金丝球焊机 (见图 1)是一种打点连线的设备,应用于芯片与外部的引线连接。利用凸点同时实现电气和机械连接。金丝球焊机可以制作凸点以起到固定连线的目的,而且凸点的直径大小可以调节。利用金丝球焊机生产的凸点作为倒装焊的凸点,将其制作在功率型 LED 的基板上,既减少了传统制作凸点方法中复杂的技术过程,又增强了焊接的灵活性和精度。生产周期缩短,而质量不会降低,增加倒装焊的竞争力,使这项技术更富有生命力。
1 凸点制作
金丝球焊可以根据焊接芯片,进行打点设计,完全按照已有的模型自由灵活地制作凸点。可以根据具体产品设计凸点制作模式,分配凸点的个数、密度、距离、大小,既保证器件焊接后的电学特性和机械强度,又节省了材料,减轻了工作量。
功率型 LED 采用的是 6 倍线径的凸点,利用金丝球焊机进行凸点制作(见表 1,其中 δ 是一常量,其固定值为δ = 3.14 μm),将基板放在热台上,打开气阀,使基板固定,在参数控制模块选择测试触发,按住摇杆上的触发键,移动劈刀到要焊凸点部位的上方,测试劈刀高度,这一步骤是为了避免损坏劈刀。退出程序进行打点,线夹开关打开,金线下送,打火杆产生瞬间高电压,使金丝成球,按住触发键,移到要打点的部位上方松开,在热超声的作用下,凸点焊接在基板上,劈刀水平移动,产生一个横向切力,使金线在凸点尾部断开,完成打点(过程见图 2)。设备本身有热台,但是要靠超声的帮助完成打点过程,在一瞬间产生高电压,使金线熔化,然后加热超声使其粘在基板上。金丝球焊机参数设置可调,凸点直径可调,满足不同芯片的要求。
2 工艺参数分析
金丝球焊制作凸点的关键是参数的设置,由于设备的传动累积误差会造成凸点尾线过长,甚至有拖线现象,即在尾线的上面仍有一段线体存在,这易造成焊接不牢固,甚至产生短路现象,使得封装失败,造成 LED 芯片损坏。所以需要反复测试具体参数,从中选择最佳焊接值完成焊接。制作凸点时工艺规格通常包括凸点高度、线尾长度、超声功率、超声时间、焊接压力、热台温度等。
2.1 凸点高度
显示在凸点高度参数不同时,凸点的大小形状也不同,参数设置如 2 表所示,可见凸点高度的变化决定尾线的长短,即凸点的形状,当达不到一定高度时(<10δ),凸点不出现尾线,呈扁平状分布,平塌在基板上,(如图 3a 所示)。当设定的凸点高度超过一定值(>20δ),虽然尾线出现,但是有明显的拖线情况,(如图 3c 所示)。最佳选择应是凸点高度在 20δ 附近,这时出现尾线,凸点成规则状,达到一定强度,又不至于拖线过长(如图 3b 所示),凸点高度参数改变实测凸点数值如表 3 所示。
凸点高度设置低,则金线送出量过少,在尾线没有出现时,金线劈刀在水平移动时产生的横向切力就使得金线断开,造成整个凸点不具有明显的立体形状,在焊接过程中,这种扁平的凸点焊接力弱,可靠性差,起不到连接作用;凸点高度设置过高,金线送出多,劈刀抬起慢,金线不能及时拉断,平移时产生的尾线过长,凸点有可能出现拖线现象,焊接时造成短路,降低了器件的可靠性。
2.2 线尾长度
不同的尾线长度也决定凸点形状。参数设置表如 4 所示,当尾线长度设定过短(<20δ),则金线供给量不足,凸点的底座将出现薄厚不均,劈刀的横向移动使尾线受力不均,可能出现拖线现象(如图 4a 所示)。尾线超过一定值(>30δ),金线长劈刀抬起过晚,则出现严重拖线情况(如图 4c 所示)。正常情况下,尾线长度选择 25δ 附近,此时凸点底座均匀且尾线不拖线,凸点成球状,(如图 4b 所示),实测数据如表 5 所示。
尾线长度若设置过小,劈刀送线时间短,送线量少,高电压下凸点成球小且扁平,这样凸点在焊接时焊接力不够,机械强度低,可靠性差,焊接效果不佳,同时由于送线量少,劈刀过早抬起,尾线横向切力不均匀,造成尾线长短不一,不规则,出线拖线现象。拖线的出现,一是使封装可能出现短路现象,封装不可靠;二是 LED 芯片焊接不牢固,降低封装强度。
若尾线设置过长劈刀抬起慢,高电压下金线成球大,不均匀,尾线过长,甚至严重拖线,使封装失败。
2.3 超声功率
由于热台的温度不可能无限升高,而一般金的熔点在 1000 ℃以上,金点的焊接时是靠加超声将金点熔化。参数设置如表 6 所示,超声功率的大小也决定凸点形状。超声的功率低于一定值(<50 mW),超声作用不明显,已经在高电压下成球的金点熔化慢,在基板上形成的凸点较小,粘合不牢固,不能形成较明显的尾线,但形状相对规则(图 5a 所示)。当功率超过一定值时(>150 mW),由于功率过大,使得金点熔化过块,在基板上形成的凸点过大,且凸点扁平,不凸起,呈一平面平铺在基板上,尾线不规则,(图5c 所示)。功率恒定在 100 mW,此时在基板上形成的凸点大小适宜,成明显立体状,且尾线均匀,规则分布, (图 5b 所示),超声功率参数改变实测如表 7所示。
超声功率小,金点在焊接到基板上时熔化少,此时在基板上形成的纯金凸点的直径过小,焊接时焊接强度低,LED 芯片焊接的可靠性差,使用寿命减少;设置大功率超声波,超声波造成金分子快速运动,球状金点熔化速度加快,在超声压力作用下,金点成饼状粘在基板上,这样的凸点进行倒装焊接时,焊接机械强度低,可靠性差。由于金点熔化量增加,金线在超声作用下,形状和延展性发生变化,不再是均匀的线体。断线时尾线不规则,可能出现拖线现象,这会使 LED 焊接时出现短路情况。
2.4 超声时间
金线的熔点很高,热台的温度不可能加热到 1000 ℃以上,在瞬间的高电压下,金线被制成金点,只有同时加超声作用,使分子运动加速,凸点才很容易焊在基板上,超声时间的作用是使在高电压下形成的金点快速熔化,最终牢固地焊接到基板上。超声时间参数选择表如 8 所示:加超声时间过短(<20 ms),金点熔化较少,在基板上形成的凸点较小,焊接力低,焊接时机械强度差,尾线不易断,出现长拖线,(图 6a 所示)。时间过长(>60 ms),金点迅速、大量熔化,基板上形成的凸点过平,呈扁球状平铺,面积大,不凸起,,不易焊接,焊接时机械强度低,不能体现出很好的电学特性(图 6c 所示)。当恒定超声时间在 30 ms 时,基板上形成的凸点为规则球状,而且很少拖线,(图 6b 所示)。超声时间参数实测凸点数值如表 9 所示。
2.5 焊接压力
焊接压力是在金线形成金点后,焊在基板形成为纯金凸点的过程时,外加一个向下的力,可以使纯金凸点更牢固地粘合在基板上。焊接压力参数选择如表 10 所示:当压力过小(<0.2 MPa),外界给力不够,而且本身粘合力小,凸点不能很好地粘在基板上,但相对均匀(图 7a 所示)。当压力过大(>0.6 MPa),凸点被压得扁平,完全平铺在基板上(图 7c 所示)。正常情况选择 0.4 MPa 压力,这是的凸点大小合适,既保证了粘合力,有使凸点呈球状,便于焊接(见图 7b 所示)。参数实测凸点数值如表 11 所示:焊接压力过低,纯金凸点在基板上的粘力不够,虽然产生的凸点形状均匀,但焊接强度低,在封装时可能造成凸点脱落;焊接压力过大,金点将被压平,焊接后可靠性下降。
2.6 热台温度
热台温度和拖线情况有密切联系(图 8,a、b、c 所示)。参数设置如表 12 所示:当热台温度越高,拖线情况越明显。当热台温度升高时,金线变得更软,延展性更好,所以当温度升高时,由于劈刀本身精度不高,当劈刀水平移动时,劈刀不能很快地将延展性很好的金线割断,造成尾线拖线严重。温度过低(<100 ℃),劈刀上金点焊在基板上形成凸点过小,不易焊接。我们通常采用 100 ℃左右的热台温度。
凸点的形状与凸点制作的参数有密切的关系,必须对工艺参数建立有效的控制手段,只有准确地设置参数,才能在基板上制成更完美的凸点,保证最后的焊接质量。如果参数设定不合适,可能使尾线过长出现拖线情况,或者凸点过小不能保证焊接强度,使封装失败。只有提高凸点质量,保证凸点大小形状规则,才能保证封装的可靠性,提高封装的质量。
3 结束语
本文着重介绍了金丝球焊接技术的关键—凸点的制作工艺实验分析,通过固定参数的实验分析,得出利用这种方法制作凸点一系列最佳参数:凸点高度、线尾长度、超声功率、超声时间、焊接压力以及热台温度等参数,利用这些参数在基板上制作出的凸点,完成引线键合,实现功率型 LED焊接有更高的可靠性,更佳的电和热传导率,更大机械强度。
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式中γdsv和γpsv分别为固体的色散分量γdlv和γplv极性分量,γdlv和γplv为液体的色散分量和极性分量。故只需要2种已知γdlv和γplv的试验液体就可以通过求解2个独立方程计算得到固体表面的色散分量γdsv、极性分量γpsv和总表面能。
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随着光电产业的迅猛发展,半导体等微电子产业迎来了黄金发展期,促使产品的性能和质量成为微电子技术产业公司的追求。高精度、高性能以及高质量是众多高科技领域的行业标准和企业产品检验的标准。在整个微电子封装工艺生产流程中,半导体器件产品表面会附着各种微粒等沾污杂质。这些沾污杂质的存在会严重影响微电子器件的可靠性和工作寿命。因为干法清洗方式能够不破坏芯片表面材料特性和导电特性就可去除污染物,所以在众多清洗方式中具有明显优势,其中等离子体清洗优势明显,具有操作简单、精密可控、无需加热处理、整个工艺过程无污染以及安全可靠等特点,在先进封装领域中获得了大规模的推广应用。
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。
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。
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根据旭日大数据调研显示,受5G和自动驾驶的驱动,摄像头行业一直是技术和资本热捧的市场。除了手机之外的其它细分领域,光学镜头成为绝对的增量市场。
从2021年光学镜头的发展特点分析,主要呈现两个明显的变化:一是技术的升级迭代。比如手机镜头往高P化、大光圈、超广角突进;玻塑镜头兴起;变焦镜头市场增长等。二是细分领域的应用增长。除了传统的手机端,车载、安防、人工智能、AR/VR都成为镜头商家必争之地。
盘点2021年,梳理光学镜头的发展脉络,观察君列出十大关键词。
手机镜头发展初期,由于塑胶镜头所拥有的低制造难度、高量产能力、低成本以及轻盈的特点深受青睐。初期的手机镜头仅由2-4片塑料镜片组成,然而随着市场的不断演变,需求端的不断引导,当今的手机镜头已经达到7P、8P水平。
在8P镜头还未商用化的时代,光学镜头巨无霸企业大立光已经在着手9P的研发工作。未来镜头市场将持续往多P化发展,光学龙头企业之间的技术研发竞赛也将愈演愈烈。
伴随着需求端的不断升级,基于直播以及短视频行业的快速发展,广大用户对手机镜头的诉求不断提高。各大手机品牌厂商也不断的捕捉市场的需求,致力于提升手机成像能力以及拍摄效果。
为了提升手机的成像效果,手机摄像头个数也随之加速攀升。目前已经有多家旗舰机搭载了超7颗镜头,如华为P40pro+,其搭载了7颗摄像头(前置两个,后置5个)。手机摄像头的个数将继续保持高增长的趋势,从而满足市场对于产品的迫切需求。
从市场来看,4颗左右的单机摄像头配置是主流。比如小米12系列为4颗,苹果13则为3颗,华为P50为5颗。
根据旭日大数据统计估算,2020年全球车载镜头出货量同比增长28%至3.2亿颗,2021年超过4亿颗。
国内某代表性镜头厂商高管告知观察君,相比其他行业,车载镜头对产品的精度要求更高。“从研发、模具到模造玻璃,是对生产核心制造能力的考验。”
根据统计,目前新能源车企的摄像头搭载量大幅提升。比如蔚来ET7搭载摄像头数量为11颗,小鹏P7为14颗,极狐阿尔法和哪吒S为13颗,特斯拉Moedel3为8颗。
ADAS发展直接推动了车载镜头数量需求上升。随着自动驾驶等级的不断提高,车载摄像头数量也呈现翻倍增长的趋势。
随着政府不断加大的铺设“天网”系统的力度,以及家用摄像头的不断渗透,安防镜头领域的市场需求将不断的增强。
未来,技术创新和对细分市场的把控仍将决定着行业的竞争优势,安防镜头市场也保持着同频的态势。5G、AI、物联网等新技术的发展,推动安防进入到新的技术应用赛道,带来了一系列全新的创新应用,而这也将为安防监控镜头产业的发展带来有利的市场发展空间。
以国产安防镜头龙头企业宇瞳光学为例,公司2021年业绩同比成倍速增长。在2021年1月份镜头月销售量再次刷新了历史记录。
不过市场原因在于,受芯片缺货潮影响,客户担心出现涨价和缺货的情况,就出现了囤货潮。下半年需求放缓,也是因为在消耗上半年担心涨价和缺货屯的库存。
随着语音和数据通信技术发展,远程视讯会议市场迎来较大发展空间,主要原因是远程视讯会议可实现点对点或多点之间的双向视频、语音和多媒体的同步交流,得到了使用者对远程视讯行业的广泛认可。
伴随着视讯会议镜头应用领域的不断拓宽,更高倍镜头的应用需求将被变焦光学镜头替代,从而满足多人会议的远程视讯会议的成像质量。
传统的定焦镜头可满足无放大和3X放大镜头的基本需求,但在智慧城市发展背景下,安防对于远距离大空间场景的监控需求不断提高。因此,安防镜头应用领域将趋向变焦光学镜头集中,从而满足安防领域更高标准的要求。
机器视觉作为人工智能发展的一个分支,可提高制造业生产效率和智能自动化水平。
光学镜头作为机器视觉系统中的重要组成部分,对成像质量起到关键作用。如机器视觉的光学镜头达不到高分辨率、高对比度及像差等指标,将影响机器视觉的成像质量,导致机器视觉难以通过计算机模拟人类视觉功能。
因此,机器视觉行业的成熟,将刺激工业化和自动化的机器视觉镜头需求增大。
光学镜头是VR/AR硬件构成之一,部分VR/ARHMD设备通过前置摄像头进行拍照、位置追踪和环境映射;一部分VR/ARHMD则采用内部摄像头来感知环境和周围目标。
随着VR/AR在多个领域的不断发展应用,作为与外界对接的镜头也将随着虚拟现实技术的发展而迎来同步增长。
相比于塑胶镜片,同样厚度的玻璃镜片拥有更高的透光率、折射率以及稳定性,能够在控制机身轻薄的前提下,更好地提高拍摄质量。随着塑料镜头的工艺水平越来越稳定,手机摄像头在技术突破层面上也面临着新的挑战。
玻璃塑料混合镜头能够结合玻璃镜头和塑料镜头的优点,能够减少镜头厚度和失真率、提高成像清晰度和光圈尺寸,已在监控安防、数码相机、单反相机等广泛应用,并在高端手机品牌旗舰机上得到初步运用。
据悉,1G5P的玻塑镜头能够达到7P镜头同样的成像效果。其瓶颈在于,良率有待提升,成本偏高。
目前,国内诚瑞光学、舜宇等厂商在玻塑混合镜头上处于领先地位。继2021年4月份RedmiK40游戏增强版后,索尼推出的微单手机XperiaPRO-I,也是采用诚瑞光学为主摄供应玻塑混合镜头。
虽然2021手机市场表现疲软,旭日大数据预测全年出货量不会超过12亿部,很多镜头厂商的产能都没有吃饱。但是随着其它细分领域的兴起,不少头部镜头企业已经开始提前布局,以备市场爆发点的到来。
2021年,联创电子合肥高新区与联创电子签署合作协议,联创电子车载光学产业园项目落户合肥。此次签约的联创电子车载产业园项目,达产后将形成年产5000万颗车载镜头、5000万颗车载影像模组产品的研发生产能力。
欧菲光发布公告称,拟使用募集资金向全资子公司合肥晶超增资2亿元,同时以自有资金增资4000万元,以实施新增的合肥晶超光学镜片与镜头产线项目。
2021年,光学镜头的供应进一步集中,洗牌大战加剧,一些中小镜头厂商不得已转型或以加工模式谋求生存。在不少头部企业产能并不饱和的环境中,市场呈现“僧多肉少”的局面。
对于目前的市场格局,有某头部企业认为,因为光学镜头属于重资产投入,在资金、技术等方面,中小镜头的抗风险能力相对较弱。“但是这些企业的优势在于灵活性,对市场的嗅觉更灵敏。因此,找到新的增长领域,开拓自己的蓝海特别关键。”
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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。
玻璃盖板镀膜也称玻璃盖板喷涂、镀膜应用于5G行业,涵盖手机盖板镀膜、玻璃盖板镀膜、显示屏镀膜、保护片镀膜、光学材料镀膜等。玻璃盖板镀膜可以使玻璃盖板、背板更漂亮,还能起到抗指纹、防炫光、抗紫外线、耐酸碱、抗氧化的作用。
等离子预处理是采用等离子表面处理机(一般为低温常压旋转喷头等离子表面处理机)在AF、AS、AG、AR镀膜(喷涂)工艺前,对基材表面进行精细化清洗、蚀刻和活化,可以得到非常薄的高张力涂层表面,有利于喷涂药水的附着牢固和厚薄均匀。
等离子清洗技术在处理中具有如下优势:
(1) 环保节能。相比于传统湿法清洗技术,等离子清洗技术属于干式工艺,不消耗水和化学试剂,省能源、无污染
(2) 具有在线生产能力,能实现全自动化处理,处理时间短,效率高,成本低
(3) 不分处理基材类型,均可进行处理,能处理形状较复杂的材料,材料表面处理的均匀性好
(4) 对材料表面的作用仅涉及到纳米级处理,可在保持处理材料原本特效的同时,赋予其另一种新的功能
(5) 处理温度低,不对材料表面造成损害,特别适合处理高分子材料