微波固態(tài)電路腔體的磁控濺射鍍銀工藝研究

李曉艷，仝曉剛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川成都 610036)

引 言

現(xiàn)代軍、民用電子裝備，尤其是機(jī)載、艦載、星載及車載等雷達(dá)和通訊系統(tǒng)，正在向小型化、輕量化、高工作頻率、高可靠和低成本等方向發(fā)展［1］。微波固態(tài)電路由于消除了許多接頭，制作重復(fù)性好，性能優(yōu)良，調(diào)整方便，體積小，質(zhì)量輕，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用［2］。微波固態(tài)電路組件一般采用鋁合金材料的腔體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的微波單片集成電路芯片與鋁合金腔體通過焊接組裝成一體，與微波集成電路芯片連接的鋁合金腔體的可焊性直接關(guān)系到電路性能的實(shí)現(xiàn)。目前鋁合金腔體面的可焊性是采用鋁合金腔體局部電鍍銀的表面處理方法實(shí)現(xiàn)的，局部電鍍銀工藝主要是在腔體非焊接面手工涂覆可剝性膠進(jìn)行遮蔽保護(hù)［3］，再將腔體放置在電解液中進(jìn)行鍍銀，這種方法對(duì)于集成度高、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、腔體尺寸小，需要局部遮蔽保護(hù)的部位越來越多的微波固態(tài)電路，由于手工操作常出現(xiàn)手工涂覆操作不易操控，定位不準(zhǔn)確，造成漏保護(hù)等問題。為此開展了鋁基腔體上局部磁控濺射鍍銀工藝的探索性研究來解決鍍銀出現(xiàn)的上述問題。

磁控濺射鍍膜由于采用設(shè)備技術(shù)，具有膜厚及均勻性易控制，膜層質(zhì)量高、制備的膜層純度高、膜層沉積效率高、加工過程無污染［4］及局部鍍銀易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，可以可靠地實(shí)現(xiàn)對(duì)集成度高、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、腔體尺寸小的微波固態(tài)電路鍍銀。目前國(guó)內(nèi)還未見鋁基腔體上局部濺射鍍銀的相關(guān)報(bào)道，本文對(duì)鋁基材微波固態(tài)電路的磁控濺射鍍銀工藝技術(shù)進(jìn)行研究，探索其在微波固態(tài)電路組裝中應(yīng)用的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 樣件

本實(shí)驗(yàn)選用樣件為5A06鋁合金材料，圖1為射頻腔體，其鍍銀位置主要是MMIC芯片組裝位置及插座安裝位置;圖2是與射頻腔體連接的盒體外殼，其與腔體連接的內(nèi)表面需要鍍銀。

圖1 射頻腔體

圖2 盒體

1.2 磁控濺射鍍銀方法

磁控濺射鍍銀是在直流平衡磁控濺射設(shè)備上進(jìn)行，采用99.99%的純銀圓形平面靶材，靶材用導(dǎo)電膠粘接在銅底座上，濺射過程中采用直接水冷方式對(duì)基體進(jìn)行散熱。工藝流程如下。

準(zhǔn)備→前處理→局部遮蔽→等離子清洗→磁控濺射鍍銀→真空包裝。

本實(shí)驗(yàn)分別選擇了化學(xué)氧化、磷酸陽極氧化鍍層作為鋁基材濺射銀的前處理工序，以增強(qiáng)基材與銀層之間的附著力，樣件非鍍銀區(qū)通過設(shè)計(jì)專用的工裝與腔體樣件螺裝進(jìn)行保護(hù)，圖3是射頻腔體的保護(hù)工裝。

圖3 保護(hù)工裝

前處理的化學(xué)氧化、磷酸陽極氧化的工藝條件為:

化學(xué)氧化。氧化液為50g/L無水碳酸鈉，15g/L鉻酸鈉，25g/L氫氧化鈉，θ為室溫。

磷酸陽極氧化。氧化液為100～120g/L磷酸，θ為18～25℃，U 為7～12V，t為10～15min。

1.3 濺射銀層附著力及可靠性試驗(yàn)

1.3.1 附著力試驗(yàn)

將化學(xué)氧化和磷酸陽極氧化處理過的磁控濺射銀膜試件按照SJ20130-1992《金屬鍍層附著強(qiáng)度試驗(yàn)方法》進(jìn)行附著力試驗(yàn)，樣件分別放在220±10℃條件下保溫30min，然后將試件在室溫的水中驟冷，用目視觀察法檢查，濺射銀層不應(yīng)出現(xiàn)起泡、片狀剝落等與基體分離的現(xiàn)象。

1.3.2 附著力可靠性驗(yàn)證

附著力可靠性主要是通過環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)來進(jìn)行考核。將濺射銀層的經(jīng)過化學(xué)氧化、磷酸陽極氧化前處理的工藝樣件進(jìn)行了高、低溫貯存試驗(yàn)和十個(gè)周期的交變濕熱試驗(yàn)，高溫、低溫貯存試驗(yàn)按照 GJB150.3A-2009 及 GJB150.4A-2009 進(jìn)行，具體要求如下:高溫θ為85℃，貯存48h，然后低溫θ為－55℃，貯存24h;緊接著按照 GJB150.9A-2009進(jìn)行十個(gè)周期共計(jì)240h的交變濕熱試驗(yàn)，交變濕熱試驗(yàn)的具體要求見表1，其中升溫速率為15℃/h，降溫速率為3.75℃/h。

表1 交變濕熱試驗(yàn)條件

試驗(yàn)后用目視觀察法檢查，濺射銀層不應(yīng)出現(xiàn)起泡、片狀剝落、腐蝕等現(xiàn)象出現(xiàn)。

1.4 濺射銀層厚度均勻性

濺射銀膜厚度的測(cè)試采用奧林巴斯公司的BX51M金相顯微鏡進(jìn)行。首先把盒體濺射銀層部分取下一小塊，然后用金相顯微鏡觀察其斷面，并在其斷面上取5點(diǎn)測(cè)試厚度，進(jìn)行厚度均勻性計(jì)算。

1.5 濺射銀層可焊性試驗(yàn)

將Up-78 lot 6337焊絲(Alpha公司)放置在樣件濺射銀層位置，采用JRT-2416熱臺(tái)(中電科二所)加熱到230℃，完后采用目視觀察法檢查，焊料應(yīng)在濺射銀層上自動(dòng)鋪展開來，焊料膜層應(yīng)平滑、無尖突、無瘤等。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 濺射銀層附著力試驗(yàn)及環(huán)境性適應(yīng)性驗(yàn)證

樣件前處理是鋁材磁控濺射鍍銀工藝很重要的工序，前處理直接影響濺射銀層的附著力。經(jīng)過前期實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不經(jīng)前處理的鋁基材與銀膜之間直接濺射銀的附著力差，不能滿足產(chǎn)品使用環(huán)境要求。行業(yè)內(nèi)一般通過粗化基材或引入過渡層的方法解決鍍層附著力差的問題。中間過渡層起兩個(gè)作用:一是阻止基材表面被氧化，二是當(dāng)膜層受到很大的應(yīng)力時(shí)，過渡層起到減緩膜層界面間應(yīng)力的作用［5］。由于微波固態(tài)電路組裝對(duì)鍍銀層的表面粗糙度要求很高，因而只能通過引入中間過渡層的方法解決濺射銀層與鋁基材的附著力問題。對(duì)于微波固態(tài)電路的應(yīng)用上來講，過渡層還必須具備導(dǎo)電性，滿足電磁屏蔽及電磁波傳輸要求，由于化學(xué)氧化層、磷酸陽極氧化膜非常薄，一般就只有幾個(gè)微米，并且微觀呈多孔性，因而具有良好的吸附性及導(dǎo)電性，可以增大濺射銀層與其機(jī)械咬合力、接觸面積，并滿足微波固態(tài)電路的電磁屏蔽、電磁波傳導(dǎo)性要求，另外，鋁基材的化學(xué)氧化膜層、磷酸陽極氧化膜層柔韌性較好，可以減緩?fù)饨绠a(chǎn)生的冷熱應(yīng)力，因而很適宜作為銀膜與鋁基材的過渡層。

2.1.1 附著力測(cè)試結(jié)果

采用化學(xué)氧化前處理的濺射工藝的樣件，與采用磷酸陽極氧化前處理濺射工藝試件，經(jīng)過附著力試驗(yàn)后，沒有出現(xiàn)氣泡、濺射銀層與基體分離的現(xiàn)象，這說明濺射銀層與鋁基材的附著力良好。可以達(dá)到工程應(yīng)用的要求。

2.1.2 附著力環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證結(jié)果

濺射銀層樣件經(jīng)過高溫、低溫貯存試驗(yàn)和十個(gè)周期的交變濕熱試驗(yàn)后，濺射銀膜表面良好，沒有腐蝕點(diǎn)、起泡和膜層與基體脫落的現(xiàn)象，說明濺射銀層的致密性比較好，可以有效阻止?jié)駸崴慕?，具有一定的耐濕熱環(huán)境能力;另外，磁控濺射銀膜層可以在－55～85℃的環(huán)境中使用，同樣說明磁控濺射銀膜層體系中的內(nèi)應(yīng)力比較小，具有一定的韌性，其熱膨脹系數(shù)與鋁基材比較匹配，可以承受一定的溫度沖擊。

2.2 濺射銀層厚度均勻性測(cè)試

為實(shí)現(xiàn)微波單片集成電路良好的焊接，一般要求鍍銀層的厚度均勻性在±10%內(nèi)，以保證模塊組裝的性能一致性。

濺射銀膜的厚度均勻性工藝上主要受靶-基距、濺射功率及工作氣壓的影響。一般情況下靶-基距越大，薄膜的均勻性越好，但靶基距太大就會(huì)導(dǎo)致薄膜沉積速度太低;濺射功率提高，靶材的刻蝕更加均勻，從而提高濺射膜層的均勻性;但工作氣壓的提高會(huì)使薄膜沉積的均勻性降低，但其對(duì)膜層均勻性的影響比較有限［6-9］。因而，為了滿足微波固態(tài)電路組裝對(duì)濺射銀層厚度的均勻性要求，通過實(shí)驗(yàn)確定的濺射工藝參數(shù)如表2所示。

表2 濺射工藝參數(shù)

通過上述工藝參數(shù)，得出的濺射銀層的厚度均勻性測(cè)試位置如圖4所示。

圖4 鍍層截面顯微照片

從圖4可以看出，4濺射銀層致密，5個(gè)測(cè)試點(diǎn)的 δ分別是:3.77、3.77、3.68、3.51μm 和 3.86μm，濺射銀膜的厚度均勻性為:

因而，磁控濺射銀膜的膜層均勻性＜10%，可以滿足微波固態(tài)電路的組裝要求。

2.3 濺射銀層的可焊性試驗(yàn)

圖5 為磁控濺射鍍銀層與普通鍍銀層可焊性的對(duì)比照片。

圖5 焊接性能比較

如圖5所示，焊料對(duì)濺射銀層及普通電鍍銀層的浸潤(rùn)性均良好，焊料膜層平整，沒有尖突、瘤等缺陷，但從圖5中焊料對(duì)銀層的潤(rùn)濕角來看磁控濺射銀層的潤(rùn)濕角α小于普通電鍍銀層的潤(rùn)濕角β，說明濺射銀層的可焊性優(yōu)于傳統(tǒng)電鍍銀層，這主要是由于濺射的銀層的純度相對(duì)于傳統(tǒng)溶液電鍍銀層高，濺射過程在高真空環(huán)境下進(jìn)行，雜質(zhì)非常少，沒有溶液電鍍的絡(luò)合物、金屬離子等與銀層共沉積，因而濺射銀層的表面能相對(duì)要高一些，這樣焊料融化后，就很容易鋪展開來。

3 結(jié)論

本文對(duì)鋁合金基材局部磁控濺射鍍銀工藝進(jìn)行了探索性研究，驗(yàn)證了磁控濺射鍍銀在通過對(duì)鋁合金基材進(jìn)行中間過渡層處理，及調(diào)整磁控濺射設(shè)備工藝參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)良好的濺射銀層厚度均勻性、可焊性及附著力性能。可用于復(fù)雜微波固態(tài)電路腔體鍍銀處理，實(shí)現(xiàn)可靠的濺射銀層生產(chǎn)加工。

特別要說明的是磁控濺射鍍銀技術(shù)的成本較溶液鍍銀高，在選擇應(yīng)用時(shí)需要綜合考慮產(chǎn)品特點(diǎn)、需求和成本等。

［1］嚴(yán)偉，姜偉卓，禹勝林.小型化、高密度微波組件微組裝技術(shù)及其應(yīng)用［J］.國(guó)防制造技術(shù)，2009，(5):43-47.

［2］王聽岳.微波電路組裝工藝研究［J］.電子工藝技術(shù)，1999，20(5):190-193.

［3］金旭紅.局部保護(hù)技術(shù)在母線類導(dǎo)電零件中的應(yīng)用［J］.表面技術(shù)，2008，37(1):89-90.

［4］郝正同，謝泉，楊子義.磁控濺射法中影響薄膜生長(zhǎng)的因素及作用機(jī)理研究［J］.貴州大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，27(1):62-66.

［5］杜元甲，董樹榮，邵凈羽.基于磁控濺射技術(shù)的電磁屏蔽層研究［J］.表面技術(shù)，2006，35(4):75-81.

［7］于賀，吳志明，王濤等.平面磁控濺射薄膜厚度均勻性的研究概述［J］.真空，2010，47(3):9-14.

［8］徐均琪，易紅偉，蔡長(zhǎng)龍，等.磁控濺射膜厚均勻性與靶-基距關(guān)系的研究［J］.真空，2004，41(2):25-28.

［9］李麗，吳衛(wèi)，金永中，等.磁控濺射中工作壓強(qiáng)對(duì)鈦膜沉積的影響［J］.表面技術(shù)，2009，38(1):64-65.