采用等離子干燥工藝提高鍍膜附著強度穩定性*

詹為宇

(中國西南電子技術研究所，成都　610036)

采用等離子干燥工藝提高鍍膜附著強度穩定性*

詹為宇**

(中國西南電子技術研究所，成都610036)

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

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定性[J].電訊技術，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、電性能指標穩定性好、可簡化設計和組裝工序，在毫米波組件中的應用不斷增多。

薄膜電路制備中，鍍層與基底附著強度穩定性工藝一直是工藝的攻關和關注重點。吸附和脫附與鍍膜附著強度密切相關，國內外文獻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，加速吸附物質脫附，有效防止了化學吸附的逆變產物的影響，確保了產品可靠性。應用數據證明：濺射系統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吸附效率高，能量全空間覆蓋，消除了鍍膜系統內環境干燥死角，保證了產品附著強度的生產穩定性。

2　干燥缺陷引發的問題

鍍膜設備在運行一段時間后，設備鍍膜真空系統內表面因濺射飛濺，會在擋板等表面形成沉積層，增大了內表面的面積和表面形態。國內生產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，影響生產效率和品質穩定性。不清理沉積物，又存在鍍膜產品個別區域內發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

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

3　鍍膜附著強度變化原因分析

薄膜行業總結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定性出現問題，與環境、設備、產品要求和工藝流程密切關聯。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據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清洗的試驗結果后，可以確認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的要求和試驗設備極限參數及加嚴循環次數進行設計，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要求范圍內；刻劃測試是破壞性試驗，我們采用設立多方位試驗區方式進行；外觀要滿足設計和使用要求。

經過基板清洗效果對比的附著強度試驗后，我們認為只要基板表面的驗證能保證達到無油脂類、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證明有效可行的匹配選擇方案，材料熱膨脹系數(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，研究的數據結果表明前期附著強度沒有問題，開始出現問題是在生產運行1年后，證明目前出現的局部附著強度問題與基板和鍍膜材料的選擇匹配無關。

3.3鍍膜溫度

本文研究中所用濺射設備的工件加熱方式和蒸發設備有很大的不同，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工藝難。

濺射設備的烘烤設計主要是對基板加熱，基板掛架回轉，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　濺射真空系統結構示意圖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，結果發現偶發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定不是引起目前附著穩定性變化的原因。

3.4基板的出氣

對水氣為主的揮發物吸附量建模分析，經過相應公式求解計算和歸一化處理，近似認為τ0在10-13/s數量級。當水氣分子在熱運動中吸附和脫附達到動平衡時，固體單位面積上吸附的水氣分子數νa為[1]

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

按環境因素變化值進行了預估，概算裝卸工件時水分子吸附量在5～15個單分子層之間。吸附分子數與水氣壓強成正比。國內外研究發現，水氣等揮發物分子還可以深入到固體材料內部達到幾個微米深度，開倉裝片時水氣等揮發物分子在鍍膜腔壁可形成物理吸附，還可形成化學吸附，與濺射到腔室表面的原子形成復雜的水合物，在濺射時受外部能量作用下，某些化學吸附產物發生可逆反應，重新釋放揮發物。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，只能通過真空系統小環境完成吸附物控制和清除。

研究鍍膜設備具有基板加熱和等離子轟擊清洗的功能，設計的能量干燥重點是基板表面和靶材表面干燥。工藝試驗結果表明：附著強度問題不是發生在基板與襯底金屬之間，而發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物的影響。

材料對比試驗中，我們把使用的拋光陶瓷與國內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，其電路使用頻率遠高于國內大多數廠家電路的使用頻率，對介質厚度和電路圖形的批次一致性有嚴格的要求，又采用圖形蝕刻側蝕極低的蝕刻工藝，這種工藝使用即燒陶瓷的成品率較低，遠達不到使用拋光陶瓷的產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定性方法

前述分析表明，加速揮發物的清除和有效的脫附手段是對真空系統的表面施加能量。對整個真空系統具有的能量設置進行分析，從圖2所示真空系統的結構可以看出，設備的烘烤熱輻射設計主要針對基片[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真空腔室其他區域，加熱能量主要集中在擋板靠近熱板位置和基板表面，擋板后部和相應的真空腔室內壁形成巨大的熱輻射陰影區，該區內揮發物物理吸附僅靠真空排除一部分，還有相當殘余存在。

國內外研究所證明：如果烘烤干燥輻射能量不能覆蓋真空腔室內壁，出氣的主要來源是水氣。濺射過程環境有殘余水氣，則成熟的鍍膜工藝設計也會出現變數，因為膜層的結合物可能是與水氣等揮發物反應后的復雜產物而不可控。

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

設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項就達到10-9Pa數量級，可忽略不計，因此真空腔室的壓強動平衡表達式為

根據公式(3)，小環境中Q與p關聯。根據鍍膜平衡理論，一定工藝時間內，p越小，說明吸附物出氣少，鍍膜附著強度穩定性才能得到保證。

產品出現問題時記錄表明，設備達到10-2Pa真空壓強時的時間比設備驗收時同等真空時間延長，說明出氣值Q在增加。

對真空系統小環境檢查發現，隨著生產的進行，真空腔室內壁和擋板外壁上粘附的濺射物質出現了堆積，局部區域出現了起層疏松，內壁表面積增大，物理與化學吸附幾率增加，與問題出現的記錄變化符合。

根據建模分析和附著強度變化事實，因素分析結果說明由揮發物出氣引發幾率最大。研究認為對濺射系統表面的揮發物吸附進行干燥、烘烤和真空是最直接的方法，但設備的加熱板烘烤范圍十分有限，烘烤面積不到一半。工藝試驗已經證明：單純采用真空干燥，真空腔內壓力10-3Pa數量級，真空時間4～10 h。即使用生產效率很低的抽氣時間10 h的工藝參數用于生產鍍膜，仍不能杜絕附著強度問題發生，說明造成附著強度下降的揮發物不能用單純的真空干燥清除。分析設備現有功能后發現，設備唯一能夠對腔室內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，導致鍍膜表面質量下降。試驗證明等離子干燥工藝對穩定附著強度有效，但工藝參數設計必須與抽氣速率匹配，才能獲得良好的鍍膜質量。

結合前述建模分析數據和借鑒分析化學器皿清洗的原理，研究設計了等離子干燥的工藝流程和參數，利用等離子對表面全覆蓋的優勢，在鍍膜前先干燥真空腔室內表面，便于干燥參數設計，總結出了一套在一定時間內真空達到10-2Pa數量級的操作工藝判據。等離子干燥工藝加速了內表面物理和化學吸附的脫附過程，到達10-3Pa真空度的時間由原來的5～6 h縮短到4 h，仍保持工件表面質量。

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

5　結束語

采用等離子干燥工藝后，我們經過了長達2年的產品驗證檢測測試，產品附著強度試驗區全檢，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境試驗設備的極限溫度，耐熱試驗溫度滿足金鍺等共晶焊接要求，生產的薄膜產品全尺寸范圍內沒有發生過一例附著強度問題，證明采用的等離子干燥工藝已經解決了薄膜疊層金屬附著強度穩定性問題，生產產品已在數個工程項目的毫米波組件中應用，性能穩定。等離子干燥工藝解決了目前鍍膜設備的加熱覆蓋區域小和真空解吸缺少促進化學吸附轉化能量的缺陷，但是也應該看到，等離子干燥工藝在提高設備內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量。干燥設計參數應與真空抽排的速率匹配，確保等離子干燥能量產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年獲工學學士學位和工程碩士學位，現為高級工程師，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

國家科技攻關計劃項目

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