星載微波電路用高純氧化鋁基板的工藝適用性驗(yàn)證技術(shù)

王平 曲媛 高鴻 賈旭洲 何端鵬 劉泊天 于利夫 文明

（1 中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710100）

（2 中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京 100094）

文摘 為了確保星載微波電路用高純氧化鋁基板的國(guó)產(chǎn)化可靠替代，本文通過(guò)全面分析星載產(chǎn)品用高純氧化鋁基板的工藝適用性驗(yàn)證需求，研究建立了星載微波電路用高純氧化鋁基板的工藝適用性驗(yàn)證指標(biāo)體系，確定了驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目，利用微波電路工藝件試驗(yàn)和組件產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性考核等試驗(yàn)驗(yàn)證手段，示范性地闡釋了陶瓷基板類材料工藝適用性驗(yàn)證方法。研究表明，基于驗(yàn)證需求分析確定驗(yàn)證項(xiàng)目，通過(guò)試驗(yàn)與工藝實(shí)踐獲得各類驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度綜合評(píng)價(jià)，可以給出客觀完整、科學(xué)有效的工藝適用性驗(yàn)證結(jié)論。

0 引言

高純氧化鋁陶瓷因其生產(chǎn)和加工技術(shù)成熟、成本低廉、耐熱沖擊和電絕緣性能好以及與金屬附著性良好等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用較為廣泛的基板材料［1］，也被廣泛應(yīng)用于星載微波信號(hào)傳輸通道、有源器件安裝載體以及功率芯片的散熱通道等電子載荷單機(jī)中。但由于長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)產(chǎn)氧化鋁基板存在電性能離散性大、基板致密性不足以及內(nèi)部缺陷多等問(wèn)題，衛(wèi)星在軌不可維修性和高可靠性要求限制了其在星載微波組件中的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著我國(guó)陶瓷材料研制技術(shù)水平的提升，國(guó)產(chǎn)高純氧化鋁陶瓷基板性能已達(dá)到或超越國(guó)際同類產(chǎn)品。

作為組成航天器的最基本單元，航天器材料的性能水平將直接影響航天器在軌的可靠性［2］。國(guó)產(chǎn)高純氧化鋁基板的制造水平雖明顯提高，但其是否滿足星載產(chǎn)品的高可靠應(yīng)用需求，還有待大量試驗(yàn)的驗(yàn)證。本文結(jié)合國(guó)產(chǎn)材料研制狀態(tài)，針對(duì)星載微波電路用高純氧化鋁基板的工藝工況，分別從驗(yàn)證需求、驗(yàn)證內(nèi)容、驗(yàn)證指標(biāo)體系、試驗(yàn)實(shí)施與綜合評(píng)價(jià)等幾個(gè)方面，對(duì)國(guó)產(chǎn)某氧化鋁基板的工藝適用性驗(yàn)證技術(shù)進(jìn)行研究。

1 驗(yàn)證需求分析

航天器除了精心設(shè)計(jì)和制造之外，還需要對(duì)材料、工藝等基礎(chǔ)要素失效物理行為開展驗(yàn)證，以滿足產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)和制備要求［3］。為滿足星載微波電路產(chǎn)品的高可靠要求，國(guó)產(chǎn)氧化鋁基板材料工藝適用性驗(yàn)證工作需結(jié)合材料、工藝樣件兩類驗(yàn)證樣品狀態(tài)，通過(guò)加載不同的環(huán)境驗(yàn)證考核條件，研究與工藝有關(guān)的材料特性變化規(guī)律，以驗(yàn)證現(xiàn)有工藝工況在基板材料上的適用程度。航天器的一切試驗(yàn)，都是為保證航天器在發(fā)射、運(yùn)行或返回的整個(gè)壽命內(nèi)都能可靠地、不降低性能地工作［4］，工藝適用性驗(yàn)證試驗(yàn)是其中不可缺少的部分?；宀牧咸匦灾笜?biāo)一般依據(jù)成熟的測(cè)試和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)驗(yàn)證，基板的應(yīng)用可靠性驗(yàn)證也可依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開展環(huán)境試驗(yàn)來(lái)落實(shí)，含有氧化鋁基板的組件其工作健壯性也有相對(duì)固定的流程來(lái)考核，而基板的工藝適用性驗(yàn)證則具有較大的不確定性和復(fù)雜性。因?yàn)?，高純氧化鋁中的雜質(zhì)種類和含量，會(huì)直接影響其物理和化學(xué)性能［5］，這些影響往往會(huì)在電路加工工藝或組裝應(yīng)用的過(guò)程中出現(xiàn)，卻很難具體和量化。因此，工藝適用性驗(yàn)證需求的確定具有相當(dāng)難度。

高純氧化鋁陶瓷基板，需要通過(guò)鉆孔、真空鍍膜、圖形轉(zhuǎn)移、膜層加厚、成品外形切割、阻值調(diào)整等工藝流程才能制作成實(shí)際電路。任意環(huán)節(jié)出現(xiàn)基板裂紋、邊緣崩裂等基板失效或膜層附著不牢、圖形轉(zhuǎn)移精度低、基板變色等質(zhì)量問(wèn)題，都說(shuō)明了基板的工藝適用性不滿足電路加工工藝要求。鉆孔和局部外形切割等針對(duì)裸基板進(jìn)行，而整體圖形轉(zhuǎn)移、膜層加厚、外形切割和阻值調(diào)整均是針對(duì)表面附有膜層的基板或基板上的金屬化圖形進(jìn)行的，彼此不能相互替代。因此，電路加工工藝適用性驗(yàn)證需求，必須涵蓋全部的工藝過(guò)程。

在微波產(chǎn)品的組裝應(yīng)用中，高純氧化鋁基板電路需進(jìn)一步經(jīng)歷單點(diǎn)焊接、載體焊接、金絲超聲鍵合、器件膠粘、烘烤等組裝工藝條件。高純氧化鋁基板在上述組裝工序均不出現(xiàn)基板開裂、膜層脫落、粘接層分離等現(xiàn)象，才能證實(shí)高純氧化鋁基板滿足組裝工藝適用性要求，可用于星載微波產(chǎn)品的研制。

高純氧化鋁基板在經(jīng)歷了各方面的工藝過(guò)程后沒有出現(xiàn)基板開裂、膜層脫落、粘接層脫落等問(wèn)題，基本說(shuō)明基板排膠、燒結(jié)過(guò)程中沒有卷曲、鼓包、開裂等缺陷，生瓷帶之間界面結(jié)合得好，具有可靠應(yīng)用的基礎(chǔ)［6］。因此，依據(jù)上述分析，確定了氧化鋁陶瓷基板工藝適用性全面的驗(yàn)證需求，見表1。

表1 高純氧化鋁基板工藝適用性驗(yàn)證需求Tab.1 The process suitability validation requirements of high-purity alumina substrate

2 驗(yàn)證內(nèi)容的確定

從前面的驗(yàn)證需求分析可知，基板工藝適用性包含電路加工和組裝工藝兩大類，電路加工和組裝過(guò)程的整體流程見圖1。圖中，調(diào)阻及之前的工序?yàn)槲⒉娐分谱鬟^(guò)程，調(diào)阻之后為組裝過(guò)程。

圖1 基于高純氧化鋁基板的電路加工與組裝流程Fig.1 Circuit process and assembly process based on high purity alumina substrate

微波電路的制作是平面工藝過(guò)程，主要考察高純氧化鋁基板的機(jī)械強(qiáng)度、致密性、表面粗糙度、表面缺陷分布、平面度、晶粒大小等能否滿足清洗、濺射、光刻、鍍金等不同工藝方法的要求；組裝工藝則主要驗(yàn)證的是基板與外部應(yīng)力之間的界面適應(yīng)性，考察基于陶瓷基板表面沉積、加厚的膜層與器件、芯片表面鍍層、焊料、金絲金帶、超聲能量和有機(jī)膠黏劑之間的界面兼容性，同時(shí)，也通過(guò)考察基板承受組裝過(guò)程的烘烤、加熱過(guò)程是否釋放出超量氣體影響組件內(nèi)部氣氛，來(lái)間接判斷材料致密性是否合格。

兩個(gè)驗(yàn)證途徑中，高純氧化鋁基板承受的外界應(yīng)力種類不同。電路加工過(guò)程涉及的外加應(yīng)力包括機(jī)械拋擦力、有機(jī)溶劑超聲清洗、酸堿液浸泡、熱水煮沸、高溫煅燒、200 ℃烘烤、激光熱熔鉆孔、激光切割、高速砂輪磨削等。而在產(chǎn)品的組裝應(yīng)用中，基板還將經(jīng)歷表面膜層霧化清洗、金絲超聲鍵合、器件膠粘、焊料焊接、激光密封焊接等條件，需承受單點(diǎn)350 ℃焊接、210 ℃載體焊接的熱作用。為確保陶瓷基板工藝適用性驗(yàn)證的有效性，驗(yàn)證項(xiàng)目?jī)?nèi)容的選擇不僅需覆蓋應(yīng)用驗(yàn)證需求，也需要結(jié)合實(shí)際工藝流程和工藝參數(shù)。驗(yàn)證試驗(yàn)內(nèi)容的選擇，主要考慮如下幾方面原則。

（1）不同工藝工況應(yīng)力的差異

工藝過(guò)程中基板承受局部高溫?zé)釕?yīng)力，需要驗(yàn)證在局部高溫作用下高純氧化鋁材料的氣化、冷凝是否產(chǎn)生不必要的殘留熔融層、掛渣、碎屑崩離、相變等現(xiàn)象［7］；砂輪劃切工藝的劃切原理是強(qiáng)力磨削，同樣是外形加工，考察陶瓷顆粒在金剛石顆粒的撞擊下產(chǎn)生斷裂面的質(zhì)量。陶瓷材料脆性大、硬度高，磨削過(guò)程中容易在陶瓷表面產(chǎn)生裂紋、粉碎層及塑性變形等［8］。電路產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)過(guò)程激光加工和砂輪劃切都是必不可少的，因此這兩種工藝的驗(yàn)證都必須開展。

（2）不同工序驗(yàn)證的排他性

在濺射、光刻、鍍金等工序，氧化鋁基板會(huì)與丙酮、乙醇、氫氟酸、硫酸、硝酸、氨水等多種不同種類的有機(jī)溶劑及酸、堿性化學(xué)溶液，保持一定溫度和時(shí)間的接觸。不同工序使用不同的化學(xué)試劑，對(duì)于基板的影響自然不同，不能隨意減少或替換某些工序的驗(yàn)證。又如，基板表面存在的微觀缺陷，濺射成膜后難以顯現(xiàn)，而電鍍層加厚之后缺陷形貌更易于辨別；基板自身的局部翹曲不平在鍍金工序難以顯現(xiàn)，但通過(guò)圖形轉(zhuǎn)移工序的曝光得以充分暴露。所以不同工序的驗(yàn)證是排他的，不可互換的，全工序的驗(yàn)證才能保證驗(yàn)證的全面性。

（3）不同工藝工序驗(yàn)證目的不同

即便開展相同測(cè)試或環(huán)境模擬試驗(yàn)，因針對(duì)不同工藝環(huán)節(jié)，驗(yàn)證目的也不同。如界面驗(yàn)證項(xiàng)目中，電路加工工藝適用性驗(yàn)證主要驗(yàn)證基板自身耐受電路加工過(guò)程各種應(yīng)力的程度，而組裝工藝適用性驗(yàn)證針對(duì)的是鍍金基板與所安裝器件之間的界面。兩類驗(yàn)證分別從基板內(nèi)在和基板外部界面出發(fā)，完成對(duì)高純氧化鋁基板的工藝適用性驗(yàn)證。即便相同或類似試驗(yàn)，由于驗(yàn)證工藝樣件不同，驗(yàn)證試驗(yàn)即便可以互相輔證，也無(wú)法互相替代。

經(jīng)分析后，最終確定了兩個(gè)驗(yàn)證內(nèi)容：其一，電路制作工藝適用性驗(yàn)證需借助真實(shí)的、完整的工藝過(guò)程來(lái)觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)基板自身與各工藝涉及的高溫、高真空、荷能等離子體轟擊、水分、酸堿及化學(xué)品、激光燒蝕能量、砂輪磨削作用等的兼容性；其二，使用成熟組裝工藝，組裝成合格電路實(shí)物產(chǎn)品。這期間，組裝工藝涉及的烘烤溫度、清洗過(guò)程的潮濕環(huán)境、金絲鍵合超聲能量，同樣在高純氧化鋁基板上一一施加，基板對(duì)于這些外加應(yīng)力的反應(yīng)也將逐項(xiàng)得到驗(yàn)證。

3 驗(yàn)證項(xiàng)目的確定

基于上述分析，建立了高純氧化鋁陶瓷基板的工藝適用性驗(yàn)證項(xiàng)目清單，既全面覆蓋工藝驗(yàn)證需求，又精準(zhǔn)細(xì)化驗(yàn)證指標(biāo)，科學(xué)分解試驗(yàn)項(xiàng)目，具體如表2所示。

表2 高純氧化鋁基板工藝適用性驗(yàn)證項(xiàng)目Tab.2 High purity alumina substrate process suitability verification project

4 試驗(yàn)安排與樣件準(zhǔn)備

星載微波電路用高純氧化鋁基板的工藝適用性驗(yàn)證，按照?qǐng)D2所示的技術(shù)流程執(zhí)行。流程中的溫度循環(huán)試驗(yàn)和高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)、耐溫性測(cè)試，是基于星載應(yīng)用需求，在驗(yàn)證項(xiàng)目實(shí)施前開展的環(huán)境考核試驗(yàn)，目的在于預(yù)先篩查基板與電路制作中可能的缺陷，確保驗(yàn)證過(guò)程試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖2 高純氧化鋁基板電路驗(yàn)證流程Fig.2 Verification flow of high purity alumina substrate circuit

選取典型規(guī)格為50.8 mm×50.8 mm×0.635 mm的國(guó)產(chǎn)某高純氧化鋁基板，考慮到細(xì)線條、接地孔、電阻、孤立測(cè)試點(diǎn)、焊盤等常用微帶電路加工圖形，綜合電路加工和組裝工藝的實(shí)施便利性，設(shè)計(jì)了如圖3（a）～圖3（d）所示的驗(yàn)證版圖。

圖3 高純氧化鋁基板工藝適用性驗(yàn)證版圖Fig.3 Verification pattern of high purity alumina substrate process suitability

根據(jù)上述版圖完成了工藝適用性驗(yàn)證用電路樣件的加工并適當(dāng)裁切，作為電路加工工藝和組裝工藝適用性各個(gè)項(xiàng)目的試驗(yàn)對(duì)象。完成材料、工藝件的工藝適用性驗(yàn)證試驗(yàn)后，以Ka頻段射頻鏈產(chǎn)品為應(yīng)用背景，通過(guò)實(shí)際電路加工和組裝，在各個(gè)工藝流程，開展考核試驗(yàn)，并對(duì)最終組件利用溫循、恒定加速度、電老煉等環(huán)境考核驗(yàn)證和組件破壞性物理分析方法，綜合確認(rèn)每一項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目與工藝適用性驗(yàn)證指標(biāo)符合程度。

5 驗(yàn)證結(jié)果與分析討論

依據(jù)前面所述的驗(yàn)證流程，針對(duì)國(guó)產(chǎn)某氧化鋁陶瓷基板實(shí)施了工藝適用性驗(yàn)證各項(xiàng)目，完成了指標(biāo)檢測(cè)。高純氧化鋁基板工藝適用性驗(yàn)證結(jié)果數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?～表4 所示。從驗(yàn)證結(jié)果可知，此高純氧化鋁基板的電路加工工藝適用性和組裝工藝性，均滿足應(yīng)用要求。其中，膜層附著力、破壞性鍵合拉力、基板粘接強(qiáng)度等指標(biāo)明顯優(yōu)于應(yīng)用要求，說(shuō)明了高純氧化鋁基板表面的粗糙度、平整度等外在質(zhì)量和表面微觀結(jié)構(gòu)一致性與缺陷分布等內(nèi)在質(zhì)量，滿足電路制作工藝和組裝工藝對(duì)于基板的基本要求。

表3 高純氧化鋁基板電路加工工藝性驗(yàn)證結(jié)果匯總Tab.3 Summary of circuit manufacturabilty verification results for high purity alumina substrates

表4 高純氧化鋁基板組裝工藝性驗(yàn)證結(jié)果匯總Tab.4 Summary of assembly process verification results for high purity alumina substrates

而酸堿腐蝕性、圖形精度、激光加工和砂輪劃切后外觀質(zhì)量與精度均滿足應(yīng)用要求，說(shuō)明了此基板的微觀晶粒與結(jié)構(gòu)致密性能夠耐受外界激光燒蝕、磨削、化學(xué)溶液侵蝕等作用。

為進(jìn)一步確認(rèn)工藝適用性驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)際產(chǎn)品應(yīng)用情況的符合性，對(duì)國(guó)產(chǎn)某高純氧化鋁基板加工成微帶電路組裝成的實(shí)際Ka 頻段射頻鏈模塊產(chǎn)品，按照某星用模塊組件詳細(xì)規(guī)范，執(zhí)行表5所示的溫度循環(huán)、恒定加速度、電老煉等各項(xiàng)試驗(yàn)。

表5 模塊組件級(jí)驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目Tab.5 Module component level verification test items

安裝有國(guó)產(chǎn)高純氧化鋁基板的Ka 頻段射頻鏈組件，經(jīng)過(guò)上述環(huán)境考核試驗(yàn)后，整體電性能測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)需求。開蓋進(jìn)行DPA（破壞性物理分析）試驗(yàn)后，也未發(fā)現(xiàn)基板裂紋、基板膜層脫落、焊點(diǎn)脫落等與基板自身質(zhì)量有關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。這進(jìn)一步說(shuō)明了此牌號(hào)的高純氧化鋁基板的內(nèi)在特性與結(jié)構(gòu)，適用于當(dāng)前宇航微波模塊應(yīng)用。

6 結(jié)論

研究了星載微波電路用高純氧化鋁基板的工藝適用性驗(yàn)證技術(shù)，并通過(guò)工藝適用性驗(yàn)證的具體實(shí)施和組裝實(shí)際產(chǎn)品后的環(huán)境考核結(jié)果確認(rèn)，證實(shí)了工藝適用性驗(yàn)證技術(shù)的合理性與有效性。研究結(jié)果表明，基板類材料工藝適用性驗(yàn)證的實(shí)施，首先通過(guò)需求分析確定了100%覆蓋工藝需求、包含電路制作和組裝的兩方面驗(yàn)證內(nèi)容，在此基礎(chǔ)上科學(xué)設(shè)計(jì)驗(yàn)證項(xiàng)目，開展工藝適用性驗(yàn)證，所有考核項(xiàng)目均滿足指標(biāo)體系要求?；逶趩螜C(jī)組件的應(yīng)用中，表現(xiàn)了良好的環(huán)境適應(yīng)性，滿足單機(jī)產(chǎn)品高可靠性設(shè)計(jì)和制作要求。依此建立的工藝適用性驗(yàn)證試驗(yàn)方法，可快速有效地實(shí)施同類材料應(yīng)用可靠性評(píng)價(jià)工作，為提升國(guó)產(chǎn)材料在航天領(lǐng)域應(yīng)用質(zhì)量和轉(zhuǎn)化速度奠定必備的基礎(chǔ)技術(shù)體系。