等离子清洗工艺在芯片键合前的应用

1 等离子清洗的原理

 

等离子清洗可分为化学清洗、物理清洗及两种混合清洗（如图1所示）。针对不同行业的清洗产品可选择相对应的工艺气体进行等离子表面处理。

 

1.1 化学等离子清洗

 

清洗反应是以化学反应为主的等离子体清洗。

 

可用氧气等离子体经过化学的反应可以使非挥发性的有机物生成易挥发的H2O和CO2，化学式为：

 

也可用氢气等离子体可以通过化学的反应去除金属表面的氧化层，清洁金属的表面，化学式为：

1.2 物理等离子清洗

 

清洗反应是以物理反应为主的等离子体清洗。

 

氩气离子在等离子产生的自偏压环境下被加速从而带有动能，然后离子轰击清洗工件表面，用于去除氧化物和环氧树脂的溢出物。

 

1.3 混合式等离子清洗

 

清洗反应中物理反应与化学反应均起关键作用。

 

2 等离子清洗工艺在芯片键合前的应用

 

2.1 等离子清洗工艺在IC封装行业中的应用

 

IC封装产品结构如图2所示，国内目前的IC封装工艺主要划分为前段、中段及后段工艺，只有封装质量好的产品才能成为终端产品，从而投入行业的实际应用，前段工艺步骤为：

 

1）贴片：使用保护膜及金属框架将硅片固定；

 

2）划片：将硅片切割成为单个芯片并对芯片进行检测，筛选检测合格的芯片；

 

3）装片：将引线框架相应位置点上银胶或者绝缘胶，从划片贴膜上将切割好的芯片取下，并将芯片粘接在引线框架的固定位置上；

 

4）键合：利用金线将芯片上引线孔以及框架上的引脚连接，使芯片与外部电路导通连接；

 

5）塑封：塑封元器件的线路，保护元器件不受外力损坏，加强元器件的物理特性；

 

6）后固化：对塑封材料进行固化，使其具有足够的强度以满足整个封装过程。

 

引线框架是芯片的载体，是一种利用键合金丝达到芯片内部电路的引出端与外引线的导通连接，形成电气回路的重要结构件，起到了与外部导线相接的桥梁作用。引线框架应用在很多的半导体集成块上，是半导体产业中重要的基础材料。IC封装行业工艺必须在引线框架上完成。在封装工艺中存在的污染物是制约其发展的重要因素。

 

等离子清洗工艺是唯一无任何环境污染的干法清洗方式。真空状态下的等离子作用能够基本去除材料表面的无机/有机污染，提高材料的表面活性，增加引线的键合能力，防止封装的分层。

 

等离子体清洗工艺在IC封装行业中的应用主要在以下几个方面：

 

1）点胶装片前

 

工件上如果存在污染物，在工件上点的银胶就生成圆球状，大大降低与芯片的粘结性，采用等离子清洗可以增加工件表面的亲水性，可以提高点胶的成功率，同时还能够节省银胶使用量，降低了生产成本。

 

2）引线键合前

 

封装芯片在引线框架工件上粘贴后，必须要经过高温固化。假如工件上面存在污染物，这些污染物会导致引线与芯片及工件之间焊接效果差或黏附性差，影响工件的键合强度。等离子体清洗工艺运用在引线键合前，会明显提高其表面活性，从而提高工件的键合强度及键合引线的拉力均匀性（如图3所示）。

 

2.2 等离子体清洗工艺参数对清洗效果的影响

 

2.2.1 不同的工艺气体对清洗效果影响

 

1）氩气

 

物理等离子体清洗过程中，氩气产生的离子携带能量轰击工件表面，剥离掉表面无机污染物。在集成电路封装过程中，氩离子轰击焊盘的表面，轰击力去除工件表面上的纳米级污染物，产生的气态污染物由真空泵抽走。该清洗工艺可提高工件表面活性，提高封装中键合性能。氩离子的优势在于它是一个物理反应，清洗工件表面不会带来氧化物；缺点是工件材料可能产生过量腐蚀，但可通过调整清洗工艺参数得到解决。

 

2）氧气

 

氧离子在反应仓内与有机污染物反应，生成二氧化碳和水。清洗速度和更多的清洗选择性是化学等离子清洗的优点。缺点是在工件上可能形成氧化物，所以在引线键合应用中，氧离子不允许出现。

 

3）氢气

 

氢离子发生还原反应，去除工件表面氧化物。出于氢气的安全性考虑，推荐使用氢氩混合气体的等离子清洗工艺。

 

2.2.2 工艺时间

 

总体来说，最短的工艺时间是客户的基本要求，以便能够达到最大产能。但是工艺时间不是单一的因素，应该与射频功率、仓体压力和气体类型等参数相匹配，达到动态平衡。

 

2.2.3 仓体压力

 

反应仓内的压力是工艺气体流量、腔体泄露率和真空泵抽速的动态平衡。

 

物理等离子清洗工艺模式采用的仓体压力较小。物理等离子清洗工艺要求被激发的离子轰击工件表面。假如仓体压力过高，激发的离子在到达工件清洗表面之前就和其他离子产生多次碰撞，减低清洁效果。已激发的离子在碰撞之前所行进的距离称为离子的平均自由路程，与仓体压力成反比。物理等离子清洗工艺要求低压以便于平均自由路程最大化，使碰撞轰击达到最大。但假如仓体压力下降太多，就没有足够的活性离子在有效的时间内来清

洁工件。

 

化学等离子清洗工艺产生的等离子体与工件表面产生化学反应，所以离子数越多越能增加清洗的能力，导致需要使用较高的仓体压力。

 

2.2.4 射频功率

 

射频功率的大小会影响等离子体的清洗效果，从而影响封装的可靠性。加大等离子体射频功率是增加等离子的离子能量来加强清洗强度。离子能量是活性反应离子进行物理工作的能力。射频功率的设置主要与清洗时间达到动态平衡，增加射频功率可以适当降低处理时间，但会导致反应仓体内温度略有升高，所以有必要考虑清洗时间和射频功率这两个工艺参数。

 

2.2.5 等离子体清洗模式

 

主流的等离子清洗机有三种类型的电极载物板，用作设备的阳极、阴极以及悬浮极。根据工件的不同，调节电极载物板能够产生两种模式的等离子体，命名为直接等离子体模式和顺流等离子体模式。

 

直接等离子体模式是阳极和阴极相间放置，这种放置模式下所有产生的等离子体都会在阴阳两极之间往复运动，是轰击性比较强的模式。清洗工件可任意放置在阴阳两极。

 

顺流等离子体模式是阳极、阴极以及悬浮极的放置模式。在这种放置模式中，正离子能够到达悬浮极产生清洗作用。这种放置模式产生的等离子体相对较弱，可用来处理一些敏感元器件，如图4所示。

 

2.3 等离子清洗对芯片键合前清洗效果的影响

 

经过等离子清洗后，对工件芯片进行接触角测试，试验检测得出：未进行等离子体清洗的工件样品接触角大约在45°~58°；对已经进行过化学等离子体清洗的工件芯片的接触角大约在12°~19°；对工件芯片进行物理等离子体清洗过后其接触角在15°~24°。试验说明等离子体清洗对封装中芯片的表面处理是有一定效果的。图5为铜引线框架在等离子体清洗前后使用接触角检测仪进行测量的接触角对比，清洗前接触角在49°~60°，清洗后接触角在10°~20°，满足了工件表面处理需求。

 

3 等离子清洗工艺试验

 

3.1 试验方法

 

在常温常压条件下，将120只试验的引线框架进行不同清洗工艺参数的等离子清洗，并通过接触角测试仪进行清洗后的接触角效果测试，找出最优化的清洗工艺参数。由于试验用的清洗材料有限，对于引线框架等材料进行裁剪，引线框架等清洗试验材料每个可以裁减成4份，所以共计进行480次的等离子清洗效果验证，找出最优化的清洗工艺参数。

 

3.2 试验过程

 

由于清洗试验次数较多，本次清洗工艺试验报告取五组工艺试验进行对比。被清洗元件为YX-001型引线框架，具体试验步骤为每次清洗取上中下三个点进行接触角测试，取平均值为最终接触角测试结果。

 

清洗配方见表1。

 

第一组配方在清洗完毕后进行接触角测试，接触角为19.78°，如图6所示。

 

第二组配方在清洗完毕后进行接触角测试，接触角为15.0°，如图7所示。

 

第三组配方在清洗完毕后进行接触角测试，接触角为13.5°，如图8所示。

 

第四组配方在清洗完毕后进行接触角测试，接触角为8.4°，如图9所示。

 

第五组配方在清洗完毕后进行接触角测试，接触角为21.5°，如图10所示。

3.2 试验结论

 

由以上试验得出的接触角测试结果可以看出第四组试验清洗效果最佳。

 

4 结束语

 

国内封装工艺水平极速发展，半导体制造技术极限受到挑战并持续发展，现在成为先进的前沿制造技术，这是关系国家安全和衡量国家制造水平的首要标准。随着国内封装芯片集成度的不断增加，芯片引脚数持续增多，引脚间距持续减小，芯片与基板上的有机和无机污染物必将制约着IC封装行业的发展，而现有的清洗均匀、一致性好、可操控性强及具有方向性选择处理的等离子清洗体清洗工艺应用于IC封装工艺中，势必将推动IC封装行业更加极速的发展。