等離子清洗在引線框架封裝工藝中的應用

高曉偉，劉彥利

(中國電子科技集團公司第二研究所,山西 太原 030024)

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)階段集成電路對于高性能、高集成度、高可靠性的要求[1]。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，對于高質(zhì)量芯片的需求也在不斷提高，然而在整個封裝工藝過程中存在的污染物一直困擾著科研人員，從利于環(huán)保，清潔均勻性等因素方面考慮可采用單片的在線式等離子清洗工藝[2]。同時近幾年隨著國家對于芯片自主可控的重視，芯片質(zhì)量、可靠性等關(guān)鍵因素顯的格外重要。

1 等離子清洗

1.1 等離子清洗原理

本文以射頻電容耦合所產(chǎn)生的等離子體為基礎(chǔ)，通過外部施加的高頻電場產(chǎn)生加速作用引起氣體電離。輝光放電所形成的等離子體中有電子、正離子、亞穩(wěn)態(tài)的分子和原子等[3]。

當?shù)入x子體與被清洗物體表面相互作用時，一方面利用等離子體或者是等離子激活的化學活性物質(zhì)與材料表面污物進行化學反應，如用等離子體中的活性氧與材料表面的有機物進行氧化反應[4]。等離子體與材料表面有機污物作用，把有機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。

在實際生產(chǎn)中使用化學和物理方法同時進行清洗，其清洗速率通常比單獨使用物理清洗或化學清洗快。在引線框架封裝工藝中，可采用氬氣與氫氣混合的物理化學清洗方法，但考慮到氫氣的易爆性，需嚴格控制混合氣體中氫氣的含量[5]。

1.2 在線等離子清洗機

本研究中采用在線式等離子清洗設備進行工藝試驗。該設備為低溫低壓射頻等離子清洗設備，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將工藝氣體震蕩成等離子體，與有機污染物及微顆粒污染物反應或者碰撞，從而形成揮發(fā)性物質(zhì)，最后由真空泵將這些揮發(fā)性物質(zhì)排出去，從而達到表面清潔活化的目的。最大特點是可實現(xiàn)整體和局部以及復雜結(jié)構(gòu)的清洗，同時該設備實現(xiàn)了引線框架的自動傳輸清洗，兩托盤相互交換接送料又提高了生產(chǎn)效率，單個引線框架清洗實現(xiàn)了對整體及局部位置的剝離式清洗，又無廢液，污染源產(chǎn)生[6]。在線式等離子清洗設備結(jié)構(gòu)如圖1所示，在線等離子清洗工藝流程如圖2所示。

圖1 在線等離子清洗機

圖2 等離子清洗工藝流程

2 引線框架封裝工藝

在封裝行業(yè)的整個產(chǎn)業(yè)鏈中，封裝與測試芯片是走向市場化的最后一個工藝環(huán)節(jié)，因此封裝與測試工藝的好壞直接決定了芯片質(zhì)量可靠性及使用壽命，也對產(chǎn)品的市場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)與市場需求之間的紐帶，只有封裝好才能成為終端產(chǎn)品。經(jīng)過多年來封裝行業(yè)的不斷研究與發(fā)展，引線框架的封裝工藝也發(fā)生了很大的變化，但其大致可分為以下幾個步驟。

1) 晶圓制造、切割：制造所需的晶圓，將加工完成的晶圓上一顆顆晶粒切割分離。

2) 點膠，黏晶：在晶粒座預定粘結(jié)晶粒的位置上點上銀膠，經(jīng)過切割的晶圓上的晶粒一顆顆的放在已點銀膠的晶座上。

3) 焊線：目的是將晶粒上的接點以極細的金線連接到導線架上引腳。

4) 封膠、檢測：給芯片包覆外殼。

5) 印字：注明產(chǎn)品規(guī)格，制造者。

6) 剪切成型。

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。如何去除這些污染物一直是人們關(guān)注的問題。等離子清洗工藝為這些問題提供了經(jīng)濟有效且無環(huán)境污染的解決方案，針對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，因可能會導致產(chǎn)品報廢，所以選擇合適的等離子清洗工藝在引線框架封裝中是非常重要的，其應用一般分布在點膠前，引線鍵合前，塑封前等[7]。

3 等離子清洗實驗

3.1 實驗材料

采用封裝領(lǐng)域廣泛使用的引線框架為試驗材料，如圖3所示。

圖3 引線框架示意圖

3.2 清洗實驗

本次試驗采用芬蘭產(chǎn)的THETA型號接觸角測試儀對實驗材料進行水滴角的測量。

1) 在材料未進行等離子清洗前，對材料表面進行水滴角的測量，測得的接觸角為88度左右，材料表面滴水測得角度如圖4所示。

圖4 清洗前接觸角實驗結(jié)果

2) 在線等離子清洗機實驗時候采用的功率為300W，真空度為100 Pa，工藝氣體選擇氬氫混合氣，流量為10 ml/min，清洗時間為20 s。材料經(jīng)過等離子清洗后，測得的接觸角為20度以下。清洗后材料表面滴水測得的角度如題5所示。

圖5 清洗后接觸角實驗結(jié)果

通過接觸角實驗清洗前后測試結(jié)果可知，經(jīng)過在線式等離子機清洗后，引線框架上的接觸角由未清洗前的88度降低到了清洗后的20度以下，這說明通過在線等離子機清洗能夠有效去除框架表面的各種污染物，從而提高焊線的強度，去除封裝芯片時候出現(xiàn)的分層現(xiàn)象。

4 結(jié)語

通過對在線式等離子清洗機以及引線框架封裝工藝的分析研究，得到在線等離子清洗機可實現(xiàn)單片式引線框架的干凈清洗；通過對等離子清洗前后引線框架水滴角對比試驗的分析與研究，清洗后的引線框架水滴角會發(fā)生明顯的減小，能有效地去除其表面的污染物及顆粒物，對于提高引線鍵合的強度和降低封裝時候的分層現(xiàn)象有明顯的效果，從而對于提高芯片本身的質(zhì)量和使用壽命提供了相應的參考依據(jù)，可推動封裝產(chǎn)業(yè)更加快速的發(fā)展。