應(yīng)用于雷達(dá)TR組件微組裝中的氣相清洗技術(shù)*

林文海

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第38研究所，合肥 230088）

1 引言

隨著21世紀(jì)雷達(dá)科學(xué)的發(fā)展，相控陣?yán)走_(dá)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在其中的TR組件通常配備了幾千到幾萬(wàn)個(gè)組成陣列的功能模塊，起到了相控陣?yán)走_(dá)的核心作用。由于雷達(dá)目前應(yīng)用領(lǐng)域正從地面逐漸向海洋、天空、太空擴(kuò)展，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，結(jié)合當(dāng)前雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展情況，為了減輕艦船、飛機(jī)和衛(wèi)星的負(fù)載，有源相控陣TR組件在要求具備大功率、高效率、低噪聲的同時(shí)，體積要盡可能小，重量要盡可能輕。這一需求引領(lǐng)著雷達(dá)的核心模塊——TR組件在朝著微型化、輕型化的道路上不斷前進(jìn)[1～4]。

空載、星載雷達(dá)中TR組件通常會(huì)承受較多的振動(dòng)和較大的溫度變化，并存在維修、更換、調(diào)試等困難。由此要求組件具備極高的可靠性，造成問(wèn)題的潛在隱患，例如組件中有可能造成振動(dòng)碰撞損害和腐蝕污染損害的污染物要盡可能在組裝制造過(guò)程中就排除掉。而在小型化TR組件的組裝制造過(guò)程中，為了減輕重量、縮小體積，基板線路之間的線寬間距不斷縮小，同時(shí)為了最大化利用組件內(nèi)的空間，通常放棄使用具備外殼的封裝好的芯片，而改為應(yīng)用體積更小、重量更輕的裸芯片。目前TR組件中常用的LTCC基板，以金或銀作為導(dǎo)體金屬材料，內(nèi)部埋置電阻、電感和電容，最小通孔達(dá)到了300 μm，線條及間距最小150 μm；而薄膜基板的內(nèi)部甚至可以埋置簡(jiǎn)單芯片，線條及間距達(dá)到了50 μm，最小通孔達(dá)到了25 μm[5～6]。

組件尺寸的不斷縮小造成了組裝、封蓋和使用過(guò)程中產(chǎn)生的細(xì)微污染物與器件尺寸和線寬尺寸的相對(duì)大小不斷上升，由此會(huì)對(duì)微型TR組件電性能、可靠性等造成比原中型、大型TR組件更嚴(yán)重的影響；焊盤(pán)表面的污染物在溫度變化時(shí)會(huì)影響金絲球焊和壓焊的附著力；同時(shí)，這些污染物也留下了短路和腐蝕等各種使用過(guò)程中的隱患；TR組件通常都需要密封，以顆粒形式存在的污染物會(huì)在密封的殼體遭遇振動(dòng)時(shí)四處碰撞，造成撞壞裸芯片精細(xì)結(jié)構(gòu)、導(dǎo)致電氣性能惡化等嚴(yán)重后果，進(jìn)一步影響整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的運(yùn)行。

與此同時(shí)，傳統(tǒng)的超聲清洗、刷洗等手段也在微型TR組件清洗方面遇到了問(wèn)題：在TR組件中，目前裸芯片上應(yīng)用了空氣橋避讓技術(shù)，在大幅度縮小芯片體積、提高裸芯片性能的同時(shí)，也讓芯片表面變得不能承受超聲過(guò)程或刷洗過(guò)程中產(chǎn)生的力和振動(dòng)；裸芯片與高密度基板上焊盤(pán)的聯(lián)接過(guò)程中還使用了金絲鍵合技術(shù)，完成鍵合后的組件受到力和振動(dòng)可能會(huì)影響金絲拱高和拱形，影響微波性能，同時(shí)還會(huì)降低鍵合的可靠性，甚至導(dǎo)致鍵合失效。

隨著裸芯片、高密度基板等精密器件的大規(guī)模應(yīng)用，需要我們?cè)诮M件微組裝貼裝裸芯片后的清洗過(guò)程中盡可能利用振動(dòng)小、沖擊力弱、清洗效率高的工藝來(lái)解決TR組件的清洗問(wèn)題。而氣相清洗以其無(wú)機(jī)械力作用、無(wú)振動(dòng)、環(huán)保高效的特點(diǎn)正在成為T(mén)R組件微組裝制造中清洗工藝的首選。

2 氣相清洗工藝概述

氣相清洗的原理是通過(guò)加熱槽內(nèi)的溶劑被加熱后沸騰成為蒸汽，上升形成氣相區(qū)，需要被清洗的組件放置在氣相區(qū)內(nèi)，通過(guò)制冷讓組件和裸芯片處于溫度較低的狀態(tài)，與蒸汽接觸時(shí)因?yàn)闇囟炔畹淖饔茫瑢⒄羝淠梢后w，溶解組件表面的油脂，通過(guò)沖洗等作用帶下組件表面的顆粒污染物，回到加熱槽內(nèi)變成清洗液；清洗液通過(guò)加熱又再次氣化成蒸汽，上升與組件進(jìn)行接觸，進(jìn)行循環(huán)清洗。該循環(huán)的關(guān)鍵是蒸汽本身不存在不可汽化的污染物，不會(huì)讓油脂、小顆粒等污染物離開(kāi)加熱槽，保證了被清洗組件始終只與清洗溶劑的蒸汽接觸，這樣就克服了常規(guī)清洗過(guò)程中存在的污染物溶解后在清洗液中造成的濃差極化導(dǎo)致清洗效率下降的問(wèn)題。

當(dāng)前一般認(rèn)為氣相清洗技術(shù)適用于清洗組件中基板表面及裸芯片上的助焊劑、油脂、操作人員留下的皮屑等其他污垢。氣相清洗設(shè)備通常配備有干燥系統(tǒng)、溶劑過(guò)濾、回收系統(tǒng)，在降低生產(chǎn)成本的同時(shí)能夠保證較高的清洗效率。但是每種清洗技術(shù)都不是萬(wàn)能的，對(duì)于某些特定的污染物，氣相清洗基于它本身原理的限制，并不能夠在有限的清洗時(shí)間內(nèi)完成清洗任務(wù)，而帶有一定熱量的溶劑蒸汽過(guò)長(zhǎng)時(shí)間接觸基板和裸芯片表面，也會(huì)產(chǎn)生不可預(yù)測(cè)的副作用。為了更好地利用該技術(shù)為雷達(dá)組件生產(chǎn)服務(wù)，筆者在TR組件微組裝制造過(guò)程實(shí)踐中進(jìn)行了氣相清洗實(shí)驗(yàn)研究，希望在介紹該清洗方法的同時(shí)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中總結(jié)出哪些污染物容易利用氣相清洗去除，哪些是氣相清洗方法比較難處理的，在氣相清洗適用的情況下運(yùn)用多長(zhǎng)的工藝時(shí)間更合適，從而為T(mén)R組件的微組裝制造提供參考。

圖1 氣相清洗原理圖

3 實(shí)例分析

3.1 對(duì)常見(jiàn)外來(lái)環(huán)境污染物的清洗能力

指紋、油墨、唾沫是在TR組件組裝制造中常見(jiàn)的外來(lái)污染物，為了驗(yàn)證氣相清洗對(duì)這些污染物的清洗能力，我們以某型號(hào)產(chǎn)品鍍金的柯伐板為例，在鍍金柯伐板上按壓指紋印，同時(shí)用中性筆油墨在鍍金柯伐板上寫(xiě)字，再進(jìn)行唾沫處理。待處理后進(jìn)行氣相清洗實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證清洗效果。在氣相清洗中，溴丙烷因?yàn)槠浞悬c(diǎn)合適（71℃），既能夠保證較低的能耗和較短的預(yù)熱時(shí)間，又能夠在遇冷時(shí)迅速冷凝液化；同時(shí)生理毒性較低，溶解污染物能力強(qiáng)，成為氣相清洗工藝中最常見(jiàn)的清洗劑，本文中因此而選用商用溴丙烷作為氣相清洗劑。

圖2 沾有指紋、油墨、唾沫的某型號(hào)產(chǎn)品鍍金柯伐板

圖3 氣相清洗20 min后的某型號(hào)產(chǎn)品鍍金柯伐板

圖4 氣相清洗4次、每次20 min后的某型號(hào)產(chǎn)品鍍金柯伐板

圖5 將圖4中鍍金柯伐板再通過(guò)機(jī)械摩擦等方法清洗后

3.1.1 對(duì)指紋的清洗能力

從圖2和圖3中指紋印部分（圖2中右側(cè)紋路部分）的對(duì)比中可以看到，清洗前按壓的指紋印在通過(guò)1次20 min氣相清洗處理后已經(jīng)基本清洗干凈，在低倍顯微鏡下進(jìn)行目檢觀察，沒(méi)有留下殘留的痕跡，證明清洗效果良好。

3.1.2 對(duì)油墨的清洗能力

從圖2和圖3、圖4中油墨部分（“正”字圖案為中性筆油墨）的對(duì)比中可以看到，清洗前寫(xiě)上的中性筆油墨印在通過(guò)1次20 min氣相清洗后僅僅輕微變淡，在低倍顯微鏡下殘留的痕跡依舊非常明顯，在相同工藝參數(shù)下反復(fù)經(jīng)過(guò)4次氣相清洗后，痕跡依舊明顯，證明氣相清洗采用通用的溴丙烷作為溶劑對(duì)中性筆油墨造成的污染物沒(méi)有達(dá)到良好的清洗效果。從圖5中可以看到，通過(guò)機(jī)械摩擦等方法清洗后，油墨印消失，僅留下中性筆在金鍍層上的劃痕，這說(shuō)明氣相清洗在具有無(wú)機(jī)械力作用、無(wú)振動(dòng)、能夠保證組件無(wú)損傷的特點(diǎn)的同時(shí)，清洗能力不足以讓油墨分子離開(kāi)鍍金柯伐板。這是因?yàn)橛湍肿优c指紋印不同，與鍍金層結(jié)合力較強(qiáng)，在不改變?nèi)軇┑那闆r下僅采用氣相清洗工藝很難將其清洗干凈。

3.1.3 對(duì)鍍金柯伐板唾沫痕跡的清洗能力

從圖1和圖2、圖3中唾沫痕跡（圖中為深色、不規(guī)則形狀部分）的對(duì)比中可以看到，清洗前鍍金柯伐板上的唾沫痕跡在通過(guò)1次20 min氣相清洗后在低倍顯微鏡下基本看不出變化，在相同工藝參數(shù)反復(fù)清洗4次后，變化依舊不明顯，證明氣相清洗采用通用的溴丙烷作為溶劑對(duì)唾沫造成的鍍金層污染達(dá)不到良好的清洗效果。從圖5中可以看到，通過(guò)機(jī)械摩擦等方法清洗后，唾沫痕跡明顯變淡，這說(shuō)明采用溴丙烷作為清洗溶劑條件下的氣相清洗對(duì)唾沫痕跡的清洗能力非常不好。

3.2 對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中殘留助焊劑的清洗能力及對(duì)焊接區(qū)域和導(dǎo)電膠的影響

在TR組件組裝制造中，對(duì)表貼元器件和裸芯片的固定必須采用焊接方式或?qū)щ娔z膠接的方式，在焊接過(guò)程中焊膏中自帶的助焊劑或焊片焊接所需要刷上的助焊劑不可避免的會(huì)留下殘留，氣相清洗工藝是否能夠?qū)⑵淝逑锤蓛?，在清洗的同時(shí)有機(jī)清洗溶劑是否會(huì)對(duì)焊接區(qū)域本身以及固化后的導(dǎo)電膠產(chǎn)生破壞作用是清洗工藝師們廣泛關(guān)注的問(wèn)題。我們以某型號(hào)產(chǎn)品LTCC鍍金基板為例，在基板上涂上焊膏，進(jìn)行升溫將它熔化，另取相同基板，點(diǎn)上導(dǎo)電膠，升溫固化后進(jìn)行氣相清洗實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證清洗效果。

3.2.1 對(duì)固化后的含銀導(dǎo)電膠的影響分析

從圖6、圖7和圖8中固化后含銀導(dǎo)電膠的膠點(diǎn)（圖6～8中銀白色圓點(diǎn)）對(duì)比中可以看到，清洗前固化的含銀導(dǎo)電膠在通過(guò)1次20 min的氣相清洗后，在低倍顯微鏡下觀察不到任何變化，形狀完整，輪廓清晰，證明用溴丙烷作為清洗溶劑的氣相清洗工藝對(duì)固化后的含銀導(dǎo)電膠外觀沒(méi)有影響， LTCC鍍金組件中元器件導(dǎo)電膠粘接的可靠性基本不會(huì)因氣相清洗而造成影響。

圖6 涂敷有已固化導(dǎo)電膠的某型號(hào)產(chǎn)品LTCC鍍金基板

圖7 氣相清洗20 min后的涂敷有已固化導(dǎo)電膠的某型號(hào)產(chǎn)品LTCC鍍金基板

圖8 氣相清洗4次、每次20 min后的涂敷有已固化導(dǎo)電膠的某型號(hào)產(chǎn)品LTCC鍍金基板

圖9 涂敷有已升溫固化焊膏的某型號(hào)產(chǎn)品LTCC鍍金基板

3.2.2 對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中殘留的助焊劑的清洗能力分析

從氣相清洗前圖9、圖12中殘留的助焊劑（圖9、圖12中銀白色焊料上和周?chē)纳钌撸┡c清洗后圖10、圖13的對(duì)比中可以看到，清洗前在焊料上和焊料周?chē)纳钌竸┩ㄟ^(guò)1次20 min氣相清洗后，在低倍顯微鏡下觀察不到任何殘留，表面干凈、光亮。這證明用溴丙烷作為清洗溶劑的氣相清洗工藝對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中殘留的助焊劑具備極佳的清洗能力。與此同時(shí)，圖11證明了焊接區(qū)域的焊料本身沒(méi)有任何變化，經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間的溴丙烷作為溶劑的氣相清洗，焊接區(qū)域依然形狀完整、輪廓清晰，這說(shuō)明氣相清洗工藝在除去助焊劑的同時(shí)基本不會(huì)影響LTCC鍍金組件中元器件焊接區(qū)域的可靠性。

圖10 氣相清洗20 min后的涂敷有已升溫固化焊膏的某型號(hào)產(chǎn)品LTCC鍍金基板

圖11 氣相清洗4次、每次20 min后的涂敷有已升溫固化焊膏的某型號(hào)產(chǎn)品LTCC鍍金基板

圖12 涂敷有已升溫固化焊膏的某型號(hào)產(chǎn)品LTCC鍍金基板

4 氣相清洗技術(shù)總結(jié)

以上我們研究了以溴丙烷作為清洗劑的氣相清洗技術(shù)在雷達(dá)TR組件微組裝中的應(yīng)用，可以得到下面一些結(jié)論：

以溴丙烷作為氣相清洗劑，運(yùn)用氣相清洗工藝，能夠有效地對(duì)柯伐鍍金材質(zhì)上的指紋印和LTCC陶瓷基板上鍍金焊盤(pán)部位的助焊劑殘留進(jìn)行清洗，僅需1次20 min的蒸汽冷凝洗滌過(guò)程即能明顯去除鍍金層上的污染物。

圖13 氣相清洗20 min后的涂敷有已升溫固化焊膏的某型號(hào)產(chǎn)品LTCC鍍金基板

表1 部分常見(jiàn)溶劑的哈斯常數(shù)表

該氣相清洗工藝實(shí)施過(guò)程中，對(duì)LTCC陶瓷基板上已經(jīng)完成升溫固化過(guò)程的含銀導(dǎo)電膠外觀上沒(méi)有影響，對(duì)焊接完成的焊料區(qū)域也沒(méi)有影響，意味著該工藝可以為完成表貼元器件和裸芯片點(diǎn)膠貼片后的組件進(jìn)行清洗，這對(duì)于當(dāng)前裸芯片運(yùn)用越來(lái)越廣泛的雷達(dá)TR組件微組裝來(lái)說(shuō)具有特殊的意義：由于裸芯片上存在大量空氣橋等易損精細(xì)結(jié)構(gòu)，超聲波清洗、刷洗等常規(guī)手段會(huì)對(duì)這些結(jié)構(gòu)造成損傷，在此情況下如果微組裝過(guò)程中引入污染物，意味著整個(gè)組件有無(wú)法清洗、報(bào)廢的危險(xiǎn)；另外在單個(gè)裸芯片或器件出現(xiàn)損害需要返修時(shí)，返修過(guò)程中不可避免地會(huì)出現(xiàn)污染物，考慮到組件內(nèi)部還有其他功能完好的裸芯片，同樣不能運(yùn)用超聲波清洗和刷洗。氣相清洗在這種特殊條件下具備的清洗能力，對(duì)雷達(dá)TR組件微組裝和返修過(guò)程來(lái)說(shuō)意義重大。

與此同時(shí)我們要認(rèn)識(shí)到，以溴丙烷作為清洗劑的氣相清洗工藝，對(duì)唾液殘留和油墨污染物幾乎不具備清洗能力，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)的嘗試，污染表面依然沒(méi)有明顯的變化，這可能是由于污染物本身和鍍金柯伐表面結(jié)合緊密，單純的無(wú)機(jī)械作用力的清洗不足以將它們?nèi)芙?、帶離底材表面。從表征溶劑溶解能力的哈斯常數(shù)表中可以查到（見(jiàn)表1），溴丙烷的Polarity常數(shù)和Hydrogen bonding常數(shù)都處于中等水平，對(duì)極性或非極性的污染物都具備有一定的清洗能力，但是也由于這個(gè)原因，對(duì)于極性非常強(qiáng)或非常弱的污染物來(lái)說(shuō)，清洗能力就很弱了。對(duì)于鍍金柯伐板上的唾沫痕跡來(lái)說(shuō)，就不能夠?qū)⑺芙?。在不利用機(jī)械摩擦的情況下，得不到能接受的清洗結(jié)果。

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