在線式等離子清洗在封裝中的應(yīng)用

劉 暢，馬 斌，馬 良

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024)

在我國IC產(chǎn)業(yè)鏈中IC封裝業(yè)是第一支柱產(chǎn)業(yè)，隨著IC器件尺寸不斷縮小和運算速度的不斷提高，封裝技術(shù)已成為極為關(guān)鍵的技術(shù)。封裝工藝好壞影響著產(chǎn)品的質(zhì)量及成本。未來集成電路技術(shù)的特征尺寸、芯片面積、芯片包含的晶體管數(shù)，以及其發(fā)展軌跡，都要求IC封裝技術(shù)朝微型化、低成本化、定制化、綠色環(huán)?；?、封裝設(shè)計早期協(xié)同化的方向發(fā)展。引線框架是一種借助于鍵合金絲實現(xiàn)芯片內(nèi)部電路引出端與外引線的電氣連接的芯片載體，是形成電氣回路的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，它起到了和外部導(dǎo)線連接的橋梁作用，絕大部分的半導(dǎo)體集成塊中都需要使用引線框架，是電子信息產(chǎn)業(yè)中重要的基礎(chǔ)材料。在IC封裝工藝中存在的污染物是影響其發(fā)展的重要因素，如何解決掉這方面的問題一直困擾著人們。在線式等離子清洗技術(shù)是一種無任何環(huán)境污染的干式清洗方式，即可解決這一問題。

1 IC封裝基本原理

IC封裝一方面起著安裝、固定、密封、保護芯片及增強電熱性能等方面的作用，另一方面它通過芯片上的接點用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印刷電路板上的導(dǎo)線與其他器件相連接，從而實現(xiàn)內(nèi)部芯片與外部電路的連接。同時芯片必須與外界隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。

IC封裝技術(shù)已經(jīng)歷了好幾代的變遷，從DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，多達幾十種，適用頻率越來越高，耐溫性能越來越強，引腳數(shù)越來越多，引腳間距減小，重量減小，可靠性提高，技術(shù)指標(biāo)一代比一代先進，包括芯片面積與封裝面積之比越來越接近于1，使用更加方便等等。IC封裝產(chǎn)品之一結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 IC封裝產(chǎn)品之一結(jié)構(gòu)圖

2 IC封裝工藝流程

在IC封裝工藝中封裝好才能成為終端產(chǎn)品，從而投入實際應(yīng)用。IC封裝工藝分為前段工藝、中段工藝及后段工藝，IC封裝工藝經(jīng)過不斷地發(fā)展產(chǎn)生了很大的變化，其前段可分為以下幾個個步驟：

藎貼片：使用保護膜和金屬框架將硅片固定切割成單個芯片前的硅片；

藎劃片：將硅片切割成單個芯片并對其進行檢測；

藎裝片：在引線框架上的相應(yīng)位置點上銀膠或絕緣膠，并從劃片貼膜上將切割好的芯片取下，粘接在引線框架固定位置上；

藎鍵合：用金線將芯片上引線孔和框架襯墊上的引腳連接，連接芯片與外部電路；

藎塑封：塑封元件的線路。加強元件的物理特性，保護元件免受外力損壞；

藎后固化：對塑封材料固化，使其有足夠的硬度和強度經(jīng)過整個封裝過程。

3 等離子清洗原理及設(shè)備

3.1 等離子體

等離子體是由離子、電子、自由激進分子、光子以及中性粒子組成的正離子和電子密度大致相等的電離氣體，整體呈電中性。

3.2 清洗原理

等離子清洗是等離子體對樣片的表面進行處理，使樣品表面的污染物被去除，還可以提高其表面活性。針對不同的污染物，可以采用不同的清洗工藝，根據(jù)所產(chǎn)生的等離子體種類不同，等離子清洗分為化學(xué)清洗、物理清洗及物理化學(xué)清洗。

3.3 在線式等離子清洗設(shè)備

等離子清洗設(shè)備的原理是在真空下，然后利用交流電場使工藝氣體成為等離子體，并與有機污染物及微顆粒污染物反應(yīng)或碰撞形成揮發(fā)性物質(zhì)，由工作氣體流及真空泵將這些揮發(fā)性物質(zhì)清除出去，從而使工件達到表面清潔活化。等離子清洗是剝離式清洗，等離子清洗的特點是清洗之后對環(huán)境無污染。在線式等離子清洗設(shè)備是在成熟的等離子體清洗工藝技術(shù)和設(shè)備制造基礎(chǔ)上，增加上下料、物料傳輸?shù)茸詣踊δ?。針對IC封裝中引線框架上點膠裝片、芯片鍵合及塑封等工藝前清洗，大大提高粘接及鍵合強度等性能的同時，避免人為因素長時間接觸引線框架而導(dǎo)致的二次污染以及腔體式批量清洗時間長有可能造成的芯片損傷。圖2為在線等離子清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)。

圖2 等離子清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 主要結(jié)構(gòu)

3.4.1 上下料系統(tǒng)

料盒從上料臺上自動運動至料盒夾中，通過料盒夾取機構(gòu)將料盒夾至工作位。料片推桿機構(gòu)通過料片夾將料片夾至反應(yīng)倉移動倉底。下料時通過相反過程，將料片送回至料盒。即料盒對料盒的模式，避免人工接觸。推料及夾取料片均采用光纖傳感器進行檢測，避免空流程及卡料。在推料過程中可檢測料片數(shù)量。圖3為上下料結(jié)構(gòu)圖。

圖3 上下料結(jié)構(gòu)圖

3.4.2 物料傳輸系統(tǒng)

料片被夾取至反應(yīng)倉移動倉底后，倉底通過直線定位系統(tǒng)移動至反應(yīng)倉蓋正下方，利用真空提升系統(tǒng)將倉底與倉蓋閉合進行射頻等離子清洗，同時另外一個移動倉底進行上料流程。清洗結(jié)束后，兩個移動倉底交換位置，反復(fù)進行，直至清洗流程結(jié)束。每個托盤可放置4片料片，并可以避免靜電在運動中產(chǎn)生。圖4為物料傳輸系統(tǒng)。

圖4 物料傳輸系統(tǒng)

3.4.3 真空提升系統(tǒng)

射頻等離子清洗發(fā)生部位。倉體利用干式真空泵進行抽真空，真空規(guī)進行真空檢測。當(dāng)真空度達到要求后，充工藝氣體，并振蕩成等離子態(tài)進行清洗。清洗后倉體充入壓縮空氣氣進行凈化和平衡。圖5為真空提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖5 真空提升系統(tǒng)

4 等離子清洗在LED封裝工藝中的應(yīng)用

等離子清洗是種無污染剝離式清洗。在使用等離子清洗時,不同芯片的清洗工藝有很大區(qū)別，如金屬芯片表面為防止被氧化則不能用氧氣清洗。等離子清洗工藝在LED封裝中的應(yīng)用大致可分為：

（1）點膠裝片前：基板上點銀膠時如果存在污染物，則銀膠就容易成圓球狀，降低芯片粘結(jié)度。在這里采用等離子清洗可以增大工件表面粗糙度，從而有利于銀膠點膠的成功。同時還可節(jié)省銀膠的使用量，降低成本。

（2）引線鍵合前：芯片在引線框架基板上粘貼后，要經(jīng)過高溫使之固化。如果芯片表面存在污染物，就會影響引線與芯片及基板間的焊接效果，使鍵合不完全或粘附性差，強度低。在引線鍵合前運用等離子清洗，會顯著提高其表面活性提高鍵合強度及鍵合引線的拉力均勻性。

（3）塑封固化前：污染物的存在還會導(dǎo)致注環(huán)氧樹脂過程中氣泡的形成，氣泡會使芯片容易在溫度變化中損壞，降低芯片的使用壽命。等離子清洗會使芯片與基板更加緊密的和膠體相結(jié)合，減少氣泡的形成，同時也可以顯著提高元件的特性。

對芯片進行接觸角測試，得出未進行等離子清洗的樣品接觸角大約為39°～65°；而已進行過化學(xué)等離子清洗的芯片的接觸角大約為15°～20°；對芯片進行物理反應(yīng)等離子體清洗過后其接觸角為20°～27°。說明對封裝中的芯片進行等離子的表面處理是有一定效果的。以下為等離子清洗前后銅引線框架用接觸角檢測儀進行檢測的接觸角對比，圖中清洗前接觸角范圍在46°～50°，清洗后接觸角范圍在14°～24°，滿足芯片表面處理需求。

圖6 等離子清洗前后工件表面接觸角對比

5 結(jié)束語

當(dāng)今集成電路工藝水平按照摩爾定律飛速發(fā)展，微電子制造技術(shù)成為代表先進制造技術(shù)的前沿技術(shù)，也是衡量一個國家制造水平和關(guān)系國家安全的重要標(biāo)準(zhǔn)。隨著IC芯片集成度的增加，芯片引腳數(shù)增多，引腳間距減小，芯片與基板上的顆粒污染物、氧化物及環(huán)氧樹脂等污染物必將很大程度上制約著IC封裝行業(yè)的飛速發(fā)展，而有利于環(huán)保、清洗均勻性好、重復(fù)性好、可控性強、具有三維處理能力及方向性選擇處理的在線式等離子清洗工藝應(yīng)用到IC封裝工藝中，必將推動IC封裝行業(yè)更加快速的發(fā)展。

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