1 Plasma清洗原理

 

通常物質(zhì)以固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài) 3 種狀態(tài)存在，而 Plasma 是物質(zhì)存在于 3 種物質(zhì)狀態(tài)之外的另一種狀態(tài)，及在一些特殊的情況下物質(zhì)原子內(nèi)的電子脫離原子核的吸引，使物質(zhì)呈為正負(fù)帶電粒子狀態(tài)。它的清洗原理就是在一組電極施以射頻電壓，區(qū)域內(nèi)的氣體被電極之間形成的高頻交變電場(chǎng)激蕩下，形成等離子體?；钚缘入x子對(duì)被清洗物進(jìn)行物理撞擊或化學(xué)反應(yīng)作用，使被清洗物表面物質(zhì)變成粒子和氣態(tài)物質(zhì)，然后在經(jīng)過抽真空排出，以達(dá)到清洗目的。

 

Plasma 清洗過程中與材料表面產(chǎn)生的反應(yīng)主要有兩種方式，一種是靠等離子對(duì)被清洗件表面作純物理撞擊作用。常用的氣體有不活潑氣體如氬氣(Ar)、氮?dú)?N 2 )等。另一種則是靠等離子中的自由基來做化學(xué)反應(yīng)，常用的活潑氣體有氫氣(H 2 )、氧氣(O 2 )等。

 

a)圖示 1，表示氬氣(Ar)等離子體以純物理撞擊方式來打破有機(jī)物的化學(xué)鍵并使表面污染物脫離基板。研究表明在壓力較低時(shí)，離子的能量越高，因而在物理撞擊時(shí)，離子的能量越高，撞擊作用越強(qiáng)，所以若要以物理反應(yīng)為主時(shí)，應(yīng)在較小壓力下來進(jìn)行反應(yīng)，這樣清洗效果較好。

 

b) 圖示 2 表示活性氣體 O 2 在電離情況下，其等離子體里的高活性自由基與材料表面做化學(xué)反應(yīng)，且在壓力較高時(shí)，對(duì)自由基的產(chǎn)生較有利，所以若要以化學(xué)反應(yīng)為主時(shí)，應(yīng)選擇在高壓下進(jìn)行反應(yīng)。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

 

在選取氧氣和氬氣作為 plasma 清洗條件時(shí)，綜合考慮產(chǎn)品元件，以及氧氣 plasma 清洗過程中容易在清洗元件表面產(chǎn)生新的氧化物，造成二次污染，而氬氣等離子清洗的機(jī)理是通過粒子動(dòng)能產(chǎn)生的物理清洗且氬氣是惰性氣體，在等離子清洗中不會(huì)與產(chǎn)品元器件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以保持元件表面的化學(xué)純凈性，不會(huì)造成二次污染。所以以下實(shí)驗(yàn)只選用單一氣體氬氣作為 plasma 清洗的工藝氣體。

 

2． 1 水滴角

 

實(shí)驗(yàn)方案:本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)未清洗，傳統(tǒng)(超聲波 + 電子氟化液)濕清洗、plasma 清洗的三種狀態(tài)下的基板分別進(jìn)行水滴角測(cè)試，對(duì)水滴角大小來判定清洗效果。

 

實(shí)驗(yàn)條件:10 等級(jí)無(wú)塵室，傳統(tǒng)清洗與 plasma 清洗分別在清洗后 30 分鐘進(jìn)行水滴角測(cè)量。

 

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:運(yùn)用 Phoenix-Pico/Nano 型號(hào)的接觸角測(cè)定儀進(jìn)行水滴角大小進(jìn)行測(cè)定。

 

實(shí)驗(yàn)材料:基于 AL 2 O 3 的陶瓷基板。

 

實(shí)驗(yàn)結(jié)果:

 

從圖 3 和表 1 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示未清洗基板水滴角最大，其次是傳統(tǒng)清洗，水滴角最小的是經(jīng)過 plasma 清洗后的基板，表明 plasma 清洗效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)清洗的效果。

 

2． 2 鍵合后推力 test 驗(yàn)證

 

實(shí)驗(yàn)方案:本實(shí)驗(yàn)通過對(duì)所需 Bond 的基板在未清洗、傳統(tǒng)清洗、plasma 清洗三種狀態(tài)的基板分別在進(jìn)行 Filp – Chip Bond，且在 Bond 后進(jìn)行推力實(shí)驗(yàn)，以及鍵合的狀態(tài)進(jìn)行比較分析來判斷清洗方式對(duì)鍵合的影響。

 

實(shí)驗(yàn)條件:10 等級(jí)無(wú)塵室，對(duì)三種狀態(tài)的基板 Filp – Chip Bond。

 

實(shí)驗(yàn) 設(shè)備: 用 型 號(hào) Nordson DAGE ( DAGE-SEＲIES-4000PXY)多功能焊接強(qiáng)度測(cè)試儀進(jìn)行推力測(cè)試;推力治具在受到持續(xù)加大的推力時(shí)芯片分離基板，測(cè)試儀記錄芯片分離時(shí)所用的最大推力。

 

實(shí)驗(yàn)結(jié)果:

 

通過表 2 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基板通過 plasma 清洗之后芯片上的 Bump(Au)與基板上的 pad 之間的鍵合程度明顯優(yōu)于未清洗和傳統(tǒng)清洗的基板。說明 plasma 清洗能有效的清除 Bond pad上的污染物等，從而使 Bump(Au)與 Bond pad 產(chǎn)生更多的鍵結(jié)使之得到充分的焊接。

 

2． 3 比較分析芯片分離基板之后基板 pad 上的 Bump 狀態(tài)

 

將芯片分離之后觀察分析芯片上的 Bump 是否保留在基板Pad 上，從而判定 Bump(Au)與基板 pad 鍵合的有效性。通過試驗(yàn)可以比較基板在三種狀態(tài)下分別進(jìn)行 Flip-Chip Bond，并對(duì)制品進(jìn)行 Push out 測(cè)試，比較分析基板上保留的 Bump 數(shù)量。

 

測(cè)試結(jié)果:

 

(1)從圖 6 可以看出在基板未清洗狀態(tài)下，Bond 后將芯片與基板分離，有較大部分 Bump 并沒有鍵合到基板 pad 上(少球率:(32/72)* 100% =47%)，雖然金球(Au)經(jīng) Flip-Chip Bond后芯片 bump 已變形但是在少球的基板 pad 上并沒有 Bump 的殘留物，未得到有效鍵合此狀態(tài)為失效。

 

(2) 從圖 7 顯示在基板傳統(tǒng)清洗狀態(tài)下并經(jīng)。Flip-Chip Bond 后將芯片分離，任有部分 Bump 并沒有有效的鍵合到基板pad 上(少球率:(10/72)* 100% =13%}，雖然 Bump 經(jīng)壓合后已變形且可以看出基板 pad 上有少量金球(Au)的殘留，但從前面的推力實(shí)驗(yàn)可以看出其平均推力為:1363． 78gf;而芯片 Bump的最小剪切力大于 72* 19 = 1389gf 此推力較低，其 Bond 鍵合可靠性較低。

 

(3) 基板在 plasma 清洗狀態(tài)下并經(jīng)過 Bond 后將芯片分離，芯片上的 Bump 全部轉(zhuǎn)移到基板的 Bond pad 上(少球率:0%)，芯片 Bump 與 pad 得到了充分的焊接，完全達(dá)到了倒裝工藝對(duì)產(chǎn)品焊接的要求，提高了鍵合的可靠性。

 

4 成分比較分析

 

將基板在未清洗、傳統(tǒng)清洗、plasma 清洗三種狀態(tài)下，對(duì)基板 pad 的提取物進(jìn)行成分分析，通過雜質(zhì)的含量多少來判斷清洗的效果。

 

測(cè)試條件與設(shè)備:

 

Model2100 Trift II TOF-SIMS (Physical Electronics，USA)

 

TOF-SIMSAnalysis Conditions:

 

Primarylon Beam: Gallium LMIG (bunched)

 

PrimaryBeam Energy: 15KeV

 

Testregion: 100* 100(um 2 )200* 200(um 2 )

 

ChargeNeutralization: used

 

測(cè)試結(jié)果:

 

a)在為進(jìn)行清理的基板 pad 上提前物有較多的雜質(zhì)且含量最高。

 

b)在進(jìn)行傳統(tǒng)清洗之后基板 pad 上提取物雜質(zhì)含量有所降低，但雜質(zhì)種類任然較多，影響鍵合質(zhì)量。

 

c)在進(jìn)行 plasma 清洗之后基板 pad 上提取物雜質(zhì)明顯得到了降低。

 

測(cè)試結(jié)果表明未清洗與傳統(tǒng)清洗中基板 pad 上的雜質(zhì)含量明顯多于 plasma 清洗之后的雜質(zhì)含量。而基板 bond pad 上雜質(zhì)含量是影響基板與芯片 bump 鍵合質(zhì)量的主要因素。

 

5 結(jié)論

 

本文驗(yàn)證了 plasma 清洗在 Flip-Chip Bond 工藝中起的重要作用，通過對(duì)基板進(jìn)行 plasma 清洗能夠有效的清除基板因前端工藝而殘留的雜質(zhì)，從而在 Flip-Chip Bond 工藝中使芯片的Bump 與基板上的 Pad 更能夠有效的鍵合，提高其鍵合的可靠性。而且相對(duì)于傳統(tǒng)濕法清洗工藝來說更為綠色環(huán)保，成本更低。