隨著光電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，半導體等微電子產(chǎn)業(yè)迎來了黃金發(fā)展期，促使產(chǎn)品的性能和質(zhì)量成為微電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)公司的追求。高精度、高性能以及高質(zhì)量是眾多高科技領(lǐng)域的行業(yè)標準和企業(yè)產(chǎn)品檢驗的標準。在整個微電子封裝工藝生產(chǎn)流程中，半導體器件產(chǎn)品表面會附著各種微粒等沾污雜質(zhì)。這些沾污雜質(zhì)的存在會嚴重影響微電子器件的可靠性和工作壽命。因為干法清洗方式能夠不破壞芯片表面材料特性和導電特性就可去除污染物，所以在眾多清洗方式中具有明顯優(yōu)勢，其中等離子體清洗優(yōu)勢明顯，具有操作簡單、精密可控、無需加熱處理、整個工藝過程無污染以及安全可靠等特點，在先進封裝領(lǐng)域中獲得了大規(guī)模的推廣應用。

 

1　等離子清洗

 

等離子體是在膠體內(nèi)包括足夠多的正負電荷數(shù)量，且正負電荷數(shù)目相當?shù)膸щ娏Ｗ拥奈镔|(zhì)堆積狀態(tài)，或者是由大量帶電粒子組成的非凝聚系統(tǒng)。等離子體中包括正負電荷和亞穩(wěn)態(tài)的分子和原子等。

 

一方面，當各種活性粒子與被清洗物體表面彼此碰觸時，各種活性粒子與物體表面雜質(zhì)污物會發(fā)生化學反應，形成易揮發(fā)性的氣體等物質(zhì)，隨后易揮發(fā)性的物質(zhì)會被真空泵吸走。例如，活性氧等離子體與材料表面的有機物發(fā)生氧化反應。它的優(yōu)點是清洗過程相對較快、選擇性相對好以及清除污染物的效果非常好，缺點是產(chǎn)品外表面發(fā)生氧化產(chǎn)生氧化物，附著在產(chǎn)品表面。

 

另一方面，各種活性粒子會轟擊清洗材料表面，使得材料表面的沾污雜質(zhì)會隨氣流被真空泵吸走。這種清洗方式本身不存在化學反應，在被清潔材料表面沒有留下任何氧化物，因此可以很好地保全被清洗物的純凈性，保障材料的各向異性。但是，它會對材料表面造成很大損傷和侵蝕，會在材料表面發(fā)生很大的反應熱，對被清洗表面的雜質(zhì)污物選擇性差。例如，用活性氬等離子體清洗物件表面微粒污染物，活性氬等離子體轟擊被清洗件表面后產(chǎn)生的揮發(fā)性污染物會被真空泵排出。

 

在實際生產(chǎn)中可使用化學方法和物理方法同時進行清洗。它的清洗速率通常比單獨使用物理清洗或化學清洗快。但考慮到一些氣體的易爆性能，需嚴格控制混合氣體中各氣體的占比，使其含量搭配合理。

 

目前，在實際應用中，廣泛被用來激發(fā)等離子體的頻率有 40kHz、13.56MHz、2.45GHz 這 3 種。頻 率 最 高 的為超聲等離子體，只發(fā)生物理反應，沒有化學反應。次之的為射頻等離子體，既發(fā)生化學反應也發(fā)生物理反應。頻率最低的為微波等離子體，僅發(fā)生化學反應，不涉及物理反應。化學反應中常使用的工藝氣體是氧氣或氫氣，物理反應中的典型工藝氣體是氬氣。但是，40kHz 的等離子體會改變被清潔表面性質(zhì)，因此實際封裝生產(chǎn)應用中大多用13.56MHz 的等離子體清洗和 2.45GHz 的等離子體清洗。

 

2　先進封裝工藝

 

微電子產(chǎn)品的制造生產(chǎn)中，從芯片開始的設計到其后的制造，再到最后的封裝和測試，每一道工序約占其總成本的 33.3%。從傳統(tǒng)的各個元件分別封裝，變成一個個集成系統(tǒng)的封裝，微電子封裝起著不可替代的重要地位，關(guān)系著產(chǎn)品從器件到系統(tǒng)的整體鏈接，以及微電子產(chǎn)品的質(zhì)量好壞和市場競爭力。封裝工藝通?？梢苑譃榍岸尾僮骱秃蠖尾僮鲀纱蟛?，并以塑料封裝成型作為前后段操作的分界點。通常情況下，芯片封裝技術(shù)的基本工藝流程如下。第一步，硅片減薄，通過拋光、磨削、研磨以及腐蝕等達到減薄目的。第二步，晶圓切割，把制造的晶圓按設計要求分切成所需要的尺寸。第三步，芯片貼裝，完成不同位置及各個型號尺寸芯片的貼片工藝。第四步，芯片互聯(lián)，將芯片與各個引腳、I/O 以及基板上布焊區(qū)等位置相連接，保證信號傳輸?shù)牧鲿承院头€(wěn)定性。第五步，成型技術(shù)，塑料封裝，給芯片包覆外衣。第六步，去飛邊毛刺，使外觀更美觀。第七步，切筋成型，按設計要求設計尺寸，將產(chǎn)品完成沖切分離，引腳打完成型，為后續(xù)工序提供半成品。第八步，上焊錫打碼工序，注明產(chǎn)品規(guī)格和制造商等，注明其身份信息。

 

在現(xiàn)階段封裝技術(shù)的基本工藝流程中，硅片的減薄技術(shù)主要有磨削、研磨、化學機械拋光、干式拋光、電化學腐蝕、等離子增強化學腐蝕、濕法腐蝕以及常壓等離子腐蝕等。芯片貼裝的方式主要有共晶貼片、導電膠貼片、焊接貼片以及玻璃膠貼片4種。芯片互連常見的方法主要有打線鍵合、載在自動鍵合（Tape Automate Bonding，TAB）以及倒裝芯片鍵合。

 

封裝工藝的好壞直接影響微電子產(chǎn)品的良品率，而在整個封裝工藝環(huán)節(jié)中的最大問題是產(chǎn)品表面附著的污染物。針對污染物出現(xiàn)環(huán)節(jié)的不同，等離子清洗可應用于各個工序前邊。它一般分布于粘片前、引線鍵合前以及塑封前等。等離子清洗在整個封裝工藝過程中的作用主要有防止包封分層、提高焊線質(zhì)量、增加鍵合強度、提高可靠性以及提高良品率節(jié)約成本等。

 

3　等離子清洗實驗

 

3.1　清洗實驗

 

本次研究中采用目前在封裝行業(yè)廣泛使用的箱體式等離子清洗機進行工藝實驗，在凈房內(nèi)完成本次實驗研究。工藝流程：真空泵開始投入工作，達到清洗材料所需真空度；輝光電源開啟，流量計開啟，輝光清洗特定工藝時間；關(guān)閉輝光電源，關(guān)閉流量計；真空泵關(guān)閉后，充入化學反應不積極的惰性凈化氣體，使箱體內(nèi)真空度達到大氣壓后完成清洗過程。最大的優(yōu)點是可實現(xiàn)各種尺寸和各種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的干凈清洗，無廢液、無污染源產(chǎn)生。

 

本次試驗采用 SDC-100 型號水滴角測量儀，對實驗材料進行水滴角測量。在材料未進行等離子清洗前，測量材料表面水滴角，測得的接觸角為 90°左右。材料表面滴水如圖 1 所示。

 

實驗采用 200W 功率，真空度為 10Pa，工藝氣體選擇氬氫混合氣，流量為 100mL/min，清洗時間為 300s。產(chǎn)品經(jīng)過等離子清洗后，測得的接觸角在 20°以下。清洗后產(chǎn)品表面滴水如圖 2 所示。

 

通過實驗清洗前后的測試數(shù)據(jù)結(jié)果可知，材料經(jīng)過等離子機清洗后，產(chǎn)品表面的接觸角由未清洗前的 90°下降到清洗后的 20°以下，說明通過等離子機清洗的方式能夠有效去除產(chǎn)品表面的各種雜質(zhì)和污染物，從而提高材料鍵合打線的強度，有效去除后續(xù)芯片封裝時會出現(xiàn)的分層現(xiàn)象。

3.2　清洗時效性

 

為研究等離子清洗的失效時間，本次實驗方案將清洗后測量完的產(chǎn)品在凈房中放置不同的時間段，分別為 0.5h、1h、3h、4h、6h，對產(chǎn)品的前、中、后 3 個位置各選 4 點進行水滴角的測量，整理好測量數(shù)據(jù)。為更直觀表現(xiàn)清洗后產(chǎn)品表面水滴角度數(shù)隨時間的變化情況，將測量完成的數(shù)據(jù)利用 MATLAB 軟件繪制成圖形曲線，如圖 3 所示。

 

由圖 3 可知，產(chǎn)品清洗后表面的水滴角度數(shù)降低明顯，但隨著放置時間的加長，測到的水滴角度數(shù)會不斷變大。由測量結(jié)果可知，在清洗后的 1h 內(nèi)，外在的影響可以忽略不計。如果清洗后產(chǎn)品放置時間超過 6h 后，水滴角度數(shù)幾乎恢復到?jīng)]清洗前，等離子清洗的效果幾乎失效。

4　結(jié)語

 

通過等離子清洗在先進封裝工藝的分析研究可知，等離子清洗機完全可以實現(xiàn)對半導體器件的干凈清洗。分析圖 3 可知，清洗后的產(chǎn)品表面水滴角會明顯減小，能有效去除其表面的污染物和顆粒物，能夠有效提高引線鍵合的強度和改善封裝時的分層現(xiàn)象。通過測量清洗后不同時刻產(chǎn)品表面水滴角可以得出等離子清洗的有效時間和失效時間，從而為提高芯片本身的質(zhì)量和延長其使用壽命提供相應的參考。
本文章來源于半導體封裝工程師之家，僅限于分享交流，如侵權(quán)請聯(lián)絡管理人員進行刪除。