苏州斯普兰蒂科技股份有限公司是一家始成立于2013年,具有薄膜开关、印刷柔性线路、电容触摸开关、非接触天线、亚克力LENS 、 IMD注塑制品专业设计及生产厂家。厂房面积目前超过23000 m2 ,工程技术人员超过30人的生产制造商。公司拥有20000万级薄膜开关印刷车间以及配套的检测设备,已通过ISO9001:2015、ISO14001:2015 国际质量体系、和IATF16949认证 ,不断为客户提供品质可靠的产品,所有产品均符ROSH,REACH,HF的规定。
张现顺 黄广号 杨春燕 袁海 邵领会 庞宝忠 杨宇军 郝沄
(西安微电子技术研究所)
1 试验材料及工艺
采用AP-1000型等离子清洗机对不同芯片进行等离子清洗试验,验证等离子过程对芯片钝化膜形貌和电性能影响。等离子清洗中主要的工艺参数为:功率、时间、气氛和清洗次数。
1.1 钝化膜形貌影响试验
试验设定清洗工艺为功率500W、时间400s和纯Ar气氛(标准状况下流量为350mL/min),选取CC4069RH芯片为研究对象,通过扫描电镜(SEM)观察芯片表层钝化膜的形貌状态,研究等离子清洗过程中芯片的物理损伤,并对芯片损伤层的位置及深度进行分析。
1.2 电性能影响试验
设定等离子清洗气氛为纯Ar(标准状况下流量为350mL/min),通过调整功率和时间变量,研究了等离子清洗工艺对78L12芯片电性能的影响。对清洗后的78L12芯片进行150℃、4h退火和125℃、168h老炼,并测试其电性能的变化。
2 试验结果及分析
2.1 等离子清洗对钝化膜形貌的影响规律
2.1.1 CC4069RH芯片聚酰亚胺膜起皱现象
在设定的等离子清洗工艺参数下,经过连续两次等离子清洗后,CC4069RH芯片表面出现了“圈状”痕迹,如图1所示。CC4069RH芯片的钝化膜层材料为聚酰亚胺,相对于其他的钝化膜材料(如氮化硅、氧化硅等)而言,有着质软、易变形等特点。在等离子清洗过程中,等离子体中的Ar+离子会加速轰击阴极基板上的电路组件和芯片,在此过程中,芯片表面的聚酰亚胺钝化膜发生了物理性起皱收缩,且起皱收缩痕迹均为弧形。
利用SEM局部放大圈状起皱部位,如图2所示。圈状起皱的弧线位置呈现略微凸起,且凸出弧线的宽度约1μm。但是,整个聚酰亚胺钝化膜完整连续,没有出现裂纹。
2.1.2 钝化膜损伤位置
将电路内部表面存在圈状物的芯片取下,利用加氧等离子刻蚀的方法去除芯片表面的有机聚酰亚胺钝化膜。刻蚀前后光镜下芯片的形貌如图3所示,扫描电镜下的形貌如图4所示。钝化膜去除后圈状物消失,且下层的铝条和硅基体上没有弧形的痕迹,因此,等离子清洗对芯片损伤位置仅位于钝化膜上,钝化膜下层的铝条和硅基体没有损伤。
2.1.3 等离子清洗对不同钝化膜材料的影响
选取不同钝化膜材料的芯片进行等离子清洗试验,研究膜层材料对等离子清洗过程的响应情况。试验中选取不同种类的氮化硅和聚酰亚胺钝化膜的芯片各10只,经过多次等离子清洗后,放大200倍观察芯片表面的状态,结果见表1。
在相同的等离子清洗工艺参数下,氮化硅钝化的54HC273和RM4136两种芯片在多次等离子清洗后,表面未出现钝化膜起皱现象,而聚酰亚胺钝化的芯片对等离子清洗过程的响应情况差别较大。
2.1.4 小结
聚酰亚胺钝化膜的芯片在经过等离子清洗后可能会出现钝化膜局部略微凸起的圈状起皱现象,不同钝化膜材料对等离子清洗响应的差异较大。起皱芯片的整个聚酰亚胺钝化膜为完整连续的,起皱部位没有出现裂纹,且下层的铝条和硅基体没有损伤。
2.2 等离子清洗对78L12芯片电性能的影响规律
2.2.1 常规等离子清洗工艺下78L12芯片的响应规律
混合集成电路生产中常规的等离子清洗工艺参数为:功率500W,时间400s,纯Ar气氛(标准状况下流量为350mL/min)。使用AP-1000型等离子清洗机在上述工艺参数下对5只78L12芯片进行等离子清洗,并对等离子清洗前后78L12芯片的输出电压进行测试,结果见表2。
在常规工艺参数下等离子清洗78L12芯片,该芯片在常温和加热条件下(85℃)输出电压均会有0.1V左右的上升,甚至更高。等离子清洗后78L12芯片的输出电压异常,不满足指标要求。因此,等离子清洗工艺过程影响了78L12芯片的电性能,使该芯片不能正常、稳定的工作。
2.2.2 不同等离子清洗工艺下78L12芯片的响应规律
2.2.2.1 等离子清洗功率对78L12芯片的影响
控制等离子清洗过程中的时间(400s)和气氛不变,通过改变等离子清洗功率,研究等离子清洗功率对78L12芯片的影响规律。等离子清洗功率为100W、200W、300W、400W、500W时,78L12芯片的常温和加热条件下(85℃)输出电压的变化如图5所示。
在等离子清洗时间和气氛不变的前提下,随着清洗功率的增加,等离子清洗前后78L12芯片在常温和加热条件下输出电压变化量均呈近似线性增加的趋势。
2.2.2.2 等离子清洗时间对78L12芯片的影响
控制等离子清洗过程中的功率(500W)和气氛不变,通过改变等离子清洗时间,研究等离子清洗时间对78L12芯片的影响规律。等离子清洗时间为100s、200s、300s、400s、500s时,78L12芯片的常温和加热条件下(85℃)输出电压的变化如图6所示。
在等离子清洗功率和气氛不变的前提下,随着清洗时间的增加,等离子清洗前后78L12芯片的常温和加热条件下输出电压变化量不断增加,并趋于稳定。
2.2.3 退火工艺对78L12芯片电性能的影响
将常规工艺等离子清洗后78L12芯片置于150℃的空气环境中存储4h,随后测试其输出电压,结果见表3。
等离子清洗后的78L12芯片置于150℃的空气中退火4h后,芯片的输出电压明显回落。加热条件下储存环境加速了芯片材料内部原子的运动速度和振动频率,促使原子向平衡状态的转变,表现为78L12芯片输出电压的回落。这也说明等离子清洗中78L12芯片电压的升高是一个可逆的过程,芯片内部并未发生击穿性损伤。
2.2.4 加电老炼对78L12芯片电性能的影响
将退火后的78L12芯片在125℃下老炼168h后,测量芯片的输出电压,见表4。78L12芯片经过功率老炼考核之后,输出电压值稳定。相比于等离子清洗之前测定的初始电压,老炼后的输出电压略有下降,这是等离子清洗后芯片退火不彻底,在125℃、168h的加热条件下诱导下退火过程持续进行,输出电压进一步下降。
2.2.5 小结
78L12芯片的输出电压随着等离子清洗功率和时间的增加均逐渐增大。在加热条件下退火及加电老炼的过程中,该芯片的电性能逐渐恢复,其长期可靠性不受影响。
3 结论
本文通过试验研究,验证了键合前等离子清洗工艺过程对芯片钝化膜形貌和电性能的影响。结果表明:
1)部分聚酰亚胺膜芯片在键合前等离子清洗过程中会出现钝化膜局部略微凸起、呈现圈状起皱的物理现象,但是钝化膜为完整连续的,没有出现裂纹。随着等离子清洗次数的增加,起皱问题会更加严重。氮化硅膜芯片在多次等离子清洗后未出现钝化膜起皱的现象。因此,对于聚酰亚胺膜的芯片,需控制等离子清洗的次数,即进行一次等离子清洗。而氮化硅钝化膜的芯片可以进行多次等离子清洗,无圈状起皱的风险。
2)在等离子清洗对芯片电性能影响的研究中发现,随着等离子清洗功率和时间的增加,78L12芯片的输出电压均呈增加的趋势。在等离子清洗过程中造成芯片的输出电压的变化是一个可逆的过程,在退火及加电老炼等过程中,输出电压逐渐回落,恢复平衡。因此,等离子清洗过程未对芯片造成不可恢复的电性能损伤,芯片的长期可靠性得以保证。
《转自网络》
一、前言
随着科学技术的迅速发展,对电子器件的可靠性要求越来越高。气密封装能够有效隔绝器件内部芯片与外界环境,排除外界干扰,保证了产品的可靠性,并被广泛地应用于各种应用。但其内部的水汽含量会直接影响产品的电性能和可靠性,所以内部水汽含量控制变得尤为重要。
《GJB597半导体集成电路通用规范》及《GJB548微电子器件试验方法和程序》规定:完成所有筛选试验之后的器件,其内部水汽含量在100℃条件下不得超过5000ppm。以往受到检测设备的限制,对于腔体体积小于0.1mm3的器件无法进行水汽检测。但目前,通过检测机构的研究攻关,已经能够对腔体体积小于0.1mm3的器件进行水汽检测,故对小尺寸器件的水汽控制提出了明确要求。
对于小尺寸器件而言,由于内腔较小,总体内腔气体较少,所以很低的水汽就会造成水汽检测超标,内部水汽控制存在难度。故本文针对小尺寸器件导电胶装片、金锡合金封装的常见工艺提出了水汽控制的措施。
二、水汽含量的来源及其影响
器件水汽含量来源主要有以下三方面因素:
1、器件内部材料含有水汽,在后续筛选使用的高温环境中逐渐释放,导致内腔水汽超标;
2、封装环境控制不足,氮气纯度不高导致水汽含量不合格;
3、器件密封性能差,无法完全隔绝外部环境,致使外部环境的水汽渗入壳体内部。
水汽含量较高时,芯片表面的水会引起器件电性能的劣化,腐蚀金属化系统,降低器件可靠性,并最终导致产品失效。
在电性能劣化方面,主要原因是水汽会在芯片形成带有正、负离子的水膜,离子导电导致漏电流增加,参数超差,甚至失效。
在腐蚀金属化系统方面,主要原因是器件芯片与外引线连接是采用细的铝线键合的方法形成互连。较高的水汽会在电场作用下发生电解,对铝系统造成腐蚀,导致电路开路。
三、水汽含量控制措施
1、原材料控制
金锡合金倒置型封装工艺主要原材料包括芯片、管壳、芯片粘接材料导电胶、键合材料,以及封装材料金锡合金焊片。由于水分子的亲和力及与固体表面之间的吸引力作用,空气中水分子会容易吸附在原材料表面。陶瓷管壳的表面很粗糙,凹凸不平,而凹陷处更容易积聚水分子。
所有原材料的储存环境应对湿度进行控制,防止过多水汽吸附。
芯片和管壳在使用前通过烘焙去除材料表面吸附的水汽,烘焙可以在充高纯氮气或抽真空烘箱内进行。一般烘焙的温度越高,真空度越低,时间越长,效果越好。因此,在不影响材料性能和可靠性的条件下,尽量提高烘焙温度,以达到更好的效果。同时,最好选择充氮气和抽真空二者结合,以真空烘烤为主,周期性充氮气抽真空,可以保证真空环境下更低的水汽含量,确保将水汽和氧气等从产品表面吸出。
芯片粘接材料—导电胶高温下释放气体,选择高温下失重更小的高温导电胶,并在装片后进行充分固化。考虑真空下对导电胶进行烘焙会使导电胶内外压差较大,气流扰动大,容易在导电胶表面出现孔洞,故选择在高纯氮气的烘箱内进行烘焙。
2、封装环境控制
封装台操作箱内通入的是99.999%的高纯度氮气,理想情况是可以满足水汽低于5000ppm的要求。但是,实际器件内部水汽含量往往偏高。经分析,操作箱内氮气压强不高时,大气中水汽会通过操作台、操作手套的细小的孔洞进入操作箱,并附着在操作箱内壁和工装夹具的表面,然后操作时缓慢释放,导致操作箱内水汽含量升高。同时,由于这种封装炉的内部气氛较难控制,需要不断地输入高纯度且干燥的氮气才能保证密封工艺实现。为了避免工艺控制难度过大和资源浪费等问题,以真空/氮气共晶炉代替封装台,共晶炉以自动化方式替代原来的手动方式,去除操作手套,避免操作手套高温老化引起的漏气,并采用计算机控制运行,能够实时监控温度的工艺曲线并记录存储,能够对抽真空、加热、充惰性气体、正压、排气等功能进行设置及控制。
为了严格控制共晶炉内的水汽含量,在关闭设备前,紧闭共晶炉并充入氮气,保证炉内压强高于外部压强,防止微量水汽进入附着在共晶炉内部。同时,在封装前对共晶炉及炉内工装夹具进行高温烘焙,去除水汽。
3、封装工艺控制
由于小尺寸器件的封装沿相对较窄,人工操作难度较大,焊料过多会落入腔体形成多余物,焊料过少又会导致密封缺陷,引入水汽。故通过对比封装效果,选用最佳尺寸的成型金锡焊环替代金锡焊料,控制焊料用量。采用倒置封装替代正置加热,既避免焊料落入腔体,又降低了装片区域的加热温度,减少导电胶水汽释放及老化。
在封装过程中,如果焊片或封装沿表面存在氧化膜、粉尘沾污或封装位置存在未排出的气泡,就会阻碍金属相互渗透,留下的缝隙冷却后形成空洞。随着器件的使用,这种空洞会引发器件漏气,导致水汽引入产品失效。所以,封装前在超净工作台内用显微镜镜检封装沿与金锡焊环表面,如存在多余物,用高纯氮气吹洗,不能吹洗的附着多余物可用拨针拨动或用细小的棉球擦拭,然后再用高纯氮气吹除。在封装过程中使用模具将盖板、焊环和底座依次放入后,用压块对底座施加一定的压力,以便排出封装位置气泡,使底座跟盖板更好的连接。为了找到合适的压块重量,采用不同重量的压块放在模具上,对电路施加压力,封装结束后,对封装的电路进行密封和X光检查,选择密封性更好、空洞率更低的压块重量。
四、试验
试验采用的器件壳体尺寸为3.6mm×4.5mm×1.5mm;盖板尺寸为3.4mm×3.4mm×0.25mm;金锡焊料预成型焊片选取尺寸为3.4mm×3.4mm×0.05mm的Au80Sn20合金焊片;器件的内腔体积为0.004cm3。
将盖板、焊片和器件依次放入定位夹具内,压入压块,放入共晶炉,经过抽真空充氮、加热、降温过程,完成整个密封过程。加热曲线如图1所示。
小尺寸器件的内腔体积小,内部的气体总量也减小,只要有一点水汽含量,比例就会很高。封装时产品倒扣放置在夹具中,并在上方施加向下的力,所以封装前如果抽真空加氮的时间或次数不够,会导致内腔中本来的空气和导电胶释放的水汽不能完全排出,所以真空和充氮的时机非常重要。为了确定合适的抽真空充氮的方式,进行试验比较内部水汽含量及封装效果,结果如表1所示。
由表1可见,试验2的气体换置方式最佳。根据试验1、2结果分析,真空烘焙有利于材料、设备表面吸附的水汽排出;根据试验2、3结果分析,由于气体置换需要时间,所以如果在封装温度时才充入氮气会导致内部氮气不足,最终水汽比例上升。
以50只器件为一批进行封装试验。封装后按照GJB548方法1014要求进行检漏试验,无漏气现象,合格率100%。随机抽取30只器件,按照GJB548方法1010要求进行温度循环试验,试验条件-65℃~+150℃、保温10min、循环200次,温度循环后外观镜检和检漏均合格,合格率100%。随机抽取9只器件按照GJB548方法1018要求进行内部水汽含量检测,试验结果如表2所示,所有器件在历经各类温度试验后水汽均低于5000ppm。
五、结论
采用金锡焊环封装工艺时,通过封装温度、气体压力以及材料控制,可以使小尺寸器件的内部水汽小于5000ppm。
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。