等离子清洗在先进封装工艺中的应用

1　等离子清洗

 

等离子体是在胶体内包括足够多的正负电荷数量，且正负电荷数目相当的带电粒子的物质堆积状态，或者是由大量带电粒子组成的非凝聚系统。等离子体中包括正负电荷和亚稳态的分子和原子等。

 

一方面，当各种活性粒子与被清洗物体表面彼此碰触时，各种活性粒子与物体表面杂质污物会发生化学反应，形成易挥发性的气体等物质，随后易挥发性的物质会被真空泵吸走。例如，活性氧等离子体与材料表面的有机物发生氧化反应。它的优点是清洗过程相对较快、选择性相对好以及清除污染物的效果非常好，缺点是产品外表面发生氧化产生氧化物，附着在产品表面。

 

另一方面，各种活性粒子会轰击清洗材料表面，使得材料表面的沾污杂质会随气流被真空泵吸走。这种清洗方式本身不存在化学反应，在被清洁材料表面没有留下任何氧化物，因此可以很好地保全被清洗物的纯净性，保障材料的各向异性。但是，它会对材料表面造成很大损伤和侵蚀，会在材料表面发生很大的反应热，对被清洗表面的杂质污物选择性差。例如，用活性氩等离子体清洗物件表面微粒污染物，活性氩等离子体轰击被清洗件表面后产生的挥发性污染物会被真空泵排出。

 

在实际生产中可使用化学方法和物理方法同时进行清洗。它的清洗速率通常比单独使用物理清洗或化学清洗快。但考虑到一些气体的易爆性能，需严格控制混合气体中各气体的占比，使其含量搭配合理。

 

目前，在实际应用中，广泛被用来激发等离子体的频率有 40kHz、13.56MHz、2.45GHz 这 3 种。频 率 最 高 的为超声等离子体，只发生物理反应，没有化学反应。次之的为射频等离子体，既发生化学反应也发生物理反应。频率最低的为微波等离子体，仅发生化学反应，不涉及物理反应。化学反应中常使用的工艺气体是氧气或氢气，物理反应中的典型工艺气体是氩气。但是，40kHz 的等离子体会改变被清洁表面性质，因此实际封装生产应用中大多用13.56MHz 的等离子体清洗和 2.45GHz 的等离子体清洗。

 

2　先进封装工艺

 

微电子产品的制造生产中，从芯片开始的设计到其后的制造，再到最后的封装和测试，每一道工序约占其总成本的 33.3%。从传统的各个元件分别封装，变成一个个集成系统的封装，微电子封装起着不可替代的重要地位，关系着产品从器件到系统的整体链接，以及微电子产品的质量好坏和市场竞争力。封装工艺通常可以分为前段操作和后段操作两大步，并以塑料封装成型作为前后段操作的分界点。通常情况下，芯片封装技术的基本工艺流程如下。第一步，硅片减薄，通过抛光、磨削、研磨以及腐蚀等达到减薄目的。第二步，晶圆切割，把制造的晶圆按设计要求分切成所需要的尺寸。第三步，芯片贴装，完成不同位置及各个型号尺寸芯片的贴片工艺。第四步，芯片互联，将芯片与各个引脚、I/O 以及基板上布焊区等位置相连接，保证信号传输的流畅性和稳定性。第五步，成型技术，塑料封装，给芯片包覆外衣。第六步，去飞边毛刺，使外观更美观。第七步，切筋成型，按设计要求设计尺寸，将产品完成冲切分离，引脚打完成型，为后续工序提供半成品。第八步，上焊锡打码工序，注明产品规格和制造商等，注明其身份信息。

 

在现阶段封装技术的基本工艺流程中，硅片的减薄技术主要有磨削、研磨、化学机械抛光、干式抛光、电化学腐蚀、等离子增强化学腐蚀、湿法腐蚀以及常压等离子腐蚀等。芯片贴装的方式主要有共晶贴片、导电胶贴片、焊接贴片以及玻璃胶贴片4种。芯片互连常见的方法主要有打线键合、载在自动键合（Tape Automate Bonding，TAB）以及倒装

芯片键合。

 

封装工艺的好坏直接影响微电子产品的良品率，而在整个封装工艺环节中的最大问题是产品表面附着的污染物。针对污染物出现环节的不同，等离子清洗可应用于各个工序前边。它一般分布于粘片前、引线键合前以及塑封前等。等离子清洗在整个封装工艺过程中的作用主要有防止包封分层、提高焊线质量、增加键合强度、提高可靠性以及提高良品率节约成本等。

 

3　等离子清洗实验

 

3.1　清洗实验

 

本次研究中采用目前在封装行业广泛使用的箱体式等离子清洗机进行工艺实验，在净房内完成本次实验研究。工艺流程：真空泵开始投入工作，达到清洗材料所需真空度；辉光电源开启，流量计开启，辉光清洗特定工艺时间；关闭辉光电源，关闭流量计；真空泵关闭后，充入化学反应不积极的惰性净化气体，使箱体内真空度达到大气压后完成清洗过程。最大的优点是可实现各种尺寸和各种结构产品的干净清洗，无废液、无污染源产生。

 

本次试验采用 SDC-100 型号水滴角测量仪，对实验材料进行水滴角测量。在材料未进行等离子清洗前，测量材料表面水滴角，测得的接触角为 90°左右。材料表面滴水如图 1 所示。

实验采用 200W 功率，真空度为 10Pa，工艺气体选择氩氢混合气，流量为 100mL/min，清洗时间为 300s。产品经过等离子清洗后，测得的接触角在 20°以下。清洗后产品表面滴水如图 2 所示。

通过实验清洗前后的测试数据结果可知，材料经过等离子机清洗后，产品表面的接触角由未清洗前的 90°下降到清洗后的 20°以下，说明通过等离子机清洗的方式能够有效去除产品表面的各种杂质和污染物，从而提高材料键合打线的强度，有效去除后续芯片封装时会出现的分层现象。

 

3.2　清洗时效性

 

为研究等离子清洗的失效时间，本次实验方案将清洗后测量完的产品在净房中放置不同的时间段，分别为 0.5h、1h、3h、4h、6h，对产品的前、中、后 3 个位置各选 4 点进行水滴角的测量，整理好测量数据。为更直观表现清洗后产品表面水滴角度数随时间的变化情况，将测量完成的数据利用 MATLAB 软件绘制成图形曲线，如图 3 所示。

 

通过实验清洗前后的测试数据结果可知，材料经过等离子机清洗后，产品表面的接触角由未清洗前的 90°下降到清洗后的 20°以下，说明通过等离子机清洗的方式能够有效去除产品表面的各种杂质和污染物，从而提高材料键合打线的强度，有效去除后续芯片封装时会出现的分层现象。

 

3.2　清洗时效性

 

为研究等离子清洗的失效时间，本次实验方案将清洗后测量完的产品在净房中放置不同的时间段，分别为 0.5h、1h、3h、4h、6h，对产品的前、中、后 3 个位置各选 4 点进行水滴角的测量，整理好测量数据。为更直观表现清洗后产品表面水滴角度数随时间的变化情况，将测量完成的数据利用 MATLAB 软件绘制成图形曲线，如图 3 所示。

由图 3 可知，产品清洗后表面的水滴角度数降低明显，但随着放置时间的加长，测到的水滴角度数会不断变大。由测量结果可知，在清洗后的 1h 内，外在的影响可以忽略不计。如果清洗后产品放置时间超过 6h 后，水滴角度数几乎恢复到没清洗前，等离子清洗的效果几乎失效。

 

4　结语

 

通过等离子清洗在先进封装工艺的分析研究可知，等离子清洗机完全可以实现对半导体器件的干净清洗。分析图 3 可知，清洗后的产品表面水滴角会明显减小，能有效去除其表面的污染物和颗粒物，能够有效提高引线键合的强度和改善封装时的分层现象。通过测量清洗后不同时刻产品表面水滴角可以得出等离子清洗的有效时间和失效时间，从而为提高芯片本身的质量和延长其使用寿命提供相应的参考。