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Parylene C薄膜微波電路的應(yīng)用可行性研究

2021-04-06 07:15張亞楠
宇航材料工藝 2021年1期
關(guān)鍵詞:樣件鍍膜引線(xiàn)

張亞楠 孫 鵬 周 澄

(西安空間無(wú)線(xiàn)電技術(shù)研究所,西安 710000)

0 引言

航天混合微電路工藝是一種高可靠性的裝聯(lián)技術(shù),對(duì)元器件互聯(lián)精準(zhǔn)度和可靠性要求很高。高精度組件配裝中的引線(xiàn)厚度約幾十微米,芯片線(xiàn)路也極其精細(xì)。而配裝中的焊接工藝或多或少地殘留微量的助焊劑或焊料錫珠,影響著部分引線(xiàn)鍵合的附著力和電氣互聯(lián)性。殘留的較大尺寸可動(dòng)異物(直徑>25 μm),在高加速測(cè)試階段有碰撞引線(xiàn)、短路和損傷電路風(fēng)險(xiǎn),易造成產(chǎn)品PIND 測(cè)試不合格,甚至導(dǎo)致產(chǎn)品電性能指標(biāo)超差,降低產(chǎn)品的成品率。

在微波組件的表面涂覆一層有機(jī)保護(hù)層是確保電子產(chǎn)品有效工作的重要工藝措施。目前國(guó)內(nèi)外電子制造業(yè)最常見(jiàn)的涂覆材料是聚對(duì)二甲苯(Parylene),主要用于防護(hù)各種電子線(xiàn)路板[1]。該涂覆膜通過(guò)真空化學(xué)氣相沉積方法,在基板表面形成厚度為幾微米到幾十微米的新型保護(hù)膜,這種薄膜具有厚度均勻、致密無(wú)針孔、透明無(wú)應(yīng)力等特點(diǎn),對(duì)器件無(wú)損傷,有優(yōu)異的電絕緣性和卓越的防護(hù)性能。在微電子、混合電路領(lǐng)域主要作為高純度的鈍化層和介質(zhì)層,起到絕緣和隔離保護(hù)作用[2-3]。

涂覆膜材料按照分子結(jié)構(gòu)可分為N 型、C 型、D型、HT 型四種類(lèi)型,其分子結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其中D 型有高溫下優(yōu)良的物理特性、電性能和熱穩(wěn)定性。N型有很高的擊穿強(qiáng)度、低介電常數(shù)[4]。有研究表明5 μm厚度N 型薄膜在35 GHz 的濾波器和Ka 頻段放大器微波電路中應(yīng)用良好[2];C 型薄膜可提供極佳的電氣和物理特性以及在潮熱環(huán)境和腐蝕性氣體環(huán)境下的低滲透率特性。

國(guó)外研究發(fā)現(xiàn)Parylene C 薄膜在MMIC電路中具有防護(hù)作用,薄膜對(duì)微毫米波電路中的差損僅損失了1.04 dB,在電路防潮防濕方面應(yīng)用效果顯著[5-7]。而國(guó)內(nèi)對(duì)該材料的應(yīng)用和涂覆技術(shù)鮮有研究,為了解決多芯片微波組件中可動(dòng)多余物的防控問(wèn)題,本文選用Parylene C 型材料,采用氣相沉積法,探究一種對(duì)微波電性能無(wú)耗損的多余物防控方法。

圖1 Parylene材料不同型號(hào)的分子結(jié)構(gòu)Fig.1 The chemical structure of different types of parylene materials

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

采用Parylene C 粉粒,蘇州凱瑞納米科技有限公司;硅橡膠(GD414 膠),中昊晨光化工研究有限公司。

納米鍍膜是通過(guò)真空設(shè)備,化學(xué)氣相沉積技術(shù)將有機(jī)材料涂覆在產(chǎn)品表面:(1)待涂覆樣件做烘烤除潮處理;(2)鍍膜;(3)高溫裂解室;(4)沉積腔;(5)保壓12 h 可使膜層更加均勻致密,過(guò)程如圖2所示。依據(jù)Parylene C 粉料的質(zhì)量可推算出膜層的厚度,從而調(diào)整膜層厚度。鍍膜后,樣件內(nèi)部全方位鍍上一層透明的20 μm薄膜。

圖2 Parylene真空氣相沉積鍍膜過(guò)程Fi.2 Vacuum vapor deposition coating process of parylene film

1.2 設(shè)備及方法

依據(jù)GJB548B—2005[8]相關(guān)方法,進(jìn)行溫度循環(huán)測(cè)試(-55~125 ℃,高低溫轉(zhuǎn)換時(shí)間低于1 min,保溫30 min,100 個(gè)循環(huán))、恒定加速度(Y1,5 000g)、剪切力和引線(xiàn)鍵合力測(cè)試。

采用PDS 2060PC型鍍膜機(jī)設(shè)備進(jìn)行涂覆,拉力測(cè)試儀(DAGE4000Plus型)進(jìn)行鍵合引線(xiàn)測(cè)試,通過(guò)掃描電鏡(QUANTA 450FEG型)觀(guān)察薄膜微觀(guān)形貌,模塊清洗機(jī)(MSR216ATH35型)進(jìn)行氣相清洗、智能直流低電阻測(cè)試儀(TH2512型)進(jìn)行表面絕緣電阻測(cè)試。

1.3 樣件鍍膜處理

由于微波毫米波產(chǎn)品多采用高度集成的MMIC裸芯片配裝,且元器件的精密、電路布線(xiàn)的精細(xì),肉眼難以發(fā)現(xiàn)。

如圖3所示,在樣件內(nèi)部存在尺寸為幾微米到幾十微米之間的錫珠。錫珠分布在引線(xiàn)、阻容器件附近或底部,或基板表面。通常明顯可見(jiàn)的錫珠采用精細(xì)工具或者清洗方法清除,而藏匿在元器件底部或者產(chǎn)品線(xiàn)路狹窄空間中的卻無(wú)法去除。在組裝、調(diào)試和轉(zhuǎn)運(yùn)保護(hù)等過(guò)程稍有損傷,則破壞電氣互聯(lián)特性。

圖3 某型號(hào)微波電路中錫珠可動(dòng)多余物Fig.3 Removable excess of tin beads in a certain type of microwave circuit

基于此,鍍膜前后工藝處理全流程如圖4所示,其中防護(hù)過(guò)程是技術(shù)難點(diǎn),既保證不影響Parylene C鍍膜和膜層附著力,也滿(mǎn)足防護(hù)的要求。采用硅橡膠GD414膠對(duì)封焊面進(jìn)行保護(hù)。樣件外側(cè)絕緣子、螺紋孔及連接器采用安裝插接頭和3M膠帶進(jìn)行保護(hù)。后續(xù)去保護(hù)時(shí)便于操作,且對(duì)膜層的影響較小。

圖4 微波毫米波電路Parylene C鍍膜工藝流程Fig.4 Parylene C coating process for microwave millimeter wave circuit

2 結(jié)果與結(jié)論

2.1 涂覆Parylene 薄膜的微波組件PIND測(cè)試

由于錫珠是依靠具有一定黏附力的殘留助焊劑附著在基板表面,試驗(yàn)選擇鉛錫焊接阻容后的LTCC基板(Dupont),通過(guò)調(diào)整焊接工藝制作了不同尺寸錫珠,如圖5所示。經(jīng)Parylene C涂覆后,再經(jīng)溫度循環(huán)和恒定加速度,而后對(duì)錫珠進(jìn)行推切測(cè)試,研究涂覆膜對(duì)錫珠的固定作用。錫珠直徑d<0.5 mm 的樣件,采用3 只同型號(hào)的樣件,內(nèi)部含有大致相同的錫珠數(shù)量、大小。未鍍膜時(shí)僅1只樣件PIND 測(cè)試合格;鍍膜后3 只均合格,從而明顯提高樣件的PIND 測(cè)試通過(guò)率。

圖5 微波電路中不同尺寸錫珠的推切力測(cè)試Fig.5 Shear force test of different size tin beads in microwave circuit

依圖5得知樣件鍍膜后,其錫珠剪切強(qiáng)度增加了約83.5%,這是因?yàn)楸∧ぷ鳛楸Wo(hù)層,自身與基板的結(jié)合力較好,強(qiáng)化了對(duì)錫珠的包裹力,且Parylene C材料有較高的斷裂強(qiáng)度、彈性模量和抗拉強(qiáng)度,在無(wú)尖銳工具刺破的情況下具有良好韌性和強(qiáng)度,可滿(mǎn)足鎖定錫珠的要求,所以鍍膜后錫珠剪切強(qiáng)度顯著增加,且提高了PIND測(cè)試合格率。

高低溫循環(huán)和恒定加速度沖擊后的錫珠剪切強(qiáng)度有所降低,因?yàn)镻arylene C膜具有非等溫結(jié)晶性[9],高低溫測(cè)試較高的溫度變化率(15~20 ℃/min),促使薄膜異相成核進(jìn)行二次結(jié)晶,結(jié)晶度提高而薄膜表現(xiàn)出脆性。當(dāng)剪切作用在膜層上時(shí),高分子鏈段因緊密排列而運(yùn)動(dòng)空間小,強(qiáng)度降低,由原有的韌性形變轉(zhuǎn)為韌性和脆性形變的結(jié)合體,故而剪切力有所降低,但是恒定加速度考核測(cè)試時(shí)仍能夠完好的鎖定多余物而不脫落。

以上分析,說(shuō)明在微波產(chǎn)品中涂覆Parylene 材料對(duì)直徑d<1 mm 以下的可動(dòng)多余物的固定以及機(jī)械性具有一定可靠性。

Parylene C 薄膜是致密均一的薄膜,溫度循環(huán)后部分膜層出現(xiàn)“凹陷”或褶皺凸起,說(shuō)明膜層與元件表面有局部輕微剝離現(xiàn)象,如圖6所示。這與產(chǎn)品表面未清潔徹底、烘烤除潮徹底有關(guān)。其次,是高溫使得高分子鏈段運(yùn)動(dòng)而重新排布,結(jié)晶性增加,薄膜與原始狀態(tài)比較局部表現(xiàn)出脆性,膜層均一性降低,但仍具有一定韌性可包覆多余物。

圖6 Parylene C膜的SEM微觀(guān)形貌Fig.6 SEM photographs of Parylene C film 5 000×

2.2 Parylene 薄膜與粘結(jié)用環(huán)氧導(dǎo)電膠兼容性分析

微波組件中的環(huán)氧導(dǎo)電膠操作溫度為室溫,固化溫度為100~200 ℃,而Parylene C 薄膜聚合物在室溫下成型,其高分子結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 Parylene C薄膜化學(xué)結(jié)構(gòu)式和環(huán)氧樹(shù)脂高分子結(jié)構(gòu)Fig.7 Chemical structure of Parylene film and epoxy resin polymer structure

從化學(xué)結(jié)構(gòu)得知兩種高分子聚合物在室溫下化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定。圖7中Parylene C 薄膜是粉料經(jīng)680~700 ℃高溫發(fā)生C—C 鍵裂解,由活性單體聚合而成,在微波產(chǎn)品的使用溫度下,化學(xué)屬性穩(wěn)定。而環(huán)氧樹(shù)脂中的活性基團(tuán)(羥基、環(huán)氧基)在無(wú)親電子極性物質(zhì)存在下,也保持聚合物固有屬性,因此Parylene C 薄膜和環(huán)氧導(dǎo)電膠不會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),該薄膜對(duì)導(dǎo)電膠粘結(jié)性能無(wú)影響。

從微波組件的主要材料及其實(shí)施工藝分析可知,環(huán)氧導(dǎo)電膠與Parylene C 薄膜可以兼容使用,對(duì)微波產(chǎn)品無(wú)質(zhì)量隱患。

2.3 Parylene薄膜與鍵合引線(xiàn)的匹配性分析

微波組件中的引線(xiàn)互聯(lián)主要是金絲,硅鋁絲,金絲、鋁絲、Parylene C 的熱脹系數(shù)(CTE)分別為1.46×10-5、2.38×10-5、3.5×10-5/K,薄膜材料略大前兩者。由于應(yīng)用中膜層厚度一般控制在5~6 μm,且氣相沉積形成的薄膜自身無(wú)應(yīng)力,自潤(rùn)滑性較好,高低溫后的熱收縮應(yīng)力微乎其微,不會(huì)影響到引線(xiàn)弧高度。薄膜對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響進(jìn)行如下的分析。

涂覆Parylene C 薄膜后的樣件經(jīng)溫度循環(huán)、恒定加速度測(cè)試。鍵合引線(xiàn)100%非破壞性拉力測(cè)試,測(cè)試鉤在兩鍵合點(diǎn)中間位置。破壞性測(cè)試的失效模式為引線(xiàn)起弧點(diǎn),測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)圖8~圖9。

由圖8~圖9得知,涂覆后和溫度循環(huán)、恒加測(cè)試后的破壞性鍵合強(qiáng)度遠(yuǎn)大于標(biāo)準(zhǔn)值,說(shuō)明Parylene C薄膜適當(dāng)?shù)哪ず裼兄谠鰪?qiáng)金絲鍵合強(qiáng)度(提高4~5倍),因?yàn)橥ㄟ^(guò)外層薄膜對(duì)元件表面的“束縛力”,使得鍵合引線(xiàn)與基板的結(jié)合更加牢固。

圖8 (A,B)Parylene鍍膜后非破壞性引線(xiàn)鍵合力測(cè)試Fig.8 (A,B)Non-destructive wire bonding force test after parylene coating

圖9 (C,D)破壞性鍵合力測(cè)試Fig.9 (C,D)Destructive bonding force test

目前選用厚膜電源模塊、S 頻段MCM 頻率綜合部件、Ku 頻段放大器幾類(lèi)微波產(chǎn)品鍍膜后的引線(xiàn)鍵合力均滿(mǎn)足GJB548 的相關(guān)要求,且對(duì)微波的電氣連通性影響較小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明Parylene C 薄膜與鍵合引線(xiàn)具有良好的匹配性。

2.4 Parylene薄膜與溴丙烷清洗劑的兼容性分析

目前多芯片微波組件為了清除芯片等元器件表面的多余物,采用溴丙烷清洗劑清除表面臟污。清洗劑與Parylene C 材料的兼容性鮮有報(bào)道,故而進(jìn)行如下的研究和分析。依據(jù)產(chǎn)品清洗要求將鍍膜樣件進(jìn)行蒸洗10 min,漂洗及超聲20 s 的膜層外觀(guān)如圖10所示。發(fā)現(xiàn)鍍膜包覆的錫珠和元器件底部的助焊劑均鎖定在膜層下方,達(dá)到良好的包覆作用,且不影響器件性能,同時(shí)保證產(chǎn)品PIND 測(cè)試合格率提升,說(shuō)明Parylene 材料具有良好的防潮性,且與溴丙烷兼容性較好。

圖10 涂覆Parylene膜層氣相清洗前后變化Fig.10 Variations before and after vapor cleaning of parylene film

鍍膜后的樣件,經(jīng)考核測(cè)試及溴丙烷霧化清洗后,其引線(xiàn)的非破壞性鍵合力無(wú)明顯差異,說(shuō)明嚴(yán)苛的考核測(cè)試并未改變薄膜與基板的結(jié)合力和可靠性。因此,說(shuō)明Parylene C 薄膜與溴丙烷具有良好的兼容性,可靠性較好。

2.5 Parylene薄膜對(duì)微波組件的絕緣強(qiáng)度測(cè)試

絕緣強(qiáng)度是測(cè)量膜層對(duì)外加直流所呈現(xiàn)的電阻,依GJB 5807—2006 要求[10],一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)電子產(chǎn)品的表面絕緣電阻都不應(yīng)小于100 MΩ。測(cè)試Parylene C 薄膜電阻為2 000 MΩ,滿(mǎn)足測(cè)試指標(biāo)??梢?jiàn)涂覆Parylene C 后,能夠?qū)?nèi)部芯片等器件進(jìn)行絕緣,與外界隔絕,對(duì)內(nèi)部起到一定的電隔離保護(hù)作用。

3 結(jié)論

(1)Parylene C 型薄膜對(duì)微波產(chǎn)品中直徑d<1 mm 錫珠多余物有良好防控作用,且提高微波組件的PIND等測(cè)試的合格率,帶來(lái)較高經(jīng)濟(jì)效益。

(2)Parylene C 薄膜材料與微波電路中的環(huán)氧型導(dǎo)電膠、引線(xiàn)鍵合及氣相清洗等工藝和材料有良好的兼容性,且滿(mǎn)足可靠性要求。

(3)高低溫變化率的大小影響Parylene C 薄膜的結(jié)晶性,對(duì)膜層強(qiáng)度有削弱作用。同時(shí)鍍膜前的清洗、除潮干燥處理對(duì)膜層附著力至關(guān)重要。

(4)該薄膜在微波電路中有一定的絕緣強(qiáng)度和防護(hù)作用。但注意涂鍍薄膜前對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行清洗和除潮處理,防止元器件表面的水汽影響電性能。

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