Plasma 清洗在 Flip-Chip 工艺中的重要作用

1 Plasma清洗原理

 

通常物质以固态、液态、气态 3 种状态存在，而 Plasma 是物质存在于 3 种物质状态之外的另一种状态，及在一些特殊的情况下物质原子内的电子脱离原子核的吸引，使物质呈为正负带电粒子状态。它的清洗原理就是在一组电极施以射频电压，区域内的气体被电极之间形成的高频交变电场激荡下，形成等离子体。活性等离子对被清洗物进行物理撞击或化学反应作用，使被清洗物表面物质变成粒子和气态物质，然后在经过抽真空排出，以达到清洗目的。

 

Plasma 清洗过程中与材料表面产生的反应主要有两种方式，一种是靠等离子对被清洗件表面作纯物理撞击作用。常用的气体有不活泼气体如氩气(Ar)、氮气(N 2 )等。另一种则是靠等离子中的自由基来做化学反应，常用的活泼气体有氢气(H 2 )、氧气(O 2 )等。

 

a)图示 1，表示氩气(Ar)等离子体以纯物理撞击方式来打破有机物的化学键并使表面污染物脱离基板。研究表明在压力较低时，离子的能量越高，因而在物理撞击时，离子的能量越高，撞击作用越强，所以若要以物理反应为主时，应在较小压力下来进行反应，这样清洗效果较好。

 

b) 图示 2 表示活性气体 O 2 在电离情况下，其等离子体里的高活性自由基与材料表面做化学反应，且在压力较高时，对自由基的产生较有利，所以若要以化学反应为主时，应选择在高压下进行反应。

2 实验验证

 

在选取氧气和氩气作为 plasma 清洗条件时，综合考虑产品元件，以及氧气 plasma 清洗过程中容易在清洗元件表面产生新的氧化物，造成二次污染，而氩气等离子清洗的机理是通过粒子动能产生的物理清洗且氩气是惰性气体，在等离子清洗中不会与产品元器件发生化学反应，可以保持元件表面的化学纯净性，不会造成二次污染。所以以下实验只选用单一气体氩气作为 plasma 清洗的工艺气体。

 

2． 1 水滴角

 

实验方案:本实验通过对未清洗，传统(超声波 + 电子氟化液)湿清洗、plasma 清洗的三种状态下的基板分别进行水滴角测试，对水滴角大小来判定清洗效果。

 

实验条件:10 等级无尘室，传统清洗与 plasma 清洗分别在清洗后 30 分钟进行水滴角测量。

 

实验设备:运用 Phoenix-Pico/Nano 型号的接触角测定仪进行水滴角大小进行测定。

 

实验材料:基于 AL 2 O 3 的陶瓷基板。

 

实验结果:

 

从图 3 和表 1 的实验数据显示未清洗基板水滴角最大，其次是传统清洗，水滴角最小的是经过 plasma 清洗后的基板，表明 plasma 清洗效果明显优于传统清洗的效果。

 

2． 2 键合后推力 test 验证

 

实验方案:本实验通过对所需 Bond 的基板在未清洗、传统清洗、plasma 清洗三种状态的基板分别在进行 Filp – Chip Bond，且在 Bond 后进行推力实验，以及键合的状态进行比较分析来判断清洗方式对键合的影响。

 

实验条件:10 等级无尘室，对三种状态的基板 Filp – Chip Bond。

 

实验 设备: 用 型 号 Nordson DAGE ( DAGE-SEＲIES-4000PXY)多功能焊接强度测试仪进行推力测试;推力治具在受到持续加大的推力时芯片分离基板，测试仪记录芯片分离时所用的最大推力。

 

实验结果:

 

通过表 2 的实验结果表明基板通过 plasma 清洗之后芯片上的 Bump(Au)与基板上的 pad 之间的键合程度明显优于未清洗和传统清洗的基板。说明 plasma 清洗能有效的清除 Bond pad上的污染物等，从而使 Bump(Au)与 Bond pad 产生更多的键结使之得到充分的焊接。

 

2． 3 比较分析芯片分离基板之后基板 pad 上的 Bump 状态

 

将芯片分离之后观察分析芯片上的 Bump 是否保留在基板Pad 上，从而判定 Bump(Au)与基板 pad 键合的有效性。通过试验可以比较基板在三种状态下分别进行 Flip-Chip Bond，并对制品进行 Push out 测试，比较分析基板上保留的 Bump 数量。

 

测试结果:

 

(1)从图 6 可以看出在基板未清洗状态下，Bond 后将芯片与基板分离，有较大部分 Bump 并没有键合到基板 pad 上(少球率:(32/72)* 100% =47%)，虽然金球(Au)经 Flip-Chip Bond后芯片 bump 已变形但是在少球的基板 pad 上并没有 Bump 的残留物，未得到有效键合此状态为失效。

 

(2) 从图 7 显示在基板传统清洗状态下并经。Flip-Chip Bond 后将芯片分离，任有部分 Bump 并没有有效的键合到基板pad 上(少球率:(10/72)* 100% =13%}，虽然 Bump 经压合后已变形且可以看出基板 pad 上有少量金球(Au)的残留，但从前面的推力实验可以看出其平均推力为:1363． 78gf;而芯片 Bump的最小剪切力大于 72* 19 = 1389gf 此推力较低，其 Bond 键合可靠性较低。

 

(3) 基板在 plasma 清洗状态下并经过 Bond 后将芯片分离，芯片上的 Bump 全部转移到基板的 Bond pad 上(少球率:0%)，芯片 Bump 与 pad 得到了充分的焊接，完全达到了倒装工艺对产品焊接的要求，提高了键合的可靠性。

 

4 成分比较分析

 

将基板在未清洗、传统清洗、plasma 清洗三种状态下，对基板 pad 的提取物进行成分分析，通过杂质的含量多少来判断清洗的效果。

 

测试条件与设备:

 

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

 

测试结果:

 

a)在为进行清理的基板 pad 上提前物有较多的杂质且含量最高。

 

b)在进行传统清洗之后基板 pad 上提取物杂质含量有所降低，但杂质种类任然较多，影响键合质量。

 

c)在进行 plasma 清洗之后基板 pad 上提取物杂质明显得到了降低。

 

测试结果表明未清洗与传统清洗中基板 pad 上的杂质含量明显多于 plasma 清洗之后的杂质含量。而基板 bond pad 上杂质含量是影响基板与芯片 bump 键合质量的主要因素。

 

5 结论

 

本文验证了 plasma 清洗在 Flip-Chip Bond 工艺中起的重要作用，通过对基板进行 plasma 清洗能够有效的清除基板因前端工艺而残留的杂质，从而在 Flip-Chip Bond 工艺中使芯片的Bump 与基板上的 Pad 更能够有效的键合，提高其键合的可靠性。而且相对于传统湿法清洗工艺来说更为绿色环保，成本更低。