等離子清洗在引線框架封裝工藝中的應(yīng)用

摘要：

本文以 SOP008L 為例，通過對(duì)等離子清洗前后引線框架水滴角對(duì)比試驗(yàn)，工藝實(shí)驗(yàn)達(dá)到預(yù)期的效果，符合封裝工藝的實(shí)際情況。研究結(jié)論對(duì)提高封裝產(chǎn)品的可靠性提供了相應(yīng)的參考依據(jù)。

0 引言

隨著 IC 制造技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的封裝形式已經(jīng)不能夠滿足現(xiàn)階段集成電路對(duì)于高性能、高集成度、高可靠性的要求。隨著電路框架結(jié)構(gòu)尺寸的逐漸縮小，芯片集成與封裝工藝的不斷提高，對(duì)于高質(zhì)量芯片的需求也在不斷提高，然而在整個(gè)封裝工藝過程中存在的污染物一直困擾著生產(chǎn)工程人員。

等離子是正離子和電子密度大致相同的電離氣體，等離子清洗機(jī)通過對(duì)氬氣進(jìn)行電離，產(chǎn)生的等離子體通過電磁場(chǎng)加速，擊打在鍍銀層及芯片鋁墊表面，可以有效去除鍍銀層表面及鋁墊表面的有機(jī)物、環(huán)氧樹脂、氧化物、微顆粒物等沾污物，提高鍍銀層表面及鋁墊表面的活性，從而有利于壓焊鍵合。

1 等離子清洗介紹

采用 Ar 和 H 2 的混合氣體對(duì)引線框架表面進(jìn)行等離子清洗，可以有效去除表面的雜質(zhì)沾污、氧化層等，從而提高銀原子和銅原子活性，大幅提高焊線與引線框架的結(jié)合強(qiáng)度，提高產(chǎn)品良率，在實(shí)際生產(chǎn)中，等離子清洗已成為銅線工藝的必須工序。

1.1等離子清洗原理

當(dāng)?shù)入x子體與被清洗物體表面相互作用時(shí)，一方面利用等離子體或者是等離子激活的化學(xué)活性物質(zhì)與材料表面污物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，如用等離子體中的活性氧與材料表面的有機(jī)物進(jìn)行氧化反應(yīng)。等離子體與材料表面有機(jī)污物作用，把有機(jī)污物分解為二氧化碳、水等排出。另一方面利用等離子的高能粒子對(duì)污物轟擊等物理作用，如用活性氬等離子體清洗物件表面污物，轟擊使其形成揮發(fā)性污物被真空泵排出。

在實(shí)際生產(chǎn)中使用化學(xué)和物理方法同時(shí)進(jìn)行清洗，其清洗速率通常比單獨(dú)使用物理清洗或化學(xué)清洗快。在引線框架封裝工藝中，采用氬氣與氫氣混合的物理化學(xué)清洗方法，但考慮到氫氣的易爆性，需嚴(yán)格控制混合氣體中氫氣的含量。其反應(yīng)原理如圖 1所示。

1.2腔體式等離子清洗機(jī)

本文采用腔體式等離子清洗機(jī)進(jìn)行工藝試驗(yàn)。該設(shè)備為低溫低壓射頻等離子清洗設(shè)備，其原理是基于真空狀態(tài)下，利用射頻源激發(fā)形成的高壓交變電場(chǎng)將工藝氣體震蕩成等離子體，與有機(jī)污染物及微顆粒污染物反應(yīng)或者碰撞，從而形成揮發(fā)性物質(zhì)，最后由真空泵將揮發(fā)性物質(zhì)排出去，從而達(dá)到表面清潔活化的目的。腔體式等離子清洗機(jī)的最大特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)整體和局部以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)的清洗，同時(shí)該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了引線框架的自動(dòng)傳輸清洗，兩托盤相互交換接送料又提高了生產(chǎn)效率，單個(gè)引線框架清洗實(shí)現(xiàn)了對(duì)整體及局部位置的剝離式清洗，又無廢液，污染源產(chǎn)生。腔體式等離子清洗機(jī)結(jié)構(gòu)及內(nèi)部構(gòu)造如圖 2、圖 3 所示。

（1）清洗機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

● 清洗倉(cāng)：提供真空環(huán)境完成等離子體清洗。

● 射頻系統(tǒng)：提供高頻電壓，激發(fā)等離子體。

● 真空系統(tǒng)：用于抽真空，以提供 90 Pa 以下負(fù)壓工作條件。

● 物料傳輸系統(tǒng)：對(duì)產(chǎn)品提供物料旋轉(zhuǎn)傳輸。

● 控制系統(tǒng)：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)多種工作模式。

● 通信系統(tǒng)：與工廠信息化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。

（2）等離子清洗工藝流程如圖 4 所示。

1.3等離子清洗的用途

（1）表面清洗：清洗金屬表面油脂、油污、以及肉眼看不到油脂顆粒等有機(jī)物及氧化層。

（2）表面刻蝕：通過處理氣體的作用，被刻蝕物會(huì)變成氣相排出。

（3）表面改性：以聚四氟乙烯（PTFE）為例，在其未做處理的情況下，不能印刷或粘合。使用等離子處理可以使表面最大化，同時(shí)在表面形成一個(gè)活性層，這樣 PTFE 就能進(jìn)行粘合、印刷操作。

（4）表面活化：主要用于清理塑料、玻璃、陶瓷與聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚四氟（PTFE）、聚甲醛（POM）等無極性材料的。

（5）表面涂鍍：在等離子涂鍍中，兩種氣體同時(shí)進(jìn)入反應(yīng)艙，氣體在等離子環(huán)境下會(huì)聚合。這種應(yīng)用比活化和清洗要求嚴(yán)格得多。典型的應(yīng)用是形成保護(hù)膜，用于燃料容器，防刮表層，類似聚四氟（PTFE）材質(zhì)的涂鍍，防水鍍層等。

2 等離子清洗在封裝工藝中的應(yīng)用

2.1 引線框架封裝工藝

在封裝行業(yè)的整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈中，封裝與測(cè)試芯片是走向市場(chǎng)的最后一個(gè)工藝環(huán)節(jié)，因此封裝與測(cè)試工藝的好壞直接決定了芯片質(zhì)量可靠性及使用壽命，也對(duì)產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率有很大的影響。從某種意義上講封裝是制造產(chǎn)業(yè)與市場(chǎng)需求之間的紐帶，只有封裝好才能成為終端產(chǎn)品。

2.2 等離子清洗在引線框架封裝中的應(yīng)用

在電子封裝行業(yè)中，使用等離子清洗技術(shù)，目的是增強(qiáng)焊線 / 焊球的焊接質(zhì)量及芯片與環(huán)氧樹脂塑封料之間的粘結(jié)強(qiáng)度。為了更好地達(dá)到等離子清洗的效果，需要了解設(shè)備的工作原理與構(gòu)造，根據(jù)封裝工藝，設(shè)計(jì)可行的等離子清洗料盒及工藝。

封裝工藝直接影響引線框架芯片產(chǎn)品的成品率，而在整個(gè)封裝工藝環(huán)節(jié)中出現(xiàn)問題的最大來源就是芯片與引線框架上的顆粒污染物、氧化物及環(huán)氧樹脂等污染物。針對(duì)這些不同污染物出現(xiàn)環(huán)節(jié)的不同，在不同的工序前可增加不同的等離子清洗工藝，其應(yīng)用一般分布在點(diǎn)膠前、引線鍵合前、塑封前等。

晶圓清洗：清除殘留光刻膠。

封裝點(diǎn)銀膠前：使工件表面粗糙度及親水性大大提高，有利于銀膠平鋪及芯片粘貼，同時(shí)可大大節(jié)省銀膠的使用量，降低成本。

壓焊前清洗: 清潔焊盤，改善焊接條件，提高焊線可靠性及良率。

塑封：提高塑封料與產(chǎn)品粘結(jié)的可靠性，減少分層風(fēng)險(xiǎn)。

BGA、PFC 基板清洗：在貼裝前對(duì)基板上的焊盤進(jìn)行等離子體表面處理，可使焊盤表面達(dá)到清潔、粗化和活化的效果，極大地提高了貼裝的一次成功率。

引線框架清洗：經(jīng)等離子體處理可達(dá)到引線框架表面超凈化和活化的效果，提高芯片的粘接質(zhì)量。

2等離子清洗實(shí)驗(yàn)

等離子清洗效果除與等離子清洗設(shè)備的參數(shù)設(shè)置有關(guān)外，也與樣品形狀及樣品的料盒有關(guān)。在料盒選擇方面，一般選用鏤空料盒，如圖 5 所示。

鏤空料盒可讓盡可能多的等離子氣體進(jìn)入到料盒內(nèi)部，并且不干擾等離子氣體的流動(dòng)方向與流動(dòng)速度。一般選用鋁合金材質(zhì)，因?yàn)槠渚哂辛己玫募庸ぬ匦?，同時(shí)質(zhì)量輕，便于運(yùn)輸。玻璃和陶瓷材質(zhì)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(yùn)輸與操作。等離子清洗設(shè)備的反應(yīng)室主要分為感應(yīng)耦合“桶式”反應(yīng)室、電容耦合“平行平板”反應(yīng)室、“順流”反應(yīng)室三種。目前，國(guó)內(nèi)集成電路生產(chǎn)企業(yè)基本使用進(jìn)口設(shè)備，采用第三種模式，其優(yōu)點(diǎn)是具有均勻的等離子體區(qū)，射頻電源及匹配網(wǎng)絡(luò)不受負(fù)載影響，不損傷敏感器件。

目前在微電子行業(yè)廣泛使用的是射頻等離子體，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 6 所示。

3.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用封裝領(lǐng)域廣泛使用的 SOP008L 引線框架為試驗(yàn)材料，如圖 7 所示。

3.2 主要技術(shù)參數(shù)

射頻電源：13.56 MHz，功率自行設(shè)定；

真空泵：干泵，＜40 Pa ；

清洗倉(cāng)有效尺寸：長(zhǎng) 480 mm，寬 300 mm，高330mm；

清洗層數(shù)：1~6 層，可根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格定制清洗架；

射頻清洗時(shí)間：自行設(shè)定，連續(xù)可調(diào)；

清洗效果：?jiǎn)螌邮角逑?，水滴角?0°。

3.3 清洗實(shí)驗(yàn)

本次試驗(yàn)采用芬蘭產(chǎn)的 THETA 型號(hào)接觸角測(cè)試儀對(duì)實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行水滴角的測(cè)量。

（1）在材料未進(jìn)行等離子清洗前，對(duì)材料表面進(jìn)行水滴角的測(cè)量，測(cè)得的接觸角為 80°左右；

（2）在線等離子清洗機(jī)實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的功率為300 W，真空度為 100 Pa，工藝氣體選擇氬氫混合氣，流量為 10 ml/min，清洗時(shí)間為 20 s。材料經(jīng)過等離子清洗后，測(cè)得的接觸角均在 23°以下，如表 1所示。

通過接觸角實(shí)驗(yàn)清洗前后測(cè)試結(jié)果可知，經(jīng)過在線式等離子機(jī)清洗后，引線框架上的接觸角由未清洗前的 83°降低到了清洗后的 23°以下，這說明通過在線等離子機(jī)清洗能夠有效去除框架表面的各種污染物，從而提高焊線的強(qiáng)度，降低封裝過程中芯片分層現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

通過對(duì)等離子清洗前后引線框架水滴角對(duì)比試驗(yàn)的分析與研究，發(fā)現(xiàn)清洗后的引線框架水滴角會(huì)有明顯的減小，能有效地去除其表面的污染物及顆粒物，有利于提高引線鍵合的強(qiáng)度和降低封裝過程中芯片分層的發(fā)生，這對(duì)于提高芯片本身的質(zhì)量和使用壽命提供了相應(yīng)的參考依據(jù)，為提高封裝產(chǎn)品的可靠性提供了一定的借鑒。