除厚膜基板導(dǎo)帶有機(jī)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, 若外殼上氧化層沒有去除, 會導(dǎo)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(tǒng)去除外殼氧化層的方法為橡皮擦拭, 隨著外殼結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜, 外殼狹小部位已無法采用橡皮擦拭, 且橡皮擦拭存在引入多余物的風(fēng)險(xiǎn)。
通過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(nèi)分布較為均勻, 可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)及狹小部位的清洗, 由下圖可以看出, 經(jīng)過射頻等離子清洗后, 焊料在管殼上浸潤性良好, 而沒有清洗的管殼存在焊料浸潤不良的問題。
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(biāo)工藝有激光打標(biāo)、絲網(wǎng)漏印、噴墨打標(biāo)等, 其中絲網(wǎng)漏印、噴墨打標(biāo)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(xiàn)浸潤不良、團(tuán)聚現(xiàn)象, 導(dǎo)致印字清晰度差, 也容易導(dǎo)致標(biāo)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, 沒有出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象, 參見下圖。
等離子清洗蓋板噴印打標(biāo)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。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)射頻等離子清洗可以有效提高粘接劑與陶瓷的粘接強(qiáng)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(jié)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, 而沒有處理的高溫共燒陶瓷界面沒有粘接劑殘留, 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
提高鋁絲與焊盤相互擴(kuò)散
鍵合前通過對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(dǎo)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材料之間的相互擴(kuò)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(jī)在DC/DC混合電路生產(chǎn)的多個環(huán)節(jié)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(jī)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(kuò)散。而不當(dāng)?shù)纳漕l等離子清洗帶來的陶瓷厚膜基板滲膠問題可通過靜置或高溫烘烤以降低厚膜基板表面活性來解決, MOS器件損傷問題可通過降低清洗功率及清洗時(shí)間或采用微波等離子清洗來解決。
