采用等離子干燥工藝提高鍍膜附著強度穩(wěn)定性*

詹為宇

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都　610036)

采用等離子干燥工藝提高鍍膜附著強度穩(wěn)定性*

詹為宇**

(中國西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

鍍膜工藝設(shè)計應(yīng)能有效脫附物理和化學(xué)吸附,才能保證附著強度工藝穩(wěn)定性。設(shè)備運行后腔室內(nèi)表面沉積物增加,通過分析變化影響探索出一種等離子干燥工藝方法,應(yīng)用后提高了生產(chǎn)效率,保證了薄膜電路金屬疊層間附著強度生產(chǎn)穩(wěn)定性,滿足產(chǎn)品工程應(yīng)用的可靠性要求。

毫米波組件;薄膜電路;附著強度;等離子干燥;濺射;材料出氣

引用格式:詹為宇.采用等離子干燥工藝提高鍍膜附著強度穩(wěn)定性[J].電訊技術(shù)，2016，56(3)：342-345.[ZHAN Weiyu.ImProving adhesion stabi1ity of thin fi1m with P1asma drying techno1ogy[J].Te1ecommunication Engineering，2016，56(3)：342-345.]

1　引 言

隨著毫米波組件小型化、模塊化發(fā)展速度不斷加快，毫米波薄膜電路因圖形精度高、電性能指標(biāo)穩(wěn)定性好、可簡化設(shè)計和組裝工序，在毫米波組件中的應(yīng)用不斷增多。

薄膜電路制備中，鍍層與基底附著強度穩(wěn)定性工藝一直是工藝的攻關(guān)和關(guān)注重點。吸附和脫附與鍍膜附著強度密切相關(guān)，國內(nèi)外文獻(xiàn)報道對于吸附的處理主要有加熱和抽真空[1]兩種途徑。我們通過工藝探索建立了一種等離子干燥工藝方法，用能量主動轟擊，加速吸附物質(zhì)脫附，有效防止了化學(xué)吸附的逆變產(chǎn)物的影響，確保了產(chǎn)品可靠性。應(yīng)用數(shù)據(jù)證明：濺射系統(tǒng)表面采用等離子干燥方法后比單純使用局部加熱和抽真空清除物理和化學(xué)吸附效率高，能量全空間覆蓋，消除了鍍膜系統(tǒng)內(nèi)環(huán)境干燥死角，保證了產(chǎn)品附著強度的生產(chǎn)穩(wěn)定性。

2　干燥缺陷引發(fā)的問題

鍍膜設(shè)備在運行一段時間后，設(shè)備鍍膜真空系統(tǒng)內(nèi)表面因濺射飛濺，會在擋板等表面形成沉積層，增大了內(nèi)表面的面積和表面形態(tài)。國內(nèi)生產(chǎn)廠家采用定期人工清理的辦法，但在清理后需要一定時間工藝運行才能遏制顆粒脫落帶來的工件表面污染問題，影響生產(chǎn)效率和品質(zhì)穩(wěn)定性。不清理沉積物，又存在鍍膜產(chǎn)品個別區(qū)域內(nèi)發(fā)生局部附著強度下降問題，如圖1所示。

圖1　附著強度變化后鍵合可使鍍層分離Fig.1 The c1ad 1ayers can be seParated by Bonding whi1e adhesive strength changed

附著強度發(fā)生變化后的檢測難度大，問題產(chǎn)品能通過膠帶法檢驗，質(zhì)量漏檢幾率大，易造成質(zhì)量隱患。深入研究后發(fā)現(xiàn)，附著強度變化可以通過刻劃法和鍵合法的測試排除，但這給質(zhì)量檢驗判定和篩選造成了極大的困難?？虅澐▽倨茐姆椒ǎI合法成本高，給產(chǎn)品外觀造成影響。因此，附著強度變化對產(chǎn)品應(yīng)用影響極大，直接影響組件的性能和可靠性，質(zhì)量問題漏檢后可以導(dǎo)致電路生產(chǎn)直接停頓。

3　鍍膜附著強度變化原因分析

薄膜行業(yè)總結(jié)出鍍膜附著強度的基本影響因素有基板的前處理、基板與鍍膜材料的匹配選擇、基板的去氣和鍍膜溫度[2-3]。具體是哪些因素造成附著強度穩(wěn)定性出現(xiàn)問題，與環(huán)境、設(shè)備、產(chǎn)品要求和工藝流程密切關(guān)聯(lián)。工藝方面目前市售仿真分析軟件缺乏，問題解決之道主要采用試驗法收集數(shù)據(jù)分析排除后找到原因，分析機理，找到辦法。

3.1基板的前處理

初始認(rèn)為是清洗原因，分析假定是由基板表面局部未清洗干凈，存在局部污染，底層鍍膜時污染了底層金屬表面，造成局部附著強度變差。措施主要針對基板表面的油脂和顆粒污染，用正交試驗法對比了多種物理和化學(xué)清洗的試驗結(jié)果后，可以確認(rèn)基板的清洗能夠滿足附著強度需要的表面要求，局部附著強度變差不是清洗的原因。試驗對比如表1所示。

表1　基板清洗方法流程對比Tab.1 Substrate c1eaning f1ow contrast

清洗的效果測評采用了如表1所示附著強度試驗流程，其中耐溫最高到400℃；溫度沖擊試驗按照GJB150的要求和試驗設(shè)備極限參數(shù)及加嚴(yán)循環(huán)次數(shù)進行設(shè)計，滿足目前所有已知用戶的要求；鍵合拉力測試分兩步，試驗前后分別拉力測試并對比，拉力值的變化在國軍標(biāo)要求范圍內(nèi)；刻劃測試是破壞性試驗，我們采用設(shè)立多方位試驗區(qū)方式進行；外觀要滿足設(shè)計和使用要求。

經(jīng)過基板清洗效果對比的附著強度試驗后，我們認(rèn)為只要基板表面的驗證能保證達(dá)到無油脂類、無顆粒類污染，清洗處理對附著強度的變化影響很小。

3.2基板與鍍膜材料的匹配選擇

基板與鍍膜材料匹配選擇是公開文獻(xiàn)證明有效可行的匹配選擇方案，材料熱膨脹系數(shù)(Coefficient of Therma1 ExPansion，CTE)差為4×10-7/℃，用正交試驗法針對鍍膜厚度附著強度進行了研究，研究的數(shù)據(jù)結(jié)果表明前期附著強度沒有問題，開始出現(xiàn)問題是在生產(chǎn)運行1年后，證明目前出現(xiàn)的局部附著強度問題與基板和鍍膜材料的選擇匹配無關(guān)。

3.3鍍膜溫度

本文研究中所用濺射設(shè)備的工件加熱方式和蒸發(fā)設(shè)備有很大的不同，但是濺射鍍膜過程本身是放熱過程，鍍膜溫度隨濺射功率和時間延長溫升很快，控制難點是難在工件上放置傳感器，對工件的初始加熱控制比蒸發(fā)工藝難。

濺射設(shè)備的烘烤設(shè)計主要是對基板加熱，基板掛架回轉(zhuǎn)，加熱板的熱輻射通過擋板開口可以對基板表面加熱，如圖2所示。

圖2　濺射真空系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The structura1 rePresentation of vacuum sPuttering system

用正交試驗法對工件進行烘烤試驗，完成溫度從200℃～400℃跨度50℃、時間從180～1 000 s跨度120 s的試驗并對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)偶發(fā)性的局部附著強度問題仍在。試驗證明：基板鍍膜工藝溫度設(shè)定不是引起目前附著穩(wěn)定性變化的原因。

3.4基板的出氣

對水氣為主的揮發(fā)物吸附量建模分析，經(jīng)過相應(yīng)公式求解計算和歸一化處理，近似認(rèn)為τ0在10-13/s數(shù)量級。當(dāng)水氣分子在熱運動中吸附和脫附達(dá)到動平衡時，固體單位面積上吸附的水氣分子數(shù)νa為[1]

式中：Ed為脫附能；Na為阿伏加德羅常數(shù)；R為波爾茲曼常數(shù)；π為氣體常數(shù)；P為水氣分壓；μ為摩爾質(zhì)量；T為絕對溫度。

按環(huán)境因素變化值進行了預(yù)估，概算裝卸工件時水分子吸附量在5～15個單分子層之間。吸附分子數(shù)與水氣壓強成正比。國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，水氣等揮發(fā)物分子還可以深入到固體材料內(nèi)部達(dá)到幾個微米深度，開倉裝片時水氣等揮發(fā)物分子在鍍膜腔壁可形成物理吸附，還可形成化學(xué)吸附，與濺射到腔室表面的原子形成復(fù)雜的水合物，在濺射時受外部能量作用下，某些化學(xué)吸附產(chǎn)物發(fā)生可逆反應(yīng)，重新釋放揮發(fā)物。因此，通過凈化間控制水氣吸附量不能滿足滿足工藝控制的要求，只能通過真空系統(tǒng)小環(huán)境完成吸附物控制和清除。

研究鍍膜設(shè)備具有基板加熱和等離子轟擊清洗的功能，設(shè)計的能量干燥重點是基板表面和靶材表面干燥。工藝試驗結(jié)果表明：附著強度問題不是發(fā)生在基板與襯底金屬之間，而發(fā)生在襯底金屬與表面金屬之間，說明在表面層金屬鍍膜過程中受到了揮發(fā)物的影響。

材料對比試驗中，我們把使用的拋光陶瓷與國內(nèi)其他廠家用得最多的即燒陶瓷作了附著強度的對比。即燒陶瓷表面粗糙，對揮發(fā)物解吸的影響用刻劃法和鍵合法測試的判別難度更大，因為起泡的區(qū)域在粗糙表面難以觀察，用耐熱試驗和鍵合試驗組合后才可以檢測判別。我們采用的拋光陶瓷，其電路使用頻率遠(yuǎn)高于國內(nèi)大多數(shù)廠家電路的使用頻率，對介質(zhì)厚度和電路圖形的批次一致性有嚴(yán)格的要求，又采用圖形蝕刻側(cè)蝕極低的蝕刻工藝，這種工藝使用即燒陶瓷的成品率較低，遠(yuǎn)達(dá)不到使用拋光陶瓷的產(chǎn)品成品率和圖形精度一致性要求。

4　等離子干燥控制附著強度穩(wěn)定性方法

前述分析表明，加速揮發(fā)物的清除和有效的脫附手段是對真空系統(tǒng)的表面施加能量。對整個真空系統(tǒng)具有的能量設(shè)置進行分析，從圖2所示真空系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可以看出，設(shè)備的烘烤熱輻射設(shè)計主要針對基片[4]，沒有覆蓋整個真空腔室，因基板掛架外圍的擋板阻擋了加熱輻射的能量到達(dá)真空腔室其他區(qū)域，加熱能量主要集中在擋板靠近熱板位置和基板表面，擋板后部和相應(yīng)的真空腔室內(nèi)壁形成巨大的熱輻射陰影區(qū)，該區(qū)內(nèi)揮發(fā)物物理吸附僅靠真空排除一部分，還有相當(dāng)殘余存在。

國內(nèi)外研究所證明：如果烘烤干燥輻射能量不能覆蓋真空腔室內(nèi)壁，出氣的主要來源是水氣。濺射過程環(huán)境有殘余水氣，則成熟的鍍膜工藝設(shè)計也會出現(xiàn)變數(shù)，因為膜層的結(jié)合物可能是與水氣等揮發(fā)物反應(yīng)后的復(fù)雜產(chǎn)物而不可控。

建模分析從真空系統(tǒng)小環(huán)境放氣著手，假定濺射鍍膜的小環(huán)境處于理想狀態(tài)，設(shè)抽氣速率為S，真空腔體積V，考慮放氣存在時定常流量Q，真空腔內(nèi)壓強為p，在Δt時間內(nèi)有QΔt的氣體抽出。小環(huán)境平衡時微分方程解為

設(shè)p0=105Pa，S=1 L/s，V=1 L，作理想的抽氣壓強變化曲線，圖形顯示在近30 s的時間exP項就達(dá)到10-9Pa數(shù)量級，可忽略不計，因此真空腔室的壓強動平衡表達(dá)式為

根據(jù)公式(3)，小環(huán)境中Q與p關(guān)聯(lián)。根據(jù)鍍膜平衡理論，一定工藝時間內(nèi)，p越小，說明吸附物出氣少，鍍膜附著強度穩(wěn)定性才能得到保證。

產(chǎn)品出現(xiàn)問題時記錄表明，設(shè)備達(dá)到10-2Pa真空壓強時的時間比設(shè)備驗收時同等真空時間延長，說明出氣值Q在增加。

對真空系統(tǒng)小環(huán)境檢查發(fā)現(xiàn)，隨著生產(chǎn)的進行，真空腔室內(nèi)壁和擋板外壁上粘附的濺射物質(zhì)出現(xiàn)了堆積，局部區(qū)域出現(xiàn)了起層疏松，內(nèi)壁表面積增大，物理與化學(xué)吸附幾率增加，與問題出現(xiàn)的記錄變化符合。

根據(jù)建模分析和附著強度變化事實，因素分析結(jié)果說明由揮發(fā)物出氣引發(fā)幾率最大。研究認(rèn)為對濺射系統(tǒng)表面的揮發(fā)物吸附進行干燥、烘烤和真空是最直接的方法，但設(shè)備的加熱板烘烤范圍十分有限，烘烤面積不到一半。工藝試驗已經(jīng)證明：單純采用真空干燥，真空腔內(nèi)壓力10-3Pa數(shù)量級，真空時間4～10 h。即使用生產(chǎn)效率很低的抽氣時間10 h的工藝參數(shù)用于生產(chǎn)鍍膜，仍不能杜絕附著強度問題發(fā)生，說明造成附著強度下降的揮發(fā)物不能用單純的真空干燥清除。分析設(shè)備現(xiàn)有功能后發(fā)現(xiàn)，設(shè)備唯一能夠?qū)η皇覂?nèi)表面提供全方位能量的方式僅有等離子清洗一項，該功能設(shè)計的目的是清除粘附在擋板表面的顆粒，防止在鍍膜時受濺射能量振蕩疏松顆粒脫落粘污鍍膜表面。

試驗延長腔室內(nèi)表面用等離子清洗功能作干燥工藝處理時間，再完成瓷片鍍膜，產(chǎn)品膜層用刻劃法對比附著強度，證實等離子轟擊后鍍膜附著強度顯著增強，同時鍍膜表面的顆粒也有所增加。試驗表明：延長等離子轟擊時間會增加飛舞顆粒濃度和飛行能量，擋板又不密封，顆粒附著到基板表面的幾率增加了，導(dǎo)致鍍膜表面質(zhì)量下降。試驗證明等離子干燥工藝對穩(wěn)定附著強度有效，但工藝參數(shù)設(shè)計必須與抽氣速率匹配，才能獲得良好的鍍膜質(zhì)量。

結(jié)合前述建模分析數(shù)據(jù)和借鑒分析化學(xué)器皿清洗的原理，研究設(shè)計了等離子干燥的工藝流程和參數(shù)，利用等離子對表面全覆蓋的優(yōu)勢，在鍍膜前先干燥真空腔室內(nèi)表面，便于干燥參數(shù)設(shè)計，總結(jié)出了一套在一定時間內(nèi)真空達(dá)到10-2Pa數(shù)量級的操作工藝判據(jù)。等離子干燥工藝加速了內(nèi)表面物理和化學(xué)吸附的脫附過程，到達(dá)10-3Pa真空度的時間由原來的5～6 h縮短到4 h，仍保持工件表面質(zhì)量。

廠家的試驗條件比用戶的工作環(huán)境要理想得多，用戶生產(chǎn)后，鍍膜真空腔結(jié)構(gòu)的表面會發(fā)生變化，飛濺的物質(zhì)會堆積成膜，堆積膜局部還會形成夾層，開倉裝卸工件時水氣等揮發(fā)物形成的吸附，極難在生產(chǎn)周期內(nèi)用真空干燥控制到穩(wěn)定程度，必須用能量干燥促進揮發(fā)物脫附。

5　結(jié)束語

采用等離子干燥工藝后，我們經(jīng)過了長達(dá)2年的產(chǎn)品驗證檢測測試，產(chǎn)品附著強度試驗區(qū)全檢，定期抽查完成溫度沖擊試驗、鍵合拉力試驗和耐熱試驗，溫度沖擊溫度范圍為環(huán)境試驗設(shè)備的極限溫度，耐熱試驗溫度滿足金鍺等共晶焊接要求，生產(chǎn)的薄膜產(chǎn)品全尺寸范圍內(nèi)沒有發(fā)生過一例附著強度問題，證明采用的等離子干燥工藝已經(jīng)解決了薄膜疊層金屬附著強度穩(wěn)定性問題，生產(chǎn)產(chǎn)品已在數(shù)個工程項目的毫米波組件中應(yīng)用，性能穩(wěn)定。等離子干燥工藝解決了目前鍍膜設(shè)備的加熱覆蓋區(qū)域小和真空解吸缺少促進化學(xué)吸附轉(zhuǎn)化能量的缺陷，但是也應(yīng)該看到，等離子干燥工藝在提高設(shè)備內(nèi)表面吸附解吸的徹底性和高效性的同時，也增加了飛舞顆粒粘附到工件表面的幾率，可能降低工件鍍膜的質(zhì)量。干燥設(shè)計參數(shù)應(yīng)與真空抽排的速率匹配，確保等離子干燥能量產(chǎn)生的顆粒能被真空抽排及時帶走；還可采取擋板接縫密封、干燥工藝運行時工件靜止等措施減少顆粒在工件上粘附的面積，保證鍍膜質(zhì)量不受影響。

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詹為宇(1964—)，男，重慶人，分別于1988年和2008年獲工學(xué)學(xué)士學(xué)位和工程碩士學(xué)位，現(xiàn)為高級工程師，主要從事薄膜電路、毫米波微組裝和封裝等工藝研究和工程化應(yīng)用工作。

ZHAN Weiyu was born in Chongqing，in 1964.He received the B.S.degree and the M.S.degree in 1988 and 2008，resPective1y.He is now a senior engineer.His research concerns thin fi1m circuit，mi11imeter wave microassemb1y and Packaging.

Emai1：18000549872@189.cn

Improving Adhesion Stability of Thin Film with Plasma Drying Technology

ZHAN Weiyu
(Southwest China Institute of E1ectronic Techno1ogy，Chengdu 610036，China)

The technica1 design of thin fi1m P1ating shou1d desorb the Physica1 and chemica1 adsorPtion for stabi1ity of adhesion.The equiPment vacuum cavity interna1 face is changed with dePosit formation after oP-eration.A method with P1asma drying to c1ear dePositing is investigated after ana1yzing this inf1uence.APP1ication of the method in the thin fi1m P1ating has raised the Productivity effciency，ensured the stabi1ity of adhesion between meta1 P1atings，and satisfied the re1iabi1ity requirement of engineering aPP1ications.

mi11imeter wave modu1e；thin fi1m circuit；adhesion of meta11ic coatings；P1asma drying；sPuttering；breathing of materia1

Nationa1 Key Techno1ogies R&D Program of China

TN05

A

1001-893X(2016)03-0342-04

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.03.019

2015-10-14;

2016-01-19 Received date:2015-10-14;Revised date:2016-01-19

國家科技攻關(guān)計劃項目

**通信作者:18000549872@189.cn Corresponding author:18000549872@189.cn