提高基板鍵合可靠性的等離子清洗工藝研究*

曾玉梅，王康，李宏艷,3

（1.河北諾亞人力資源開發(fā)有限公司，石家莊050035；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊050081；3.中華通訊系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，石家莊050081）

提高基板鍵合可靠性的等離子清洗工藝研究*

曾玉梅1,2，王康2，李宏艷2,3

（1.河北諾亞人力資源開發(fā)有限公司，石家莊050035；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，石家莊050081；3.中華通訊系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，石家莊050081）

通過等離子轟擊可以有效提高金絲鍵合的可靠性。氬氣等離子清洗后，基板容易金絲鍵合，破壞性拉力測試后鍵合點(diǎn)留壓點(diǎn)，鍵合力有明顯提高。5880基板最優(yōu)的清洗參數(shù)是功率200 W，清洗時間600 s，氣體流量150 ml/min，并且等離子處理之后2 h內(nèi)完成鍵合，效果最佳。

等離子；金絲鍵合；清洗參數(shù)

1 引言

當(dāng)前微波集成電路正在朝著微型化、小型化方向發(fā)展，由于組裝器件的密度越來越大，工作頻率也越來越高，分布參數(shù)的影響也越來越大，對產(chǎn)品的可靠性要求也越來越高[1]，這對微電子制造工藝提出了新的挑戰(zhàn)。

在微波電路組裝過程中，通常采用引線鍵合的方式來實(shí)現(xiàn)芯片與芯片、芯片與基板的互連。隨著微波組件工作頻率越來越高，引線鍵合的互連密度越來越大，這對產(chǎn)品可靠性的要求越來越高[2]。

在微波電路的制作過程中，電路失效的主要原因?yàn)橐€鍵合失效。據(jù)統(tǒng)計，微波電路約70%的產(chǎn)品失效均由引線鍵合失效引起[3]。這是因?yàn)樵谖⒉娐飞a(chǎn)制作過程中，鍵合區(qū)不可避免地會受到各種污染，包括無機(jī)和有機(jī)殘留物。如果不加以處理，直接進(jìn)行引線鍵合操作，將會造成虛焊、脫焊、鍵合強(qiáng)度偏低等問題。有些鍵合雖然拉力測試值較大，但是拉脫處幾乎不留焊點(diǎn)。這些都將導(dǎo)致電路長期可靠性沒有保障。

等離子體是由正離子、負(fù)離子和自由電子等帶電粒子和不帶電的中性粒子如激發(fā)態(tài)的分子以及自由基組成的部分電離的氣體，由于其正負(fù)電荷總是相等的，故稱之為等離子體。一些非聚合性無機(jī)氣體（Ar、N2、O2等）在高頻低壓下被激發(fā)，產(chǎn)生含有離子、激發(fā)態(tài)分子和自由基等多種活性粒子的等離子體。通過等離子轟擊可以使基板和芯片表面的污染物解吸附，有效清除鍵合區(qū)的污染物，提高鍵合區(qū)表面化學(xué)能及浸潤性，因此在引線鍵合前進(jìn)行等離子清洗，可大大降低鍵合的失效率，提高產(chǎn)品可靠性。

2 工藝過程

在電鍍Ni-Au（1 μm/4 μm）金屬膜層的氧化鋁陶瓷基板、電鍍CuNiAu（10 μm/1 μm/0.2 μm）膜層的高頻板（聚四氟乙烯玻璃纖維增強(qiáng)5880層壓板，以下簡稱5880基板）等制作完成后，電路組裝之前，基板表面不可避免地會引入有機(jī)污染物，這將導(dǎo)致后續(xù)引線鍵合過程中鍵合不上或鍵合引線拉力值減小，使得可靠性下降。等離子清洗可以通過離子轟擊使基板和芯片表面的污染物雜質(zhì)解吸附并去除雜質(zhì)，使得引線鍵合拉力值提高，可靠性提高?；诘入x子清洗的需求，確定本課題的研究內(nèi)容為：（1）不同的工藝氣體等離子清洗工藝研究；（2）不同的基板材質(zhì)等離子清洗工藝研究。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)所用的設(shè)備、儀器及工具包括13.6 MHz等離子清洗機(jī)DQX-206C、West bond 7476E型手動鍵合機(jī)、COINNING延展率為1%～2.5%的25 μm金絲、Dage4000拉力測試儀、鑷子、一次性無粉塵乳膠指套等。

2.2 不同工藝氣體的等離子清洗工藝研究

實(shí)驗(yàn)方法：首先在清洗之前對兩個載體進(jìn)行鍵合拉力測試，然后對兩個載體進(jìn)行不同氣體的等離子清洗，第一種為單獨(dú)使用氬氣進(jìn)行清洗，第二種為先氧氣清洗再進(jìn)行氬氣清洗。然后對清洗后的載體進(jìn)行鍵合拉力測試。通過拉力值數(shù)據(jù)分析，最后確定等離子清洗的工藝氣體，再進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

先采用氬離子體轟擊再進(jìn)行氧離子轟擊后，基板表面鍵合效果差，拉力測試基本不留焊點(diǎn)，工藝氣體為氬氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1，工藝氣體為氧氣和氬氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

對以上實(shí)驗(yàn)進(jìn)行二次驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果重復(fù)性較好，實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論：

（1）氬氣等離子清洗后，基板容易鍵合，進(jìn)行破壞性拉力測試后金絲從根部拉斷，鍵合力有明顯提高；

（2）先氧離子后氬離子清洗后，基板不易鍵合，破壞性拉力測試后鍵合區(qū)沒有鍵殘留痕跡，鍵合力沒有明顯提高。

表1 工藝氣體為氬氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（拉力值/g.f）*

表2 工藝氣體為氧氣/氬氣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果（拉力值/g.f）*

綜上所述，氬氣等離子清洗是通過氬離子轟擊被清洗基板表面，將污染物（主要是氧化物）剝離清洗件表面，更利于金-金熱超聲鍵合過程中金屬鍵的形成，提高鍵合可靠性和鍵合一致性。

2.3 不同基板材質(zhì)等離子清洗工藝研究

實(shí)驗(yàn)方法：實(shí)驗(yàn)生產(chǎn)中主要用到的基板是薄膜陶瓷基板和5880基板，首先通過前期摸索確定等離子清洗的工藝參數(shù)范圍，在清洗之前對每個載體進(jìn)行鍵合拉力測試，然后對每種載體進(jìn)行不同工藝參數(shù)的等離子清洗，再對清洗后的載體進(jìn)行鍵合拉力測試。通過拉力值數(shù)據(jù)分析，確定等離子清洗的工藝參數(shù)，最后進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

表3 氧化鋁基板等離子清洗因素水平表

表4 氧化鋁基板等離子清洗實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

從表4中可以得出以下結(jié)論：

（1）清洗功率為200 W時，鍵合拉力值增長率最大；

（2）清洗時間為900 s時，鍵合拉力值增長率最大；

（3）氣體流量為100 ml/min時，鍵合拉力值增長率最大。

對表4的最佳實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如表5所示。

表5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果表（實(shí)驗(yàn)組合方案）

清洗時間增加后，鍵合拉力均值小幅度下降；減小氣體流量至80 ml/min，鍵合拉力均值明顯降低。故最優(yōu)的參數(shù)組合為A2B3C1。

采用以上實(shí)驗(yàn)方法和過程對5880基板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，獲得5880基板的等離子清洗最佳參數(shù)為功率200 W，清洗時間600 s，氣體流量150 ml/min。

2.4 等離子清洗的時效性工藝研究

對表面Au層的氧化鋁陶瓷基板和5880基板進(jìn)行等離子清洗處理前后以及存放時間對鍵合力的影響進(jìn)行監(jiān)控，對每個階段的十組測試結(jié)果取平均值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 等離子清洗的時效性結(jié)果（拉力值/g.f）*

*清洗參數(shù)：功率300 W；清洗時間：600 s；氬氣流量：100 ml/min。

通過表6可以看出，經(jīng)過等離子處理之后2 h內(nèi)，鍵合拉力值提高較大，且拉力值穩(wěn)定，3 h時鍵合拉力值有所降低，4 h及以后鍵合拉力值降低很多。所以等離子處理后的2 h內(nèi)是最佳的存放時間范圍。

3 結(jié)論

通過對鍵合前基板進(jìn)行等離子清洗工藝參數(shù)的摸索和實(shí)驗(yàn)，確定了電鍍Au膜層的陶瓷基板和5880基板的最佳清洗參數(shù)，同時獲得基板清洗后的最佳鍵合存放時間范圍，為提高微組裝中金絲鍵合強(qiáng)度和產(chǎn)品可靠性提供一定的參考。

[1]孫瑞婷.微組裝技術(shù)中的金絲鍵合工藝研究[J].艦船電子對抗,2013,36(4):116-120.

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

[3]師筱娜，柳國光，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.

Research of Substrate Cleaning Process for Better Wire Bonding Reliability

ZENG Yumei1,2,WANG Kang2,LI Hongyan2,3
（1.Hebei Far-East Communication System Engineering Co.Ltd,Shijiazhuang 050035,China；2.China Electronics Technology Group Corporation No.54 Research Institute,Shijiazhuang 050081,China；3.China Communication System Co.,Ltd.Heber Branch,Shijiazhuang 050081,China）

Wiring bonding reliability can be effectively improved by plasma cleaning.In the paper,the surface of substrate presents better wire bonding performance after cleaned by Ar plasma and the bonder remains after pulling test.The best parameters for 5880 substrate include 200 W ultrasonic power,600 s cleaning time and 150 ml/min gas flow.Wire binding within 2 hours after cleaning achieves the bestperformance.

plasma;wire bonding;cleaning parameters

TN305.97

A

1681-1070（2017）07-0040-03

曾玉梅（1984—），女，廣西桂林人，畢業(yè)于桂林電子科技大學(xué)，現(xiàn)就職于中國電子科技集團(tuán)公司第54研究所，主要從事微封裝工藝研究工作。

2017-2-7

國家自然科學(xué)基金項目（61404119）