1　等離子清洗

 

等離子體是在膠體內(nèi)包括足夠多的正負(fù)電荷數(shù)量，且正負(fù)電荷數(shù)目相當(dāng)?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(fù)電荷和亞穩(wěn)態(tài)的分子和原子等。

 

一方面，當(dāng)各種活性粒子與被清洗物體表面彼此碰觸時(shí)，各種活性粒子與物體表面雜質(zhì)污物會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(huì)被真空泵吸走。例如，活性氧等離子體與材料表面的有機(jī)物發(fā)生氧化反應(yīng)。它的優(yōu)點(diǎn)是清洗過程相對(duì)較快、選擇性相對(duì)好以及清除污染物的效果非常好，缺點(diǎn)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(huì)轟擊清洗材料表面，使得材料表面的沾污雜質(zhì)會(huì)隨氣流被真空泵吸走。這種清洗方式本身不存在化學(xué)反應(yīng)，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(huì)對(duì)材料表面造成很大損傷和侵蝕，會(huì)在材料表面發(fā)生很大的反應(yīng)熱，對(duì)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(huì)被真空泵排出。

 

在實(shí)際生產(chǎn)中可使用化學(xué)方法和物理方法同時(shí)進(jìn)行清洗。它的清洗速率通常比單獨(dú)使用物理清洗或化學(xué)清洗快。但考慮到一些氣體的易爆性能，需嚴(yán)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(shí)際應(yīng)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(yīng)，沒有化學(xué)反應(yīng)。次之的為射頻等離子體，既發(fā)生化學(xué)反應(yīng)也發(fā)生物理反應(yīng)。頻率最低的為微波等離子體，僅發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不涉及物理反應(yīng)?；瘜W(xué)反應(yīng)中常使用的工藝氣體是氧氣或氫氣，物理反應(yīng)中的典型工藝氣體是氬氣。但是，40kHz 的等離子體會(huì)改變被清潔表面性質(zhì)，因此實(shí)際封裝生產(chǎn)應(yīng)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(jìn)封裝工藝

 

微電子產(chǎn)品的制造生產(chǎn)中，從芯片開始的設(shè)計(jì)到其后的制造，再到最后的封裝和測(cè)試，每一道工序約占其總成本的 33.3%。從傳統(tǒng)的各個(gè)元件分別封裝，變成一個(gè)個(gè)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。封裝工藝通?？梢苑譃榍岸尾僮骱秃蠖尾僮鲀纱蟛剑⒁运芰戏庋b成型作為前后段操作的分界點(diǎn)。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(dá)到減薄目的。第二步，晶圓切割，把制造的晶圓按設(shè)計(jì)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(gè)型號(hào)尺寸芯片的貼片工藝。第四步，芯片互聯(lián)，將芯片與各個(gè)引腳、I/O 以及基板上布焊區(qū)等位置相連接，保證信號(hào)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(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)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(xué)機(jī)械拋光、干式拋光、電化學(xué)腐蝕、等離子增強(qiáng)化學(xué)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(dǎo)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(dòng)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(gè)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(duì)污染物出現(xiàn)環(huán)節(jié)的不同，等離子清洗可應(yīng)用于各個(gè)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(gè)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)

 

3.1　清洗實(shí)驗(yàn)

 

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(jī)進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，在凈房?jī)?nèi)完成本次實(shí)驗(yàn)研究。工藝流程：真空泵開始投入工作，達(dá)到清洗材料所需真空度；輝光電源開啟，流量計(jì)開啟，輝光清洗特定工藝時(shí)間；關(guān)閉輝光電源，關(guān)閉流量計(jì)；真空泵關(guān)閉后，充入化學(xué)反應(yīng)不積極的惰性凈化氣體，使箱體內(nèi)真空度達(dá)到大氣壓后完成清洗過程。最大的優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)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(yàn)采用 SDC-100 型號(hào)水滴角測(cè)量?jī)x，對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行水滴角測(cè)量。在材料未進(jìn)行等離子清洗前，測(cè)量材料表面水滴角，測(cè)得的接觸角為 90°左右。材料表面滴水如圖 1 所示。

實(shí)驗(yàn)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(shí)間為 300s。產(chǎn)品經(jīng)過等離子清洗后，測(cè)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(shí)驗(yàn)清洗前后的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果可知，材料經(jīng)過等離子機(jī)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(jī)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(qiáng)度，有效去除后續(xù)芯片封裝時(shí)會(huì)出現(xiàn)的分層現(xiàn)象。

 

3.2　清洗時(shí)效性

 

為研究等離子清洗的失效時(shí)間，本次實(shí)驗(yàn)方案將清洗后測(cè)量完的產(chǎn)品在凈房中放置不同的時(shí)間段，分別為 0.5h、1h、3h、4h、6h，對(duì)產(chǎn)品的前、中、后 3 個(gè)位置各選 4 點(diǎn)進(jìn)行水滴角的測(cè)量，整理好測(cè)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(shí)間的變化情況，將測(cè)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。

 

通過實(shí)驗(yàn)清洗前后的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果可知，材料經(jīng)過等離子機(jī)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(jī)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(qiáng)度，有效去除后續(xù)芯片封裝時(shí)會(huì)出現(xiàn)的分層現(xiàn)象。

 

3.2　清洗時(shí)效性

 

為研究等離子清洗的失效時(shí)間，本次實(shí)驗(yàn)方案將清洗后測(cè)量完的產(chǎn)品在凈房中放置不同的時(shí)間段，分別為 0.5h、1h、3h、4h、6h，對(duì)產(chǎn)品的前、中、后 3 個(gè)位置各選 4 點(diǎn)進(jìn)行水滴角的測(cè)量，整理好測(cè)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(shí)間的變化情況，將測(cè)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(shí)間的加長(zhǎng)，測(cè)到的水滴角度數(shù)會(huì)不斷變大。由測(cè)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(jì)。如果清洗后產(chǎn)品放置時(shí)間超過 6h 后，水滴角度數(shù)幾乎恢復(fù)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(jìn)封裝工藝的分析研究可知，等離子清洗機(jī)完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)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(huì)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(qiáng)度和改善封裝時(shí)的分層現(xiàn)象。通過測(cè)量清洗后不同時(shí)刻產(chǎn)品表面水滴角可以得出等離子清洗的有效時(shí)間和失效時(shí)間，從而為提高芯片本身的質(zhì)量和延長(zhǎng)其使用壽命提供相應(yīng)的參考。