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等離子體清洗在引線鍵合、去除表面沾污等半導體封裝領域的應用
1,、為什么半導體封裝領域會用到等離子清洗機,？
等離子體工藝是干法清洗應用中的重要部分，隨著微電子技術的發(fā)展,，等離子體清洗的優(yōu)勢越來越明顯,。半導體器件生產(chǎn)過程中，晶圓芯片表面會存在各種顆粒,、金屬離子,、有機物及殘留的磨料顆粒等沾污雜質。為保證集成電路IC集成度和器件性能,，必須在不破壞芯片及其他所用材料的表面特性,、電特性的前提下，清洗去除芯片表面上的這些有害沾污雜質物,。否則,，它們將對芯片性能造成致命影響和缺陷，降低產(chǎn)品合格率,，并將制約器件的進一步發(fā)展,。目前，器件生產(chǎn)中的幾乎每道工序都有清洗這一步驟,，其目的是去除芯片表面沾污,、雜質，現(xiàn)廣泛應用的物理化學清洗方法大致可分成濕法清洗和干法清洗兩類,，尤其是干法清洗發(fā)展很快,，其中的等離子體清洗優(yōu)勢明顯，在半導體器件及光電子元器件封裝領域中獲得推廣應用,。
2,、何謂等離子體清洗
等離子體就是由正離子、負離子,、自由電子等帶電粒子和不帶電的中性粒子如激發(fā)態(tài)分子以及自由基組成的部分電離的氣體,，由于其正負電荷總是相等的,，所以稱為等離子體。這也是物質存在的又一種基本形態(tài)（第四態(tài)）,。一種新形態(tài)必然有與其相應的化學行為,，由于等離子體中的電子、離子和自由基等活性粒子的存在,，其本身很容易與固體表面發(fā)生反應,，這種反應可分為物理的或化學的。用等離子體通過化學或物理作用時對工件（生產(chǎn)過程中的電子元器件及其半成品,、零部件,、基板、印制電路板）表面進行處理,，實現(xiàn)分子水平的污漬,、沾污去除（一般厚度在3nm～30nm），提高表面活性的工藝叫做等離子體清洗,。其機理主要是依靠等離子體中活性粒子的“活化作用”,，達到去除物體表面污漬的目的，其通常包括無機氣體被激發(fā)為等離子態(tài),、氣相物質被吸附在固體表面,、被吸附基團與固體表面分子反應生成產(chǎn)物分子、產(chǎn)物分子解析形成氣相,、反應殘余物脫離表面等過程,。
等離子體清洗的大特點是不分處理對象的基材類型均可進行處理，對金屬,、半導體,、氧化物、有機物和大多數(shù)高分子材料也能進行很好的處理,，只需要很低的氣體流量,，并可實現(xiàn)整體和局部以及復雜結構的清洗。在等離子體清洗工藝中,，不使用任何化學溶劑，因此基本上無污染物,，有利于環(huán)境保護,。此外，其生產(chǎn)成本較低,，清洗具有良好的均勻性和重復性,、可控性，易實現(xiàn)批量生產(chǎn),。
3,、等離子體清洗的類別
基本的等離子體清洗設備由四大部分組成,，即激發(fā)電源、真空泵,、真空腔,、反應氣體源。激發(fā)電源是提供氣體放電能量來源的電源,，可以采用不同的頻率,；真空泵的主要作用是抽走副產(chǎn)品，包括旋片式機械泵或增壓泵,；真空腔內(nèi)帶有放電電離的電極,，將反應氣體變成等離子體；反應氣體源一般采用的氣體有氬,、氧,、氫、氮,、四氯化碳等單一氣體,，或兩種氣體混合使用。有許多因素支配著等離子體清洗的效用,，這些因素包含化學性質的選擇,、制程參數(shù)、功率,、時間,、零件放置及電極構造。不同的清洗用途所需要的設備結構,、電極接法,、反應氣體種類是不同的，其工藝原理也有很大區(qū)別,，有的是物理反應,，有的是化學反應，有的是物理化學兩種作用都產(chǎn)生,，反應的有效性取決于等離子體氣源,、等離子系統(tǒng)的組合及等離子工藝操作參數(shù)。表1示出半導體生產(chǎn)中等離子工藝的選擇及應用,，等離子體腐蝕,、等離子體去膠較早被半導體生產(chǎn)前部工序采用，利用常壓輝光冷等離子體所產(chǎn)生的活性物質對有機沾污和光刻膠進行清洗,，是替代濕化學清洗方法的一種綠色手段,。
3.1 化學反應為主的清洗
表面反應以化學反應為主的等離子體清洗，習慣上稱等離子清洗PE,，許多氣體的等離子態(tài)可產(chǎn)生高活性的粒子,。從化學反應式可知,，典型的PE工藝是氧氣或氫氣等離子體工藝，用氧等離子通過化學反應,，能夠使非揮發(fā)性有機物變成易揮發(fā)性的CO2和水汽,，去除沾污物，使表面清潔,；用氫的等離子可通過化學反應,，去除金屬表面氧化層，清潔金屬表面,。反應氣體電離產(chǎn)生的高活性反應粒子,，在一定條件下與被清洗物體表面發(fā)生化學反應，反應生成物是易揮發(fā)性物,，可以被抽走,，而針對被清除物的化學成分，選擇合適的反應氣體組分是極為重要的,。PE的特點是表面改性,，清洗速度較快，選擇性好,，對有機沾污污染比較有效,。其不足是可能產(chǎn)生氧化物。
3.2 物理反應為主的清洗
表面反應以物理反應為主的等離子體清洗,，也稱為濺射腐蝕SPE或離子銑IM,。表面物理濺射是指等離子體中的正離子在電場獲得能量去轟擊表面，撞擊移去表面分子片段和原子,，使污染物從表面去除,，并能夠使表面在分子級范圍改變微觀形態(tài)粗糙化，從而改善表面的粘結性能,。氬氣本身是惰性氣體,，等離子態(tài)的氬氣并不和表面發(fā)生反應，工藝是氬等離子通過物理濺射使表面清潔,。等離子體物理清洗不會產(chǎn)生氧化副作用,，保持被清洗物的化學純潔性，腐蝕作用各向異性,，缺點是對表面產(chǎn)生很大的損害和熱效應,，選擇性差，速度較低,。
3.3 反應離子腐蝕
化學清洗、物理清洗各有利弊,，在反應離子腐蝕中把這兩種機理結合起來,，物理反應和化學反應都同時起重要作用,，相互促進，其效果既有較好的選擇性,、清洗率,、均勻性，又有較好的方向性,。
3.4 順流等離子體清洗
順流等離子體也叫源室分腔式等離子體DPE,，產(chǎn)生等離子體的源位于等離子發(fā)生腔，待清洗的工件位于工藝腔,，把氣相反應粒子,、原子團、光子等引入工藝腔,，對工件進行清洗,，把離子、電子基本濾除掉,。2.45GHz順流等離子體類型是用于封裝類等離子清洗的主要形式,，適于清洗有機物。
3.5 激發(fā)頻率分類
常見的等離子體電源激發(fā)頻率有三種：激發(fā)頻率40kHz的等離子體為超聲等離子,，發(fā)生的反應為物理反應,，清洗系統(tǒng)離子密度較低；13.56MHz的等離子體為射頻等離子體,，等離子體發(fā)生的反應既有物理反應又有化學反應,，離子密度和能量較高；2.45GHz的等離子體為微波等離子體,，離子濃度,，反應為化學反應。實際上,，半導體生產(chǎn)中大多采用射頻或微波等離子體清洗,，而半導體后部工序用戶用的等離子體清洗設備大多數(shù)采用由鋁或不銹鋼制造的方形、長方形金屬箱體,，電極為內(nèi)置平行板狀結構,。
各等離子體清洗設備廠家針對不同的用戶需求，設計制造了許多種不同結構類型,、不同電源頻率的清洗設備,，各有所長，也就各有所短,。選用等離子清洗設備前要搞清楚待清洗工件特征,，要清除掉的沾污物是什么，待清洗工件在清洗過程中應避免什么，是高溫,、晶格損傷,、靜電損傷還是二次污染等，通過試驗結果確認,、選購滿足不同工件對等離子清洗不同要求的設備,。
4 在封裝生產(chǎn)中的應用
等離子體清洗在微電子封裝領域有著廣泛的應用前景，等離子體清洗技術的成功應用依賴于工藝參數(shù)的優(yōu)化,，包括過程壓力,、等離子激發(fā)頻率和功率、時間和工藝氣體類型,、反應腔室和電極的配置以及待清洗工件放置位置等,。半導體后部生產(chǎn)工序中，由于指印,、助焊劑,、焊料、劃痕,、沾污,、微塵、樹脂殘跡,、自熱氧化,、有機物等，在器件和材料表面形成各種沾污,，這些沾污會明顯地影響封裝生產(chǎn)及產(chǎn)品質量,，利用等離子體清洗技術，能夠很容易清除掉生產(chǎn)過程中形成的這些分子水平的污染,，從而顯著地改善封裝的可制造性,、可靠性及成品率。
在芯片封裝生產(chǎn)中,，等離子體清洗工藝的選擇取決于后續(xù)工藝對材料表面的要求,、材料表面的原有特征、化學組成以及表面污染物性質等,，表2示出等離子體清洗工藝的選擇及應用的部分實例,。
4.1 優(yōu)化引線鍵合
在芯片、微電子機械系統(tǒng)MEMS封裝中,，基板,、基座與芯片之間有大量的引線鍵合，引線鍵合仍然是實現(xiàn)芯片焊盤與外引線連接的重要方式,，如何提高引線鍵合強度一直是行業(yè)研究的問題,。射頻驅動的低壓等離子清洗技術是一種有效的,、低成本的清潔方法，能夠有效地去除基材表面可能存在的污染物,，例如氟化物,、鎳的氫氧化物、有機溶劑殘留,、環(huán)氧樹脂的溢出物、材料的氧化層,，等離子清洗一下再鍵合,，會顯著提高鍵合強度和鍵合引線拉力的均勻性，它對提高引線鍵合強度作用很大,。在引線鍵合之前,，氣體等離子體技術可以用來清洗芯片接點，改善結合強度及成品率,，表3示出一例改善的拉力強度對比,，采用氧氣及氬氣的等離子體清洗工藝，在維持高工序能力指數(shù)Cpk值的同時能有效改善拉力強度,。據(jù)資料介紹,，研究等離子體清洗的效能時，不同公司的不同產(chǎn)品類型在鍵合前采用等離子體清洗,，增加鍵合引線拉力強度的幅度大小不等,，但對提高器件的可靠性而言都很有好處。
用Ar等離子體,，將樣品置放在地極板,，當射頻功率為200W～600W、氣體壓力為100mT～120mT或140mT～180mT時,，清洗10min～15min,，能獲得很好的清洗效果和鍵合強度，實驗用直徑25μm金絲鍵合引線,，當采用等離子清洗后,，其平均鍵合強度可提高到6.6gf以上。
4.2 倒裝焊接前的清洗
在芯片倒裝封裝方面,，對芯片和載體進行等離子體清洗,，提高其表面活性以后再進行倒裝焊，可以有效地防止或減少空洞,，提高黏附性,。另一特點是提高填料邊緣高度，改善封裝的機械強度,，降低因材料間不同的熱膨脹系數(shù)而在界面間形成的剪切應力,，提高產(chǎn)品可靠性和壽命,。
4.3 芯片粘結的清洗
等離子體表面清洗可用于芯片粘結之前的處理，由于未處理材料表明普遍的疏水性和惰性,，其表面粘結性能通常很差,，粘結過程中很容易在界面產(chǎn)生空洞?；罨蟮谋砻婺芨纳骗h(huán)氧樹脂等高分子材料在表面的流動性能,，提供良好的接觸表面和芯片粘結浸潤性，可有效防止或減少空洞形成,，改善熱傳導能力。清洗常用的表面活化工藝是通過氧氣,、氮氣或它們的混合氣等離子體來完成的,。微波半導體器件在燒結前采用等離子體清洗管座，對保證燒結質量十分有效,。
4.4 引線框架的清洗
引線框架在當今的塑封中仍占有相當大的*,，其主要采用導熱性、導電性,、加工性能良好的銅合金材料制作引線框架,。但銅的氧化物及其他一些污染物會造成模塑料與銅引線框架分層，并影響芯片粘接和引線鍵合質量,，確保引線框架清潔是保證封裝可靠性的關鍵,。研究表明，采用氫氬混合氣體,，激發(fā)頻率13.56MHz,，能夠有效地去除引線框架金屬層上的污染物，氫等離子體能夠去除氧化物,，而氬通過離子化能夠促進氫等離子體數(shù)量的增加,。
4.5 管座管帽的清洗
管座管帽若存放時間較長，表面會有陳跡且可能有污染,，先對管座管帽進行等離子體清洗,，去除污染，然后封帽,，可顯著提高封帽合格率,。陶瓷封裝通常使用金屬漿料印制線作鍵合區(qū)、蓋板密閉區(qū),。在這些材料的表面電鍍Ni,、Au前，采用等離子清洗,，去掉有機物沾污,，提高鍍層質量,。
在微電子、光電子,、MEMS封裝方面,，等離子技術正廣泛應用于封裝材料清洗及活化，對解決電子元器件存在的表面沾污,、界面狀態(tài)不穩(wěn)定、燒結及鍵合不良等缺陷隱患,，提升質量管理和工序控制能力具有可操作性的積極作用,，改善材料表面特性，提高封裝產(chǎn)品性能,，需要選擇合適的清洗方式和清洗時間,，對提高封裝質量和可靠性極為重要。
