Parylene C薄膜微波电路的应用可行性研究

2021-04-06张亚楠

宇航材料工艺 2021年1期

张亚楠孙鹏周澄

（西安空间无线电技术研究所，西安 710000）

0 引言

航天混合微电路工艺是一种高可靠性的装联技术，对元器件互联精准度和可靠性要求很高。高精度组件配装中的引线厚度约几十微米，芯片线路也极其精细。而配装中的焊接工艺或多或少地残留微量的助焊剂或焊料锡珠，影响着部分引线键合的附着力和电气互联性。残留的较大尺寸可动异物（直径＞25 μm），在高加速测试阶段有碰撞引线、短路和损伤电路风险，易造成产品PIND 测试不合格，甚至导致产品电性能指标超差，降低产品的成品率。

在微波组件的表面涂覆一层有机保护层是确保电子产品有效工作的重要工艺措施。目前国内外电子制造业最常见的涂覆材料是聚对二甲苯（Parylene），主要用于防护各种电子线路板［1］。该涂覆膜通过真空化学气相沉积方法，在基板表面形成厚度为几微米到几十微米的新型保护膜，这种薄膜具有厚度均匀、致密无针孔、透明无应力等特点，对器件无损伤，有优异的电绝缘性和卓越的防护性能。在微电子、混合电路领域主要作为高纯度的钝化层和介质层，起到绝缘和隔离保护作用［2-3］。

涂覆膜材料按照分子结构可分为N 型、C 型、D型、HT 型四种类型，其分子结构见图1。其中D 型有高温下优良的物理特性、电性能和热稳定性。N型有很高的击穿强度、低介电常数［4］。有研究表明5 μm厚度N 型薄膜在35 GHz 的滤波器和Ka 频段放大器微波电路中应用良好［2］；C 型薄膜可提供极佳的电气和物理特性以及在潮热环境和腐蚀性气体环境下的低渗透率特性。

国外研究发现Parylene C 薄膜在MMIC电路中具有防护作用，薄膜对微毫米波电路中的差损仅损失了1.04 dB，在电路防潮防湿方面应用效果显著［5-7］。而国内对该材料的应用和涂覆技术鲜有研究，为了解决多芯片微波组件中可动多余物的防控问题，本文选用Parylene C 型材料，采用气相沉积法，探究一种对微波电性能无耗损的多余物防控方法。

图1 Parylene材料不同型号的分子结构Fig.1 The chemical structure of different types of parylene materials

1 实验

1.1 材料

采用Parylene C 粉粒，苏州凯瑞纳米科技有限公司；硅橡胶（GD414 胶），中昊晨光化工研究有限公司。

纳米镀膜是通过真空设备，化学气相沉积技术将有机材料涂覆在产品表面：（1）待涂覆样件做烘烤除潮处理；（2）镀膜；（3）高温裂解室；（4）沉积腔；（5）保压12 h 可使膜层更加均匀致密，过程如图2所示。依据Parylene C 粉料的质量可推算出膜层的厚度，从而调整膜层厚度。镀膜后，样件内部全方位镀上一层透明的20 μm薄膜。

图2 Parylene真空气相沉积镀膜过程Fi.2 Vacuum vapor deposition coating process of parylene film

1.2 设备及方法

依据GJB548B—2005［8］相关方法，进行温度循环测试（-55～125 ℃，高低温转换时间低于1 min，保温30 min，100 个循环）、恒定加速度（Y1，5 000g）、剪切力和引线键合力测试。

采用PDS 2060PC型镀膜机设备进行涂覆，拉力测试仪（DAGE4000Plus型）进行键合引线测试，通过扫描电镜（QUANTA 450FEG型）观察薄膜微观形貌，模块清洗机（MSR216ATH35型）进行气相清洗、智能直流低电阻测试仪（TH2512型）进行表面绝缘电阻测试。

1.3 样件镀膜处理

由于微波毫米波产品多采用高度集成的MMIC裸芯片配装，且元器件的精密、电路布线的精细，肉眼难以发现。

如图3所示，在样件内部存在尺寸为几微米到几十微米之间的锡珠。锡珠分布在引线、阻容器件附近或底部，或基板表面。通常明显可见的锡珠采用精细工具或者清洗方法清除，而藏匿在元器件底部或者产品线路狭窄空间中的却无法去除。在组装、调试和转运保护等过程稍有损伤，则破坏电气互联特性。

图3 某型号微波电路中锡珠可动多余物Fig.3 Removable excess of tin beads in a certain type of microwave circuit

基于此，镀膜前后工艺处理全流程如图4所示，其中防护过程是技术难点，既保证不影响Parylene C镀膜和膜层附着力，也满足防护的要求。采用硅橡胶GD414胶对封焊面进行保护。样件外侧绝缘子、螺纹孔及连接器采用安装插接头和3M胶带进行保护。后续去保护时便于操作，且对膜层的影响较小。

图4 微波毫米波电路Parylene C镀膜工艺流程Fig.4 Parylene C coating process for microwave millimeter wave circuit

2 结果与结论

2.1 涂覆Parylene 薄膜的微波组件PIND测试

由于锡珠是依靠具有一定黏附力的残留助焊剂附着在基板表面，试验选择铅锡焊接阻容后的LTCC基板（Dupont），通过调整焊接工艺制作了不同尺寸锡珠，如图5所示。经Parylene C涂覆后，再经温度循环和恒定加速度，而后对锡珠进行推切测试，研究涂覆膜对锡珠的固定作用。锡珠直径d＜0.5 mm 的样件，采用3 只同型号的样件，内部含有大致相同的锡珠数量、大小。未镀膜时仅1只样件PIND 测试合格；镀膜后3 只均合格，从而明显提高样件的PIND 测试通过率。

图5 微波电路中不同尺寸锡珠的推切力测试Fig.5 Shear force test of different size tin beads in microwave circuit

依图5得知样件镀膜后，其锡珠剪切强度增加了约83.5%，这是因为薄膜作为保护层，自身与基板的结合力较好，强化了对锡珠的包裹力，且Parylene C材料有较高的断裂强度、弹性模量和抗拉强度，在无尖锐工具刺破的情况下具有良好韧性和强度，可满足锁定锡珠的要求，所以镀膜后锡珠剪切强度显著增加，且提高了PIND测试合格率。

高低温循环和恒定加速度冲击后的锡珠剪切强度有所降低，因为Parylene C膜具有非等温结晶性［9］，高低温测试较高的温度变化率（15～20 ℃/min），促使薄膜异相成核进行二次结晶，结晶度提高而薄膜表现出脆性。当剪切作用在膜层上时，高分子链段因紧密排列而运动空间小，强度降低，由原有的韧性形变转为韧性和脆性形变的结合体，故而剪切力有所降低，但是恒定加速度考核测试时仍能够完好的锁定多余物而不脱落。

以上分析，说明在微波产品中涂覆Parylene 材料对直径d＜1 mm 以下的可动多余物的固定以及机械性具有一定可靠性。

Parylene C 薄膜是致密均一的薄膜，温度循环后部分膜层出现“凹陷”或褶皱凸起，说明膜层与元件表面有局部轻微剥离现象，如图6所示。这与产品表面未清洁彻底、烘烤除潮彻底有关。其次，是高温使得高分子链段运动而重新排布，结晶性增加，薄膜与原始状态比较局部表现出脆性，膜层均一性降低，但仍具有一定韧性可包覆多余物。

图6 Parylene C膜的SEM微观形貌Fig.6 SEM photographs of Parylene C film 5 000×

2.2 Parylene 薄膜与粘结用环氧导电胶兼容性分析

微波组件中的环氧导电胶操作温度为室温，固化温度为100～200 ℃，而Parylene C 薄膜聚合物在室温下成型，其高分子结构如图7所示。

图7 Parylene C薄膜化学结构式和环氧树脂高分子结构Fig.7 Chemical structure of Parylene film and epoxy resin polymer structure

从化学结构得知两种高分子聚合物在室温下化学性质极其稳定。图7中Parylene C 薄膜是粉料经680～700 ℃高温发生C—C 键裂解，由活性单体聚合而成，在微波产品的使用温度下，化学属性稳定。而环氧树脂中的活性基团（羟基、环氧基）在无亲电子极性物质存在下，也保持聚合物固有属性，因此Parylene C 薄膜和环氧导电胶不会发生化学反应，该薄膜对导电胶粘结性能无影响。

从微波组件的主要材料及其实施工艺分析可知，环氧导电胶与Parylene C 薄膜可以兼容使用，对微波产品无质量隐患。

2.3 Parylene薄膜与键合引线的匹配性分析

微波组件中的引线互联主要是金丝，硅铝丝，金丝、铝丝、Parylene C 的热胀系数（CTE）分别为1.46×10-5、2.38×10-5、3.5×10-5/K，薄膜材料略大前两者。由于应用中膜层厚度一般控制在5～6 μm，且气相沉积形成的薄膜自身无应力，自润滑性较好，高低温后的热收缩应力微乎其微，不会影响到引线弧高度。薄膜对键合强度的影响进行如下的分析。

涂覆Parylene C 薄膜后的样件经温度循环、恒定加速度测试。键合引线100%非破坏性拉力测试，测试钩在两键合点中间位置。破坏性测试的失效模式为引线起弧点，测试数据见图8～图9。

由图8～图9得知，涂覆后和温度循环、恒加测试后的破坏性键合强度远大于标准值，说明Parylene C薄膜适当的膜厚有助于增强金丝键合强度（提高4～5倍），因为通过外层薄膜对元件表面的“束缚力”，使得键合引线与基板的结合更加牢固。

图8 （A，B）Parylene镀膜后非破坏性引线键合力测试Fig.8 （A，B）Non-destructive wire bonding force test after parylene coating

图9 （C，D）破坏性键合力测试Fig.9 （C，D）Destructive bonding force test

目前选用厚膜电源模块、S 频段MCM 频率综合部件、Ku 频段放大器几类微波产品镀膜后的引线键合力均满足GJB548 的相关要求，且对微波的电气连通性影响较小。实验结果说明Parylene C 薄膜与键合引线具有良好的匹配性。

2.4 Parylene薄膜与溴丙烷清洗剂的兼容性分析

目前多芯片微波组件为了清除芯片等元器件表面的多余物，采用溴丙烷清洗剂清除表面脏污。清洗剂与Parylene C 材料的兼容性鲜有报道，故而进行如下的研究和分析。依据产品清洗要求将镀膜样件进行蒸洗10 min，漂洗及超声20 s 的膜层外观如图10所示。发现镀膜包覆的锡珠和元器件底部的助焊剂均锁定在膜层下方，达到良好的包覆作用，且不影响器件性能，同时保证产品PIND 测试合格率提升，说明Parylene 材料具有良好的防潮性，且与溴丙烷兼容性较好。

图10 涂覆Parylene膜层气相清洗前后变化Fig.10 Variations before and after vapor cleaning of parylene film

镀膜后的样件，经考核测试及溴丙烷雾化清洗后，其引线的非破坏性键合力无明显差异，说明严苛的考核测试并未改变薄膜与基板的结合力和可靠性。因此，说明Parylene C 薄膜与溴丙烷具有良好的兼容性，可靠性较好。

2.5 Parylene薄膜对微波组件的绝缘强度测试

绝缘强度是测量膜层对外加直流所呈现的电阻，依GJB 5807—2006 要求［10］，一级、二级和三级电子产品的表面绝缘电阻都不应小于100 MΩ。测试Parylene C 薄膜电阻为2 000 MΩ，满足测试指标。可见涂覆Parylene C 后，能够对内部芯片等器件进行绝缘，与外界隔绝，对内部起到一定的电隔离保护作用。