鋁線鍵合的等離子清洗工藝研究

鐘小剛

（廣東風華芯電科技股份有限公司，廣州 510663）

1 前言

等離子清洗技術被廣泛應用于電子、生物醫(yī)藥、珠寶制作、紡織等眾多行業(yè)，由于各個行業(yè)的特殊性，需要針對行業(yè)需要，采用不同的設備及工藝。在電子封裝行業(yè)中，使用等離子清洗技術，目的是增強焊線/焊球的焊接質量及芯片與環(huán)氧樹脂塑封材料之間的粘結強度。為了更好地達到等離子清洗的效果，需要了解設備的工作原理與構造，根據(jù)封裝工藝，設計可行的等離子清洗料盒及工藝。

等離子清洗的工作原理是通過將注入氣體激發(fā)成等離子體，等離子體由電子、離子、自由基、光子以及其他中性粒子組成。由于等離子體中的電子、離子和自由基等活性粒子存在，其本身容易與固體表面發(fā)生反應。反應類型可以分為物理反應和化學反應，物理反應主要是以轟擊的形式使污染物脫離表面，從而被氣體帶走；化學反應是活性粒子與污染物發(fā)生反應，生成易揮發(fā)物質再被帶走[1]。在實際使用過程中，通常使用Ar氣來進行物理反應，使用O2或者H2來進行化學反應，其反應原理示意圖如圖1所示。

等離子清洗的效果通常用滴水實驗來直觀反應，如圖2所示，等離子清洗前接觸角約為56°，等離子清洗后表面接觸角約為7°。

在電子封裝中，通常使用物理化學結合的方式進行等離子清洗，以去除在原材料制造、運輸、前工序中殘留的有機污染物及芯片焊盤和引線框架表面形成的氧化物。

圖1 等離子清洗物理/化學反應原理示意圖

圖2 等離子清洗前后滴水實驗對比

等離子清洗設備的反應室主要分為感應耦合“桶式”反應室、電容耦合“平行平板”反應室、“順流”反應室三種。目前國內集成電路生產(chǎn)企業(yè)基本使用進口設備，采用第三種模式，其具有均勻的等離子體區(qū)、射頻電源及匹配網(wǎng)絡不受負載影響，不損傷敏感器件的優(yōu)點[2～3]。

等離子按激發(fā)頻率分為射頻與微波，其頻率范圍的劃分如圖3所示。目前在微電子行業(yè)廣泛使用的為射頻等離子體。

圖3 等離子激發(fā)頻率

在等離子清洗設備的使用過程中，需要根據(jù)清洗產(chǎn)品的不同，制定合理的清洗工藝，如射頻功率、清洗時間、清洗溫度、氣流速度等，以達到最好的清洗效果。本文針對TO220產(chǎn)品的鋁線鍵合工藝，設計適合于功率器件鋁線鍵合的最佳等離子清洗工藝。

2 實驗過程

為了分析不同等離子清洗參數(shù)對鋁線鍵合的增強效果，本研究的主要過程如圖4所示。樣品按標準貼片工藝進行貼片，之后根據(jù)實驗設計確定的9組參數(shù)進行等離子清洗，然后按標準焊線工藝焊線，之后測試樣品的焊線拉力與焊球的剪切力。最后對測試結果進行分析。

圖4 實驗流程圖

2.1 樣品制備

本實驗采用BYD 4N60芯片，芯片尺寸為3.20 mm×3.58 mm，鋁焊盤，芯片背銀。采用TO220純銅引線框架，貼片所用焊料為93.15Pb5Sn11.5Ag，貼片設備使用ASM-SD890A，焊線使用0.3 mm鋁線，焊線設備為OE-360，等離子清洗使用設備為EUROPLASMA。

2.2 等離子清洗參數(shù)設計

本實驗采用射頻激發(fā)的Ar/H2混合氣體，可以應用在增強引線鍵合強度。清洗時間不宜過長，清洗時間過長的負面影響是Si3N4鈍化層的晶粒呈現(xiàn)出針狀和纖維狀[4]。因此，選用Ar與H2的混合氣體。RF功率范圍200～400 W，時間180～600 s，流速50～150 tor·s-1。

使用DOE方法設計了9組實驗參數(shù)，如表1所示。

表1 等離子清洗參數(shù)設置表

2.3 等離子清洗實驗

等離子清洗效果除與等離子清洗設備的參數(shù)設置有關外，也與樣品形狀及樣品的料盒有關。在料盒選擇方面，一般選用鏤空料盒（如圖5所示），讓盡可能多的等離子氣體進入到料盒內部，并且不干擾等離子氣體的流動方向與流動速度。一般選用鋁合金材質，因為其具有良好的加工特性，同時質量輕，便于運輸。玻璃和陶瓷材質雖然在等離子清洗工藝中使用效果更佳，但在工廠批量生產(chǎn)中不利于運輸與操作。

圖5 等離子清洗用鏤空料盒

本實驗使用的等離子清洗機為封閉腔型，腔內示意圖如圖6所示。并排放置4個放置空引線框架料盒，經(jīng)過等離子清洗后進行滴水實驗發(fā)現(xiàn)，中間位置料盒中引線框架的清洗效果優(yōu)于旁邊位置的料盒。因此，本實驗采用單料盒，放置于如圖6中所示位置進行實驗，以達到最優(yōu)清洗效果。

圖6 等離子清洗機腔內示意圖

2.4 拉力和剪切力測試

使用DAGE 4000進行樣品的拉力測試，測試時在料盒內選取上中下各一條引線框架，每條引線框架上均勻選取10個測試點，每組等離子清洗參數(shù)條件下獲得30個樣本值。

3 實驗結果與討論

3.1 等離子清洗參數(shù)

實驗獲得的焊線拉力的測試結果如圖7所示。

由圖7中可以看到，第5組樣品的拉力測試值具有相對最小方差與最高PpK值，其次是第4組樣品；第9組樣品雖然使用了最大功率、最長清洗時間與較大的氣體清洗流量，但實驗結果并不理想。

清洗功率與清洗時間超過理想的設定值時，一方面Si3N4鈍化層的晶粒會呈現(xiàn)出針狀和纖維狀，另一方面，會激發(fā)焊料內的有機物揮發(fā)至氣流中，并在等離子清洗過程中覆蓋于芯片及引線框架表面，形成二次污染，從而影響焊接的強度。

圖7 拉力測試結果比較圖

由此確定，適合于該料盒的鋁線產(chǎn)品的等離子清洗參數(shù)應參考第5組設定參數(shù)。

3.2 放置空間對清洗效果的影響

樣品在等離子清洗機腔體中的放置位置對等離子清洗效果也有明顯影響。比較分別位于上中下三層的引線框架的引線拉力測試數(shù)據(jù)，結果如圖8所示。

從圖8中可以看出，上層引線框架獲得了更穩(wěn)定的拉力測試結果。因為上層引線框架與氣體接觸得更充分。位于下層的引線框架，方差值偏差較大。因此，若想得到更好的等離子清洗效果，必須盡可能多地讓引線框架暴露于等離子氣體中，引線框架的上下間距不能過于緊密。

圖8 上中下層引線框架在9組等離子清洗實驗中的方差比較結果

綜上所述，等離子清洗有利于電子封裝的可靠性，能增強焊線工藝的穩(wěn)定性。在使用等離子清洗工藝時，需結合等離子清洗機腔體的結構，設計合適的料盒，合理擺放料盒在腔體內的位置。同時，根據(jù)清洗樣品的不同，通過DOE實驗能夠找到最合適的清洗工藝，達到最好的清洗效果。此外，料盒中引線框架的最佳上下間距以及料盒在等離子清洗機腔體中的最佳擺放位置與數(shù)量，在本文實驗中還未涉及，下一步將結合氣體流動模型針對此問題進一步研究討論。

[1] 張國柱，杜海文，劉麗琴. 等離子清洗技術[J]. 機電元件，2001，12：1-34.

[2] 李東旗. 等離子清洗技術[J]. 中國集成電路，2003，8：87-89.

[3] 孫祖琴. 等離子清洗在電子元器件中的應用[J]. 機電元件，2010，3：13-15，27.

[4] 聶磊，蔡堅，賈松良，王水弟. 微電子封裝中等離子體清洗及其應用[J]. 半導體技術， 29（12）：30-34.