Plasma清洗在Flip睠hip工藝中的重要作用

陳天虎　姚澤鑫　李鍵城??

摘要：隨著半導(dǎo)體芯片封裝技術(shù)的發(fā)展，倒裝芯片封裝技術(shù)，其杰出的電氣和熱性能，高I/O引腳數(shù)，以及其封裝集成較高的優(yōu)勢(shì)，使其在芯片封裝行業(yè)中得到了快速的發(fā)展。芯片的高密度引腳封裝也其對(duì)封裝可靠性也提出了更高的要求，而在FlipChip工藝過(guò)程中基板上的污染物和氧化物是導(dǎo)致封裝中基板與芯片Bump鍵合失效的主要因素。為使芯片與基板能達(dá)到有效的鍵合，在Bond之前將基板進(jìn)行plasma清洗，以提高其鍵合的可靠性。通過(guò)介紹plasma清洗原理、過(guò)程，以及水滴角，推力測(cè)試等實(shí)驗(yàn)，論證了在FlipChip Bond之前對(duì)基板進(jìn)行plasma清洗能有效的提高產(chǎn)品鍵合的可靠性。

關(guān)鍵詞：plasma；FlipChip；推力測(cè)試；水滴角；鍵合

隨著現(xiàn)代電子制造技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)lip–Chip Bond封裝技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，但問(wèn)題也隨之而來(lái)，因前端工藝的需要，生產(chǎn)過(guò)程中避免不了在基板上殘留一些有機(jī)物或其他污染物，而且在烘烤工藝中也會(huì)使基板pad金手指鍍金層下的Ni元素上移到表面。如不能有效的去除這些污染物，會(huì)使隨后在Flip–Chip Bond工藝中導(dǎo)致芯片上Bump與基板pad鍵合不佳、分層，甚至出現(xiàn)鍵合焊接不上（漏焊，少焊）的情況。而傳統(tǒng)清洗工藝中的濕法清洗如CFC清洗、ODS 類(lèi)清洗等因環(huán)境、成本的限制以及現(xiàn)代電子組裝技術(shù)、精密機(jī)械制造的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)清洗技術(shù)提出更的要求。相對(duì)于傳統(tǒng)的濕法清洗，干法清洗特別是以等離子清洗技術(shù)為主的清洗技術(shù)在這些方面有較大優(yōu)勢(shì)。

1 Plasma清洗原理

通常物質(zhì)以固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)3種狀態(tài)存在，而Plasma是物質(zhì)存在于3種物質(zhì)狀態(tài)之外的另一種狀態(tài)，及在一些特殊的情況下物質(zhì)原子內(nèi)的電子脫離原子核的吸引，使物質(zhì)呈為正負(fù)帶電粒子狀態(tài)。它的清洗原理就是在一組電極施以射頻電壓，區(qū)域內(nèi)的氣體被電極之間形成的高頻交變電場(chǎng)激蕩下，形成等離子體?；钚缘入x子對(duì)被清洗物進(jìn)行物理撞擊或化學(xué)反應(yīng)作用，使被清洗物表面物質(zhì)變成粒子和氣態(tài)物質(zhì)，然后在經(jīng)過(guò)抽真空排出，以達(dá)到清洗目的。

Plasma清洗過(guò)程中與材料表面產(chǎn)生的反應(yīng)主要有兩種方式，一種是靠等離子對(duì)被清洗件表面作純物理撞擊作用。常用的氣體有不活潑氣體如氬氣（Ar）、氮?dú)猓∟2）等。另一種則是靠等離子中的自由基來(lái)做化學(xué)反應(yīng)，常用的活潑氣體有氫氣（H2）、氧氣（O2）等。

a）圖示1，表示氬氣（Ar）等離子體以純物理撞擊方式來(lái)打破有機(jī)物的化學(xué)鍵并使表面污染物脫離基板。研究表明在壓力較低時(shí)，離子的能量越高，因而在物理撞擊時(shí)，離子的能量越高，撞擊作用越強(qiáng)，所以若要以物理反應(yīng)為主時(shí)，應(yīng)在較小壓力下來(lái)進(jìn)行反應(yīng)，這樣清洗效果較好。

方程式為：Ar + e→Ar+ + 2e Ar+ + CxHy

b） 圖示2 表示活性氣體O2在電離情況下，其等離子體里的高活性自由基與材料表面做化學(xué)反應(yīng)，且在壓力較高時(shí)，對(duì)自由基的產(chǎn)生較有利，所以若要以化學(xué)反應(yīng)為主時(shí)，應(yīng)選擇在高壓下進(jìn)行反應(yīng)。

方程式為：O2 + e → 2O + e

（CH2）n + 3/2nO2 → nCO2 + nH2O

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在選取氧氣和氬氣作為plasma清洗條件時(shí)，綜合考慮產(chǎn)品元件，以及氧氣plasma清洗過(guò)程中容易在清洗元件表面產(chǎn)生新的氧化物，造成二次污染，而氬氣等離子清洗的機(jī)理是通過(guò)粒子動(dòng)能產(chǎn)生的物理清洗且氬氣是惰性氣體，在等離子清洗中不會(huì)與產(chǎn)品元器件發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可以保持元件表面的化學(xué)純凈性，不會(huì)造成二次污染。所以以下實(shí)驗(yàn)只選用單一氣體氬氣作為plasma清洗的工藝氣體。

2.1 水滴角

實(shí)驗(yàn)方案：本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)未清洗，傳統(tǒng)（超聲波+電子氟化液）濕清洗、plasma清洗的三種狀態(tài)下的基板分別進(jìn)行水滴角測(cè)試，對(duì)水滴角大小來(lái)判定清洗效果。

實(shí)驗(yàn)條件：10等級(jí)無(wú)塵室，傳統(tǒng)清洗與plasma清洗分別在清洗后30分鐘進(jìn)行水滴角測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：運(yùn)用PhoenixPico/Nano型號(hào)的接觸角測(cè)定儀進(jìn)行水滴角大小進(jìn)行測(cè)定。

實(shí)驗(yàn)材料：基于AL2O3的陶瓷基板。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

從圖3和表1的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示未清洗基板水滴角最大，其次是傳統(tǒng)清洗，水滴角最小的是經(jīng)過(guò)plasma清洗后的基板，表明plasma清洗效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)清洗的效果。

2.2 鍵合后推力 test 驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)方案：本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)所需Bond的基板在未清洗、傳統(tǒng)清洗、plasma清洗三種狀態(tài)的基板分別在進(jìn)行Filp–Chip Bond，且在Bond后進(jìn)行推力實(shí)驗(yàn)，以及鍵合的狀態(tài)進(jìn)行比較分析來(lái)判斷清洗方式對(duì)鍵合的影響。

實(shí)驗(yàn)條件：10等級(jí)無(wú)塵室，對(duì)三種狀態(tài)的基板 Filp–Chip Bond。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：用型號(hào)Nordson DAGE（DAGESERIES4000PXY）多功能焊接強(qiáng)度測(cè)試儀進(jìn)行推力測(cè)試；推力治具在受到持續(xù)加大的推力時(shí)芯片分離基板，測(cè)試儀記錄芯片分離時(shí)所用的最大推力。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

推力單位：克力（gf）

通過(guò)表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基板通過(guò)plasma清洗之后芯片上的Bump（Au）與基板上的pad之間的鍵合程度明顯優(yōu)于未清洗和傳統(tǒng)清洗的基板。說(shuō)明plasma清洗能有效的清除Bond pad上的污染物等，從而使Bump（Au）與Bond pad產(chǎn)生更多的鍵結(jié)使之得到充分的焊接。

2.3 比較分析芯片分離基板之后基板pad上的Bump狀態(tài)[HT]

將芯片分離之后觀察分析芯片上的Bump是否保留在基板Pad上，從而判定Bump（Au）與基板pad鍵合的有效性。通過(guò)試驗(yàn)可以比較基板在三種狀態(tài)下分別進(jìn)行FlipChip Bond，并對(duì)制品進(jìn)行Push out測(cè)試，比較分析基板上保留的Bump數(shù)量。

測(cè)試結(jié)果：

（1）從圖6可以看出在基板未清洗狀態(tài)下，Bond后將芯片與基板分離，有較大部分Bump并沒(méi)有鍵合到基板pad上（少球率：（32/72）*100%=47%），雖然金球（Au）經(jīng)FlipChip Bond后芯片bump已變形但是在少球的基板pad上并沒(méi)有Bump的殘留物，未得到有效鍵合，此狀態(tài)為失效。

（2） 從圖7顯示在基板傳統(tǒng)清洗狀態(tài)下并經(jīng)。FlipChip Bond 后將芯片分離，任有部分Bump并沒(méi)有有效的鍵合到基板pad上（少球率：（10/72）*100%=13%}，雖然Bump經(jīng)壓合后已變形且可以看出基板pad上有少量金球（Au）的殘留，但從前面的推力實(shí)驗(yàn)可以看出其平均推力為：1363.78gf；而芯片Bump的最小剪切力大于72*19=1389gf此推力較低，其Bond鍵合可靠性較低。

（3） 基板在plasma清洗狀態(tài)下并經(jīng)過(guò)Bond后將芯片分離，芯片上的Bump全部轉(zhuǎn)移到基板的Bond pad上（少球率：0%），芯片Bump與pad得到了充分的焊接，完全達(dá)到了倒裝工藝對(duì)產(chǎn)品焊接的要求，提高了鍵合的可靠性。

4 成分比較分析

將基板在未清洗、傳統(tǒng)清洗、plasma清洗三種狀態(tài)下，對(duì)基板pad的提取物進(jìn)行成分分析，通過(guò)雜質(zhì)的含量多少來(lái)判斷清洗的效果。

測(cè)試條件與設(shè)備：

Model 2100 Trift II TOFSIMS （Physical Electronics，USA） TOFSIMS Analysis Conditions：

Primary lon Beam：Gallium LMIG （bunched）

Primary Beam Energy：15KeV

Test region：100*100（um2）200*200（um2）

Charge Neutralization：used

測(cè)試結(jié)果：

a）在為進(jìn)行清理的基板pad上提前物有較多的雜質(zhì)且含量最高。

b）在進(jìn)行傳統(tǒng)清洗之后基板pad上提取物雜質(zhì)含量有所降低，但雜質(zhì)種類(lèi)任然較多，影響鍵合質(zhì)量。

c）在進(jìn)行plasma清洗之后基板pad上提取物雜質(zhì)明顯得到了降低。

測(cè)試結(jié)果表明未清洗與傳統(tǒng)清洗中基板pad上的雜質(zhì)含量明顯多于plasma清洗之后的雜質(zhì)含量。而基板bond pad上雜質(zhì)含量是影響基板與芯片bump鍵合質(zhì)量的主要因素。

5 結(jié)論

本文驗(yàn)證了plasma清洗在FlipChip Bond工藝中起的重要作用，通過(guò)對(duì)基板進(jìn)行plasma清洗能夠有效的清除基板因前端工藝而殘留的雜質(zhì)，從而在FlipChip Bond工藝中使芯片的Bump與基板上的Pad更能夠有效的鍵合，提高其鍵合的可靠性。而且相對(duì)于傳統(tǒng)濕法清洗工藝來(lái)說(shuō)更為綠色環(huán)保，成本更低。

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