微波等離子清洗在封裝工藝中的應(yīng)用

葛秋玲，李良海

（無(wú)錫中微高科電子有限公司，江蘇 無(wú)錫 214035）

1 引言

封裝的質(zhì)量直接影響到電子元器件的可靠性和使用壽命。在微電子封裝的生產(chǎn)過(guò)程中，由于接觸、溶劑揮發(fā)、自然氧化等都可能會(huì)造成芯片、鍵合指或外殼焊環(huán)表面形成各種沾污。這些沾污包括環(huán)氧樹(shù)脂溢出物、有機(jī)溶劑殘留、焊料、金屬離子、材料的氧化層等，它們都會(huì)明顯影響微電子器件在生產(chǎn)過(guò)程中的相關(guān)工藝質(zhì)量，從而降低電子元器件的可靠性和產(chǎn)品合格率。因此，為保證電子元器件的產(chǎn)品合格率和質(zhì)量可靠性，必須在不破壞芯片、粘接材料和外殼的表面特性、熱學(xué)特性以及電學(xué)特性的前提下，去除這些有害沾污物。

等離子清洗的應(yīng)用起源于20世紀(jì)初，隨著高科技產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，等離子清洗適用于各種基材類(lèi)型，對(duì)金屬、半導(dǎo)體、氧化物、有機(jī)物和大多數(shù)高分子材料也能進(jìn)行很好的處理，并可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗。等離子清洗工藝中不使用任何化學(xué)溶劑，具有對(duì)環(huán)境污染小、清洗質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在半導(dǎo)體制造、微電子封裝、光學(xué)工業(yè)、機(jī)械與航天工業(yè)、精密儀器等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

2 微波等離子清洗的原理

2.1 等離子體清洗

等離子體是物質(zhì)常見(jiàn)的固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)以外的第四態(tài)，主要由電子、正離子、自由基、光子以及其他中性粒子組成，其正負(fù)電荷總是相等的，所以稱(chēng)為等離子體。由于等離子體中的電子、正離子和自由基等活性粒子的存在，很容易與固體表面發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，生成產(chǎn)物為CO2和H2O等無(wú)污染的氣體，隨真空泵排出，從而達(dá)到清洗的目的[2]。

2.2 微波等離子清洗原理

常用等離子體電源激發(fā)頻率有3種：激發(fā)頻率40 kHz的等離子體為超聲等離子，發(fā)生反應(yīng)為物理反應(yīng)；13.56 MHz等離子體為射頻等離子體，發(fā)生反應(yīng)為物理和化學(xué)反應(yīng)；頻率達(dá)到2.45 GHz的等離子體為微波等離子體，離子濃度最高，發(fā)生反應(yīng)為化學(xué)反應(yīng)，典型的工藝是氧氣或氫氣等離子體工藝。用氧等離子通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，能夠使非揮發(fā)性有機(jī)物變成易揮發(fā)性的CO2和水蒸氣，去除沾污物，使表面清潔；用氫等離子可通過(guò)化學(xué)反應(yīng)去除金屬表面氧化層，清潔金屬表面。

氧氣等離子體其主要的形成過(guò)程如下：

上述反應(yīng)式（1）表示氧氣在微波高能電場(chǎng)作用下，初步生成O2陽(yáng)離子和高速運(yùn)動(dòng)的自由電子；式（2）表示氧氣在激發(fā)態(tài)的自由電子的轟擊作用下變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，生成了自由電子的過(guò)程；式（3）表示激發(fā)態(tài)的氧氣分子在高速運(yùn)動(dòng)的自由電子作用下生成大量的氧自由基、氧正離子和激發(fā)態(tài)的自由電子。

用氧氣等離子清洗，其中氧氣主要與污染物發(fā)生氧化反應(yīng)，特別是對(duì)有機(jī)沾污物清洗效果尤為明顯，清洗過(guò)程反應(yīng)如下：

式（4）表明，處于激發(fā)態(tài)的氧氣分子與有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，生成CO2和水蒸氣，對(duì)有機(jī)物溶劑沾污比較有效，具有清洗效率高、可選擇性好等優(yōu)點(diǎn)。

但是其比較明顯的缺點(diǎn)是容易將待清洗物的金屬表面或粘接材料表面氧化，因此在實(shí)際生產(chǎn)工藝中，常用氫等離子體將待清洗物進(jìn)行還原清洗，去除金屬表面氧化層，清潔金屬表面。為了達(dá)到更好的效果，可在氫氣中加入一定量的惰性氣體氮?dú)?，將化學(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)相結(jié)合進(jìn)行清洗。其過(guò)程反應(yīng)如下：

式（5）表明，激發(fā)態(tài)的氫氣與氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將氧化物還原為單質(zhì)和水蒸氣；氮?dú)獾入x子體經(jīng)過(guò)物理碰撞，與H2清洗起到協(xié)同的作用。通過(guò)兩種氣體的清洗能有效地將待清洗物表面的氧化物去除。

3 微波等離子在封裝工藝中的應(yīng)用

等離子體清洗在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。根據(jù)材料表面氧化、助焊劑殘留、樹(shù)脂殘跡、有機(jī)物等不同沾污物的性質(zhì)，選擇相適應(yīng)的氣體，清除掉這些污染物，從而顯著地改善封裝可制造性、可靠性及提高成品率，表1是等離子體清洗工藝的應(yīng)用[3]。

表1 等離子體清洗在封裝中的選用

本文主要針對(duì)封裝工藝中的問(wèn)題采用微波等離子清洗的實(shí)用案例。

3.1 芯片共晶前基板清洗

由于基板材料的表面存在親水性和疏水性的特性，親水性特性可提供良好的接觸表面，共晶焊料和環(huán)氧樹(shù)脂材料在其表面的流動(dòng)性好、浸潤(rùn)性佳，可有效防止或減少焊接空洞的產(chǎn)生，保證高可靠的粘接和熱傳導(dǎo)能力。

微波等離子清洗能改善基板材料表面的親水性，增強(qiáng)潤(rùn)濕性能。圖1是微波等離子清洗前后的滴水試驗(yàn)比較，清洗后水滴在基板表面迅速擴(kuò)散，接觸角變小，潤(rùn)濕范圍明顯變大。

圖1 微波等離子清洗前后比較示意圖

圖2是芯片共晶焊接采用微波等離子清洗基板的實(shí)例。由于芯片面積較大（10 mm×10 mm），對(duì)材料的潔凈、潤(rùn)濕性要求更高，焊接面孔隙控制要求小于5%，否則極易因孔隙的應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致芯片碎裂或裂紋而使器件失效。基板不清洗直接共晶芯片，X射線(xiàn)檢查焊接面孔隙多且個(gè)別孔隙尺寸大，如圖2（a）所示；基板采用微波等離子清洗后，X射線(xiàn)檢查芯片焊接面孔隙少而小，如圖2（b）所示。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)微波等離子清洗基板后，共晶焊料流淌性好、潤(rùn)濕性強(qiáng)，焊接面孔隙率降低。

圖2 共晶焊芯片微波等離子清洗前后孔隙比較示意圖

3.2 銀漿有機(jī)物沾污的清洗

采用銀漿粘接芯片工藝，由于銀漿材料的基體樹(shù)脂及材料中或多或少存在著有機(jī)溶劑及其他介質(zhì)，在銀漿分配后由于基板表面的親水性，樹(shù)脂擴(kuò)散造成引線(xiàn)指區(qū)域沾污，或在固化過(guò)程中有機(jī)溶劑揮發(fā)，部分揮發(fā)物將沉積于電路表面，造成芯片、鍵合指或焊環(huán)表面的微量沾污。為去除有機(jī)溶劑的沾污，需在裝片固化后、引線(xiàn)鍵合前采用微波等離子清洗。

圖3（a）所示為用導(dǎo)電膠粘接芯片、電路固化后有機(jī)溶劑擴(kuò)散沾污鍵合指現(xiàn)象。為提高鍵合焊接的可靠性，采用O2等離子體清洗沾污的有機(jī)溶劑。圖3（b）所示為用O2等離子體微波清洗后的電路照片，由圖中可知，在微波等離子清洗之后，外殼引線(xiàn)指上沾污的溶劑已經(jīng)去除，其顏色也恢復(fù)正常。但是在清洗掉溶劑沾污的同時(shí)，導(dǎo)電膠在O2等離子體的作用下被氧化顏色變黑，采用N2/H2等離子體清洗，導(dǎo)電膠的顏色恢復(fù)到接近未用等離子體清洗之前的狀態(tài)。

圖3 微波等離子清洗溶劑沾污

由于等離子清洗是在微觀(guān)分子、原子和離子層面上的化學(xué)反應(yīng)，因此在清洗比較嚴(yán)重的沾污時(shí)，其有效性不如機(jī)械擦除或者濕法清洗。圖4（a）所示為鍵合指被溶劑嚴(yán)重沾污的電路，在O2等離子清洗每次20 min、清洗4次后發(fā)現(xiàn)電路的鍵合指處仍然有少量的沾污存在，如圖4（b）所示。但是，如果用等離子清洗電路的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)使電路的鍵合指和芯片Pad的表面在微觀(guān)水平上過(guò)于光滑，導(dǎo)致鍵合引線(xiàn)的焊接強(qiáng)度降低；同時(shí)嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)電膠表層固化樹(shù)脂起皮甚至脫落，因此清洗時(shí)間也不宜過(guò)長(zhǎng)。

圖4 溶劑沾污嚴(yán)重的電路圖片

3.3 鍵合前清洗優(yōu)化引線(xiàn)鍵合

為了研究等離子清洗對(duì)鍵合引線(xiàn)和鍵合指焊接強(qiáng)度的影響，取一只貼片后的電路，先用O2等離子清洗10 min后再用N2/H2清洗10 min，然后進(jìn)行引線(xiàn)鍵合，之后做球形焊點(diǎn)的剪切強(qiáng)度測(cè)試。圖5所示為用微波等離子清洗和未清洗的電路的引線(xiàn)鍵合強(qiáng)度對(duì)比圖。

圖5 等離子清洗和未清洗的電路焊球剪切強(qiáng)度測(cè)試

由圖5可以看出，用微波等離子清洗過(guò)的電路的鍵合引線(xiàn)焊接強(qiáng)度好于未清洗的電路。這主要是因?yàn)榍逑茨軌蚯宄I合指鍍金層表面的微小污物，減小鍍金層表面浸潤(rùn)角，有效改善焊接面浸潤(rùn)性，增強(qiáng)焊接材料的互融，從而有效地增強(qiáng)引線(xiàn)焊接強(qiáng)度[4]。

圖6（a）所示為電阻貼片固化后表面電鍍金屬化層發(fā)紅變色，導(dǎo)致引線(xiàn)鍵合可焊性差。經(jīng)過(guò)O2等離子和N2/H2等離子清洗后發(fā)紅現(xiàn)象去除，恢復(fù)正常顏色，如圖6（b）所示，滿(mǎn)足了鍵合工藝要求。

圖6 電鍍金屬化層發(fā)紅變色清洗比較

3.4 封帽前清洗優(yōu)化焊接面

蓋板封帽作為電路陶瓷封裝工藝中的后道關(guān)鍵工序，其密封性以及蓋板和焊環(huán)的焊接強(qiáng)度直接影響電路的可靠性和使用壽命。取兩只焊環(huán)表面有微量沾污的電路，一只用N2/H2等離子體清洗20 min，另一只不作清洗，在同樣的工藝條件下進(jìn)行合金封帽，最后用X射線(xiàn)檢測(cè)焊接面焊接情況。圖7所示為封帽前后的圖片和X射線(xiàn)圖像。

圖7 等離子清洗對(duì)焊接密封性的影響

由圖7中可以看出，焊環(huán)有同樣輕微沾污的兩只電路，經(jīng)過(guò)清洗封帽的密封面的孔隙率要比未清洗的要好。

圖8是焊環(huán)表面斑點(diǎn)狀的有機(jī)物沾污，采用O2等離子體可清除掉，提高了密封焊接面的有效焊接面，減少孔隙的產(chǎn)生。

在陶瓷外殼封裝工藝過(guò)程中，合金焊料和膠在高溫條件下固化后，部分外殼鍍金層質(zhì)量存在不良，經(jīng)高溫后金層表面出現(xiàn)氧化變色，焊環(huán)、鍵合指或電鍍金PAD表面氧化，導(dǎo)致潤(rùn)濕性差，影響后續(xù)的焊接可靠性。圖9是經(jīng)高溫后焊環(huán)表面氧化，采用N2/H2等離子清洗20 min后，有效去除了氧化物，密封焊接后X射線(xiàn)檢測(cè)焊接面潤(rùn)濕完好，無(wú)孔隙產(chǎn)生。

圖8 焊環(huán)表面有機(jī)物清洗前后對(duì)比圖

圖9 焊環(huán)表面氧化物清洗前后對(duì)比圖

3.5 FC焊接前和下填充前的清洗

在芯片倒裝前，對(duì)芯片和基板進(jìn)行微波等離子清洗，清除掉金屬表面微量氧化物和有機(jī)沾污，提高材料表面活性再進(jìn)行倒裝焊，有效地防止或減少焊接面孔隙，提高焊接強(qiáng)度。倒裝焊接時(shí)應(yīng)用到助焊劑，焊接后需采用清洗劑來(lái)清洗助焊劑。清洗后會(huì)有微量有機(jī)物殘留，在下填充前采用O2和N2/H2等離子體清洗，去除有機(jī)溶劑殘留，可增加下填充料的流淌性，減小填充料孔隙、分層，提高產(chǎn)品可靠性。

4 結(jié)論

（1）等離子清洗基板能夠降低芯片共晶焊產(chǎn)生的孔隙率。

（2）等離子清洗在一定程度上能夠有效清除在封裝工藝過(guò)程中由于溶劑揮發(fā)、氧化物等產(chǎn)生的沾污，當(dāng)沾污比較嚴(yán)重時(shí)，只能部分去除，不能完全清洗干凈。

（3）貼片后的電路經(jīng)過(guò)微波等離子清洗處理后，其鍵合引線(xiàn)焊接強(qiáng)度較未清洗的電路增強(qiáng)。

（4）在封帽工藝中，微波等離子清洗電路能提高蓋板和焊環(huán)的焊接密封性，增強(qiáng)其焊接強(qiáng)度和可靠性。

[1]張國(guó)柱，杜海文，劉麗琴.等離子清洗技術(shù)[J].Electromechanical Components,2001,12(4): 31-34.

[2]師筱娜，柳國(guó)光，廖鑫.微波等離子清洗技術(shù)及應(yīng)用[J].Defense Manufacturing Technology,2012,6(3): 40-42.

[3]龍樂(lè).等離子清洗及其在電子封裝中的應(yīng)用[J].電子與封裝，2008，8(4): 12-15.

[4]羅紅媛，蔡成德，黃信章.等離子清洗對(duì)引線(xiàn)鍵合質(zhì)量可靠性的影響[J].電子工藝技術(shù)，2012，1(1): 26-30.