1 等離子清洗的原理

 

等離子清洗可分為化學(xué)清洗、物理清洗及兩種混合清洗（如圖1所示）。針對(duì)不同行業(yè)的清洗產(chǎn)品可選擇相對(duì)應(yīng)的工藝氣體進(jìn)行等離子表面處理。

 

1.1 化學(xué)等離子清洗

 

清洗反應(yīng)是以化學(xué)反應(yīng)為主的等離子體清洗。

 

可用氧氣等離子體經(jīng)過化學(xué)的反應(yīng)可以使非揮發(fā)性的有機(jī)物生成易揮發(fā)的H2O和CO2，化學(xué)式為：

 

也可用氫氣等離子體可以通過化學(xué)的反應(yīng)去除金屬表面的氧化層，清潔金屬的表面，化學(xué)式為：

1.2 物理等離子清洗

 

清洗反應(yīng)是以物理反應(yīng)為主的等離子體清洗。

 

氬氣離子在等離子產(chǎn)生的自偏壓環(huán)境下被加速從而帶有動(dòng)能，然后離子轟擊清洗工件表面，用于去除氧化物和環(huán)氧樹脂的溢出物。

 

1.3 混合式等離子清洗

 

清洗反應(yīng)中物理反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)均起關(guān)鍵作用。

 

2 等離子清洗工藝在芯片鍵合前的應(yīng)用

 

2.1 等離子清洗工藝在IC封裝行業(yè)中的應(yīng)用

 

IC封裝產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖2所示，國內(nèi)目前的IC封裝工藝主要?jiǎng)澐譃榍岸?、中段及后段工藝，只有封裝質(zhì)量好的產(chǎn)品才能成為終端產(chǎn)品，從而投入行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，前段工藝步驟為：

 

1）貼片：使用保護(hù)膜及金屬框架將硅片固定；

 

2）劃片：將硅片切割成為單個(gè)芯片并對(duì)芯片進(jìn)行檢測，篩選檢測合格的芯片；

 

3）裝片：將引線框架相應(yīng)位置點(diǎn)上銀膠或者絕緣膠，從劃片貼膜上將切割好的芯片取下，并將芯片粘接在引線框架的固定位置上；

 

4）鍵合：利用金線將芯片上引線孔以及框架上的引腳連接，使芯片與外部電路導(dǎo)通連接；

 

5）塑封：塑封元器件的線路，保護(hù)元器件不受外力損壞，加強(qiáng)元器件的物理特性；

 

6）后固化：對(duì)塑封材料進(jìn)行固化，使其具有足夠的強(qiáng)度以滿足整個(gè)封裝過程。

 

引線框架是芯片的載體，是一種利用鍵合金絲達(dá)到芯片內(nèi)部電路的引出端與外引線的導(dǎo)通連接，形成電氣回路的重要結(jié)構(gòu)件，起到了與外部導(dǎo)線相接的橋梁作用。引線框架應(yīng)用在很多的半導(dǎo)體集成塊上，是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中重要的基礎(chǔ)材料。IC封裝行業(yè)工藝必須在引線框架上完成。在封裝工藝中存在的污染物是制約其發(fā)展的重要因素。

 

等離子清洗工藝是唯一無任何環(huán)境污染的干法清洗方式。真空狀態(tài)下的等離子作用能夠基本去除材料表面的無機(jī)/有機(jī)污染，提高材料的表面活性，增加引線的鍵合能力，防止封裝的分層。

 

等離子體清洗工藝在IC封裝行業(yè)中的應(yīng)用主要在以下幾個(gè)方面：

 

1）點(diǎn)膠裝片前

 

工件上如果存在污染物，在工件上點(diǎn)的銀膠就生成圓球狀，大大降低與芯片的粘結(jié)性，采用等離子清洗可以增加工件表面的親水性，可以提高點(diǎn)膠的成功率，同時(shí)還能夠節(jié)省銀膠使用量，降低了生產(chǎn)成本。

 

2）引線鍵合前

 

封裝芯片在引線框架工件上粘貼后，必須要經(jīng)過高溫固化。假如工件上面存在污染物，這些污染物會(huì)導(dǎo)致引線與芯片及工件之間焊接效果差或黏附性差，影響工件的鍵合強(qiáng)度。等離子體清洗工藝運(yùn)用在引線鍵合前，會(huì)明顯提高其表面活性，從而提高工件的鍵合強(qiáng)度及鍵合引線的拉力均勻性（如圖3所示）。

 

2.2 等離子體清洗工藝參數(shù)對(duì)清洗效果的影響

 

2.2.1 不同的工藝氣體對(duì)清洗效果影響

 

1）氬氣

 

物理等離子體清洗過程中，氬氣產(chǎn)生的離子攜帶能量轟擊工件表面，剝離掉表面無機(jī)污染物。在集成電路封裝過程中，氬離子轟擊焊盤的表面，轟擊力去除工件表面上的納米級(jí)污染物，產(chǎn)生的氣態(tài)污染物由真空泵抽走。該清洗工藝可提高工件表面活性，提高封裝中鍵合性能。氬離子的優(yōu)勢(shì)在于它是一個(gè)物理反應(yīng)，清洗工件表面不會(huì)帶來氧化物；缺點(diǎn)是工件材料可能產(chǎn)生過量腐蝕，但可通過調(diào)整清洗工藝參數(shù)得到解決。

 

2）氧氣

 

氧離子在反應(yīng)倉內(nèi)與有機(jī)污染物反應(yīng)，生成二氧化碳和水。清洗速度和更多的清洗選擇性是化學(xué)等離子清洗的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是在工件上可能形成氧化物，所以在引線鍵合應(yīng)用中，氧離子不允許出現(xiàn)。

 

3）氫氣

 

氫離子發(fā)生還原反應(yīng)，去除工件表面氧化物。出于氫氣的安全性考慮，推薦使用氫氬混合氣體的等離子清洗工藝。

 

2.2.2 工藝時(shí)間

 

總體來說，最短的工藝時(shí)間是客戶的基本要求，以便能夠達(dá)到最大產(chǎn)能。但是工藝時(shí)間不是單一的因素，應(yīng)該與射頻功率、倉體壓力和氣體類型等參數(shù)相匹配，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

 

2.2.3 倉體壓力

 

反應(yīng)倉內(nèi)的壓力是工藝氣體流量、腔體泄露率和真空泵抽速的動(dòng)態(tài)平衡。

 

物理等離子清洗工藝模式采用的倉體壓力較小。物理等離子清洗工藝要求被激發(fā)的離子轟擊工件表面。假如倉體壓力過高，激發(fā)的離子在到達(dá)工件清洗表面之前就和其他離子產(chǎn)生多次碰撞，減低清潔效果。已激發(fā)的離子在碰撞之前所行進(jìn)的距離稱為離子的平均自由路程，與倉體壓力成反比。物理等離子清洗工藝要求低壓以便于平均自由路程最大化，使碰撞轟擊達(dá)到最大。但假如倉體壓力下降太多，就沒有足夠的活性離子在有效的時(shí)間內(nèi)來清

潔工件。

 

化學(xué)等離子清洗工藝產(chǎn)生的等離子體與工件表面產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，所以離子數(shù)越多越能增加清洗的能力，導(dǎo)致需要使用較高的倉體壓力。

 

2.2.4 射頻功率

 

射頻功率的大小會(huì)影響等離子體的清洗效果，從而影響封裝的可靠性。加大等離子體射頻功率是增加等離子的離子能量來加強(qiáng)清洗強(qiáng)度。離子能量是活性反應(yīng)離子進(jìn)行物理工作的能力。射頻功率的設(shè)置主要與清洗時(shí)間達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，增加射頻功率可以適當(dāng)降低處理時(shí)間，但會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)倉體內(nèi)溫度略有升高，所以有必要考慮清洗時(shí)間和射頻功率這兩個(gè)工藝參數(shù)。

 

2.2.5 等離子體清洗模式

 

主流的等離子清洗機(jī)有三種類型的電極載物板，用作設(shè)備的陽極、陰極以及懸浮極。根據(jù)工件的不同，調(diào)節(jié)電極載物板能夠產(chǎn)生兩種模式的等離子體，命名為直接等離子體模式和順流等離子體模式。

 

直接等離子體模式是陽極和陰極相間放置，這種放置模式下所有產(chǎn)生的等離子體都會(huì)在陰陽兩極之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，是轟擊性比較強(qiáng)的模式。清洗工件可任意放置在陰陽兩極。

 

順流等離子體模式是陽極、陰極以及懸浮極的放置模式。在這種放置模式中，正離子能夠到達(dá)懸浮極產(chǎn)生清洗作用。這種放置模式產(chǎn)生的等離子體相對(duì)較弱，可用來處理一些敏感元器件，如圖4所示。

 

2.3 等離子清洗對(duì)芯片鍵合前清洗效果的影響

 

經(jīng)過等離子清洗后，對(duì)工件芯片進(jìn)行接觸角測試，試驗(yàn)檢測得出：未進(jìn)行等離子體清洗的工件樣品接觸角大約在45°~58°；對(duì)已經(jīng)進(jìn)行過化學(xué)等離子體清洗的工件芯片的接觸角大約在12°~19°；對(duì)工件芯片進(jìn)行物理等離子體清洗過后其接觸角在15°~24°。試驗(yàn)說明等離子體清洗對(duì)封裝中芯片的表面處理是有一定效果的。圖5為銅引線框架在等離子體清洗前后使用接觸角檢測儀進(jìn)行測量的接觸角對(duì)比，清洗前接觸角在49°~60°，清洗后接觸角在10°~20°，滿足了工件表面處理需求。

 

3 等離子清洗工藝試驗(yàn)

 

3.1 試驗(yàn)方法

 

在常溫常壓條件下，將120只試驗(yàn)的引線框架進(jìn)行不同清洗工藝參數(shù)的等離子清洗，并通過接觸角測試儀進(jìn)行清洗后的接觸角效果測試，找出最優(yōu)化的清洗工藝參數(shù)。由于試驗(yàn)用的清洗材料有限，對(duì)于引線框架等材料進(jìn)行裁剪，引線框架等清洗試驗(yàn)材料每個(gè)可以裁減成4份，所以共計(jì)進(jìn)行480次的等離子清洗效果驗(yàn)證，找出最優(yōu)化的清洗工藝參數(shù)。

 

3.2 試驗(yàn)過程

 

由于清洗試驗(yàn)次數(shù)較多，本次清洗工藝試驗(yàn)報(bào)告取五組工藝試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。被清洗元件為YX-001型引線框架，具體試驗(yàn)步驟為每次清洗取上中下三個(gè)點(diǎn)進(jìn)行接觸角測試，取平均值為最終接觸角測試結(jié)果。

 

清洗配方見表1。

 

第一組配方在清洗完畢后進(jìn)行接觸角測試，接觸角為19.78°，如圖6所示。

 

第二組配方在清洗完畢后進(jìn)行接觸角測試，接觸角為15.0°，如圖7所示。

 

第三組配方在清洗完畢后進(jìn)行接觸角測試，接觸角為13.5°，如圖8所示。

 

第四組配方在清洗完畢后進(jìn)行接觸角測試，接觸角為8.4°，如圖9所示。

 

第五組配方在清洗完畢后進(jìn)行接觸角測試，接觸角為21.5°，如圖10所示。

3.2 試驗(yàn)結(jié)論

 

由以上試驗(yàn)得出的接觸角測試結(jié)果可以看出第四組試驗(yàn)清洗效果最佳。

 

4 結(jié)束語

 

國內(nèi)封裝工藝水平極速發(fā)展，半導(dǎo)體制造技術(shù)極限受到挑戰(zhàn)并持續(xù)發(fā)展，現(xiàn)在成為先進(jìn)的前沿制造技術(shù)，這是關(guān)系國家安全和衡量國家制造水平的首要標(biāo)準(zhǔn)。隨著國內(nèi)封裝芯片集成度的不斷增加，芯片引腳數(shù)持續(xù)增多，引腳間距持續(xù)減小，芯片與基板上的有機(jī)和無機(jī)污染物必將制約著IC封裝行業(yè)的發(fā)展，而現(xiàn)有的清洗均勻、一致性好、可操控性強(qiáng)及具有方向性選擇處理的等離子清洗體清洗工藝應(yīng)用于IC封裝工藝中，勢(shì)必將推動(dòng)IC封裝行業(yè)更加極速的發(fā)展。