多芯片微波組件激光打標(biāo)工藝研究*

趙 丹，胡 駿

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

多芯片微波組件激光打標(biāo)工藝研究*

趙 丹，胡 駿

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

采用紫外激光在多芯片微波組件上實(shí)現(xiàn)了鍍金盒體的標(biāo)識(shí)。分析了圖形處理和激光能量對(duì)打標(biāo)的影響。研究表明，激光溝道疊加填充方式實(shí)現(xiàn)了圖像的無縫隙打標(biāo)，通過原點(diǎn)和精確陣列模具的設(shè)計(jì)保證了標(biāo)記的位置精度在±0.1 mm以內(nèi)；另外，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明打標(biāo)的最佳激光能量為0.8 W，此時(shí)標(biāo)識(shí)清晰，激光蝕刻的厚度僅為0.24 μm,；標(biāo)識(shí)后的組件經(jīng)過48 h的鹽霧試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)組件表層有腐蝕現(xiàn)象，滿足產(chǎn)品要求。

多芯片微波組件；激光；標(biāo)識(shí)

1 引言

作為相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的核心部件——多芯片微波組件，在每部雷達(dá)系統(tǒng)中均包含成千上萬個(gè)相同的組件[1]，因此其性能好壞直接影響雷達(dá)系統(tǒng)的作戰(zhàn)指標(biāo)。根據(jù)GJB2438-2002《混合集成電路通用規(guī)范》要求，組件在粘接芯片、金絲互聯(lián)和密封之后，電路應(yīng)標(biāo)志出能識(shí)別最后密封周的代碼。在批產(chǎn)任務(wù)中，由于密封的時(shí)間不一致，組件只能在密封之后根據(jù)實(shí)際密封時(shí)間對(duì)相應(yīng)的組件進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

多芯片微波組件多采用金屬盒體，蓋板表層涂鍍鎳金作為保護(hù)層（其中鎳的厚度約為5 μm，金的厚度約為2 μm）。組件要求在打標(biāo)過程中不允許漏出鎳電鍍層，以滿足產(chǎn)品三防要求。

與傳統(tǒng)的電化學(xué)、移印[2]和機(jī)械刻字[3]等標(biāo)記方法相比，激光打標(biāo)具有無污染、高效率、耐久性好和不接觸工件等優(yōu)勢(shì)，在工業(yè)、國(guó)防等許多領(lǐng)域具有廣泛的用途。根據(jù)激光源的不同，激光打標(biāo)機(jī)可分為紅外激光打標(biāo)機(jī)和紫外激光打標(biāo)機(jī)。CO2等紅外激光主要是利用激光的熱作用造成目標(biāo)表面的升溫，引起熔化或汽化消蝕而形成標(biāo)記；對(duì)金屬材料打標(biāo)時(shí)由于較大的熱作用會(huì)導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生毛刺，容易破壞組件內(nèi)部的電氣互聯(lián)，影響組件的質(zhì)量。而紫外激光聚焦光斑直徑更小，打標(biāo)效果更精細(xì)；對(duì)比紅外激光，金屬對(duì)紫外激光的吸收率更高，更適合金屬材料的精密打標(biāo)。另外，與CO2激光、半導(dǎo)體激光和光纖激光相比，紫外激光是真正意義上的冷激光，與加工材料作用時(shí)間更短，對(duì)組件的熱影響效果最小，不會(huì)損壞組件的內(nèi)部芯片和結(jié)構(gòu)[4]。

本課題采用德國(guó)LPKF microline 350L紫外激光設(shè)備（技術(shù)參數(shù)如表1所示）對(duì)多芯片微波組件進(jìn)行打標(biāo)工藝研究。

表1 LPKF350L技術(shù)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)產(chǎn)品要求，在多芯片微波組件的蓋板上實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)，如圖1所示。主要的工藝技術(shù)要求為：①標(biāo)識(shí)清晰可見；②不損傷Au鍍層；③滿足鹽霧試驗(yàn)。為實(shí)現(xiàn)以上的技術(shù)要求，本課題以多芯片微波組件為研究對(duì)象，通過齊平工件和設(shè)置靶標(biāo)原點(diǎn)，根據(jù)圖紙要求，采用紫外激光設(shè)備（型號(hào)為L(zhǎng)PKF microline 350L，如圖2所示）通過擺動(dòng)振鏡的方式在樣件相應(yīng)位置進(jìn)行打標(biāo)；最后根據(jù)GJB548B的鹽霧試驗(yàn)要求對(duì)打標(biāo)樣件進(jìn)行工藝的可行性和可靠性分析。具體工藝過程如圖3所示。

圖1 多芯片微波組件表面打標(biāo)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1打標(biāo)圖形的設(shè)計(jì)

在常規(guī)的激光加工工藝過程中，如切割、鉆孔等，加工的數(shù)據(jù)一般都是由AutoCAD和CAM350等軟件轉(zhuǎn)換過來。它們通過直線、圓和字符串為基礎(chǔ)的圖形元素提供一組用來構(gòu)成圖形的實(shí)體，用戶通過特殊軟件進(jìn)行繪制和修改之后，形成生產(chǎn)文件。但由于組件打標(biāo)的數(shù)據(jù)主要是生產(chǎn)周代碼，輪廓型數(shù)字的繪制在CAD中比較煩瑣，同時(shí)在數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換過程中數(shù)據(jù)容易失真；另外，由于組件打標(biāo)的內(nèi)容隨著樣件生產(chǎn)時(shí)間的變動(dòng)，加工的數(shù)據(jù)也會(huì)有所不同，采用CAD軟件繪制圖形，也在無形中增加了很多工作量。因此本課題將根據(jù)設(shè)計(jì)師的要求，采用設(shè)備軟件自帶的數(shù)字編輯菜單選項(xiàng)來完成圖形的繪制，如圖4所示。根據(jù)設(shè)計(jì)文件的尺寸要求，我們?cè)O(shè)計(jì)相應(yīng)的字體、字高和間距，完成密封周代碼的編輯，如圖5所示。

圖2 LPKF microline 350L設(shè)備及內(nèi)部光路原理圖

圖3 激光打標(biāo)工藝流程

圖4 打標(biāo)數(shù)據(jù)設(shè)置界面

對(duì)于一般的工件而言，由于紫外激光的光束比較窄，線寬為25 μm，在激光加工過程中，激光和激光之間產(chǎn)生一定的縫隙，從而造成打標(biāo)樣件的模糊。為了實(shí)現(xiàn)打標(biāo)識(shí)的清晰可見，本課題通過設(shè)置溝道間的縫隙寬度，使得激光溝道疊加填充圖形的方式，保證激光能掃描到數(shù)字輪廓內(nèi)的所有區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)圖像的無縫隙打標(biāo)。另外，為保證組件打標(biāo)位置的一致性和準(zhǔn)確性，我們將原點(diǎn)設(shè)置在組件的左下角，然后通過CCD攝像頭進(jìn)行對(duì)位，保證了打標(biāo)的位置精度控制在20 μm以內(nèi)。同時(shí)，為滿足批產(chǎn)的要求，選用陣列式圖形的方式，將組件固定在特定的工裝磨具中，如圖6所示。

圖5 編輯后的打標(biāo)數(shù)據(jù)

圖6 打標(biāo)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)流程圖

3.2聚焦對(duì)工件的影響

在激光打標(biāo)中，材料上表面與聚焦透鏡焦點(diǎn)之間的距離稱為離焦量。焦點(diǎn)在材料表面之上所形成的離焦量為正，焦點(diǎn)在材料上表面之下所形成的離焦量為負(fù)，如圖7所示。當(dāng)其他條件一定時(shí)，離焦量的變化對(duì)打標(biāo)的深度和形狀有很重要的影響。當(dāng)焦點(diǎn)不在工件表面時(shí)，激光以會(huì)聚或發(fā)散的方式進(jìn)入材料，到達(dá)工件表面的激光寬度變大，能量密度無法達(dá)到最大，使得工件的圖案變得模糊，從而影響打標(biāo)的質(zhì)量。由于變頻蓋板打標(biāo)的深度很淺（幾百納米），因此我們將最佳的焦距設(shè)置在工件表面，即f=0。

圖7 離焦量對(duì)工件的影響

3.3激光能量對(duì)工件的影響

激光打標(biāo)時(shí)，作用在材料上的能量密度適中是一個(gè)至關(guān)重要的參數(shù)。在不加光欄的情況下，激光束焦點(diǎn)處能量密度的變化完全依賴于激光器輸出的脈沖能量的變化。由于柯伐盒體表面只鍍了2 μm的金層，當(dāng)能量低于0.3 W時(shí)，激光無法將表層的金層蝕刻，表面的圖形模糊不清，幾乎無法辨認(rèn)標(biāo)記；當(dāng)能量提高到0.8 W時(shí)，在50倍顯微鏡下檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)識(shí)清晰可見，而表層的Au層并未破壞，采用測(cè)厚儀設(shè)備分析，蝕刻掉的金層平均厚度在0.24 μm，如圖8所示。當(dāng)激光能量過大，超過1.5 W時(shí)，如圖9所示，激光將表面鍍金保護(hù)層破壞，露出鍍鎳層，變頻電路在環(huán)境試驗(yàn)中無法滿足鹽霧試驗(yàn)。

圖8 能量為0.8 W時(shí)的打標(biāo)樣件

圖9 能量為1.5 W時(shí)的打標(biāo)樣件

3.4環(huán)境驗(yàn)證

將打標(biāo)后的樣件進(jìn)行電性能測(cè)試，沒有發(fā)現(xiàn)變頻電路在打標(biāo)后存在故障。

另外，將打標(biāo)后的10件蓋板根據(jù)GJB548B中的方法1009.2進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)（48 h）。在整個(gè)試驗(yàn)過程中，沒有發(fā)現(xiàn)有組件表面被腐蝕，如圖10所示。采用測(cè)厚儀測(cè)試同一蓋板鹽霧試驗(yàn)的腐蝕情況，如圖11所示。從圖中發(fā)現(xiàn)組件在腐蝕前后蝕刻掉的金層厚度分別為0.3 μm和0.32 μm，這表明鹽霧試驗(yàn)沒有加深蝕刻的金層厚度，金層依然起到了防護(hù)作用。

圖10 鹽霧試驗(yàn)前后的組件表面

圖11 蓋板鹽霧試驗(yàn)前后蝕刻深度測(cè)試

4 結(jié)論

本研究以變頻電路為研究對(duì)象，通過圖紙優(yōu)化設(shè)計(jì)、激光工藝參數(shù)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了在變頻電路蓋板上的激光打標(biāo)。在變頻放大模塊的摸底試驗(yàn)（鹽霧試驗(yàn)）過程中，未發(fā)現(xiàn)組件有腐蝕現(xiàn)象，滿足產(chǎn)品批產(chǎn)要求。

[1] 李孝軒. 微波多芯片組件微組裝關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用研究[D]. 南京理工大學(xué)，2009.1-10.

[2] 韋春. 塑料移印油墨的研制[J]. 桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，1999，6（4）：287-289.

[3] 謝志江.大型工件表面電火花刻字技術(shù)[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，26（5）：14-17.

[4] 吳煜文. 紫外激光標(biāo)記空氣開關(guān)的工藝研究[J]. 華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，24（6）：1329-1334.

Research of Nondestructive Marker Printed on MMIC by UV Laser

ZHAO Dan, HU Jun
（China Electronics Technology Group Corporation No.38Research Institute,Hefei230088,China）

Nondestructive markers were printed on microwave multi-chip modules（MMIC）whose package was gold-plated using UV laser. The effect of image processing and laser energy on makers was investigated. The results indicate that the marker image could be filled by laser beans, and the precision was controlled between ±0.1 mm by camera calibration and special precision fixtures. The etch depth was about 0.24 μm when the laser energy was about 0.8 W. Additionally, corrosion phenomenon did not happened to the marked MMIC which was tested by salt spray method in 48 hours. All the results indicated that the batch processing could be realized.

microwave multi-chip modules; laser; nondestructive marker

TN305

A

1681-1070（2014）08-0032-04

趙 丹（1983—），男，浙江東陽(yáng)人，碩士，工程師，研究方向?yàn)槲㈦娐方M裝工藝技術(shù)。

2014-03-31

國(guó)防基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（A1120132016）