Parylene C薄膜微波電路的應用可行性研究

張亞楠 孫 鵬 周 澄

（西安空間無線電技術研究所，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技術，對元器件互聯精準度和可靠性要求很高。高精度組件配裝中的引線厚度約幾十微米，芯片線路也極其精細。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，影響著部分引線鍵合的附著力和電氣互聯性。殘留的較大尺寸可動異物（直徑＞25 μm），在高加速測試階段有碰撞引線、短路和損傷電路風險，易造成產品PIND 測試不合格，甚至導致產品電性能指標超差，降低產品的成品率。

在微波組件的表面涂覆一層有機保護層是確保電子產品有效工作的重要工藝措施。目前國內外電子制造業最常見的涂覆材料是聚對二甲苯（Parylene），主要用于防護各種電子線路板［1］。該涂覆膜通過真空化學氣相沉積方法，在基板表面形成厚度為幾微米到幾十微米的新型保護膜，這種薄膜具有厚度均勻、致密無針孔、透明無應力等特點，對器件無損傷，有優異的電絕緣性和卓越的防護性能。在微電子、混合電路領域主要作為高純度的鈍化層和介質層，起到絕緣和隔離保護作用［2-3］。

涂覆膜材料按照分子結構可分為N 型、C 型、D型、HT 型四種類型，其分子結構見圖1。其中D 型有高溫下優良的物理特性、電性能和熱穩定性。N型有很高的擊穿強度、低介電常數［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境和腐蝕性氣體環境下的低滲透率特性。

國外研究發現Parylene C 薄膜在MMIC電路中具有防護作用，薄膜對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用效果顯著［5-7］。而國內對該材料的應用和涂覆技術鮮有研究，為了解決多芯片微波組件中可動多余物的防控問題，本文選用Parylene C 型材料，采用氣相沉積法，探究一種對微波電性能無耗損的多余物防控方法。

圖1 Parylene材料不同型號的分子結構Fig.1 The chemical structure of different types of parylene materials

1 實驗

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。

納米鍍膜是通過真空設備，化學氣相沉積技術將有機材料涂覆在產品表面：（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，過程如圖2所示。依據Parylene C 粉料的質量可推算出膜層的厚度，從而調整膜層厚度。鍍膜后，樣件內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程Fi.2 Vacuum vapor deposition coating process of parylene film

1.2 設備及方法

依據GJB548B—2005［8］相關方法，進行溫度循環測試（-55～125 ℃，高低溫轉換時間低于1 min，保溫30 min，100 個循環）、恒定加速度（Y1，5 000g）、剪切力和引線鍵合力測試。

采用PDS 2060PC型鍍膜機設備進行涂覆，拉力測試儀（DAGE4000Plus型）進行鍵合引線測試，通過掃描電鏡（QUANTA 450FEG型）觀察薄膜微觀形貌，模塊清洗機（MSR216ATH35型）進行氣相清洗、智能直流低電阻測試儀（TH2512型）進行表面絕緣電阻測試。

1.3 樣件鍍膜處理

由于微波毫米波產品多采用高度集成的MMIC裸芯片配裝，且元器件的精密、電路布線的精細，肉眼難以發現。

如圖3所示，在樣件內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、阻容器件附近或底部，或基板表面。通常明顯可見的錫珠采用精細工具或者清洗方法清除，而藏匿在元器件底部或者產品線路狹窄空間中的卻無法去除。在組裝、調試和轉運保護等過程稍有損傷，則破壞電氣互聯特性。

圖3 某型號微波電路中錫珠可動多余物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，其中防護過程是技術難點，既保證不影響Parylene C鍍膜和膜層附著力，也滿足防護的要求。采用硅橡膠GD414膠對封焊面進行保護。樣件外側絕緣子、螺紋孔及連接器采用安裝插接頭和3M膠帶進行保護。后續去保護時便于操作，且對膜層的影響較小。

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 結果與結論

2.1 涂覆Parylene 薄膜的微波組件PIND測試

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，試驗選擇鉛錫焊接阻容后的LTCC基板（Dupont），通過調整焊接工藝制作了不同尺寸錫珠，如圖5所示。經Parylene C涂覆后，再經溫度循環和恒定加速度，而后對錫珠進行推切測試，研究涂覆膜對錫珠的固定作用。錫珠直徑d＜0.5 mm 的樣件，采用3 只同型號的樣件，內部含有大致相同的錫珠數量、大小。未鍍膜時僅1只樣件PIND 測試合格；鍍膜后3 只均合格，從而明顯提高樣件的PIND 測試通過率。

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

依圖5得知樣件鍍膜后，其錫珠剪切強度增加了約83.5%，這是因為薄膜作為保護層，自身與基板的結合力較好，強化了對錫珠的包裹力，且Parylene C材料有較高的斷裂強度、彈性模量和抗拉強度，在無尖銳工具刺破的情況下具有良好韌性和強度，可滿足鎖定錫珠的要求，所以鍍膜后錫珠剪切強度顯著增加，且提高了PIND測試合格率。

高低溫循環和恒定加速度沖擊后的錫珠剪切強度有所降低，因為Parylene C膜具有非等溫結晶性［9］，高低溫測試較高的溫度變化率（15～20 ℃/min），促使薄膜異相成核進行二次結晶，結晶度提高而薄膜表現出脆性。當剪切作用在膜層上時，高分子鏈段因緊密排列而運動空間小，強度降低，由原有的韌性形變轉為韌性和脆性形變的結合體，故而剪切力有所降低，但是恒定加速度考核測試時仍能夠完好的鎖定多余物而不脫落。

以上分析，說明在微波產品中涂覆Parylene 材料對直徑d＜1 mm 以下的可動多余物的固定以及機械性具有一定可靠性。

Parylene C 薄膜是致密均一的薄膜，溫度循環后部分膜層出現“凹陷”或褶皺凸起，說明膜層與元件表面有局部輕微剝離現象，如圖6所示。這與產品表面未清潔徹底、烘烤除潮徹底有關。其次，是高溫使得高分子鏈段運動而重新排布，結晶性增加，薄膜與原始狀態比較局部表現出脆性，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微觀形貌Fig.6 SEM photographs of Parylene C film 5 000×

2.2 Parylene 薄膜與粘結用環氧導電膠兼容性分析

微波組件中的環氧導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，其高分子結構如圖7所示。

圖7 Parylene C薄膜化學結構式和環氧樹脂高分子結構Fig.7 Chemical structure of Parylene film and epoxy resin polymer structure

從化學結構得知兩種高分子聚合物在室溫下化學性質極其穩定。圖7中Parylene C 薄膜是粉料經680～700 ℃高溫發生C—C 鍵裂解，由活性單體聚合而成，在微波產品的使用溫度下，化學屬性穩定。而環氧樹脂中的活性基團（羥基、環氧基）在無親電子極性物質存在下，也保持聚合物固有屬性，因此Parylene C 薄膜和環氧導電膠不會發生化學反應，該薄膜對導電膠粘結性能無影響。

從微波組件的主要材料及其實施工藝分析可知，環氧導電膠與Parylene C 薄膜可以兼容使用，對微波產品無質量隱患。

2.3 Parylene薄膜與鍵合引線的匹配性分析

微波組件中的引線互聯主要是金絲，硅鋁絲，金絲、鋁絲、Parylene C 的熱脹系數（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應力，自潤滑性較好，高低溫后的熱收縮應力微乎其微，不會影響到引線弧高度。薄膜對鍵合強度的影響進行如下的分析。

涂覆Parylene C 薄膜后的樣件經溫度循環、恒定加速度測試。鍵合引線100%非破壞性拉力測試，測試鉤在兩鍵合點中間位置。破壞性測試的失效模式為引線起弧點，測試數據見圖8～圖9。

由圖8～圖9得知，涂覆后和溫度循環、恒加測試后的破壞性鍵合強度遠大于標準值，說明Parylene C薄膜適當的膜厚有助于增強金絲鍵合強度（提高4～5倍），因為通過外層薄膜對元件表面的“束縛力”，使得鍵合引線與基板的結合更加牢固。

圖8 （A，B）Parylene鍍膜后非破壞性引線鍵合力測試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 頻段放大器幾類微波產品鍍膜后的引線鍵合力均滿足GJB548 的相關要求，且對微波的電氣連通性影響較小。實驗結果說明Parylene C 薄膜與鍵合引線具有良好的匹配性。

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道，故而進行如下的研究和分析。依據產品清洗要求將鍍膜樣件進行蒸洗10 min，漂洗及超聲20 s 的膜層外觀如圖10所示。發現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，達到良好的包覆作用，且不影響器件性能，同時保證產品PIND 測試合格率提升，說明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，經考核測試及溴丙烷霧化清洗后，其引線的非破壞性鍵合力無明顯差異，說明嚴苛的考核測試并未改變薄膜與基板的結合力和可靠性。因此，說明Parylene C 薄膜與溴丙烷具有良好的兼容性，可靠性較好。

2.5 Parylene薄膜對微波組件的絕緣強度測試

絕緣強度是測量膜層對外加直流所呈現的電阻，依GJB 5807—2006 要求［10］，一級、二級和三級電子產品的表面絕緣電阻都不應小于100 MΩ。測試Parylene C 薄膜電阻為2 000 MΩ，滿足測試指標。可見涂覆Parylene C 后，能夠對內部芯片等器件進行絕緣，與外界隔絕，對內部起到一定的電隔離保護作用。

3 結論

（1）Parylene C 型薄膜對微波產品中直徑d＜1 mm 錫珠多余物有良好防控作用，且提高微波組件的PIND等測試的合格率，帶來較高經濟效益。

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

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

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