不同等離子清洗在半導(dǎo)體封裝中的應(yīng)用研究

李媛媛

摘要：等離子的清洗在半導(dǎo)體封裝中具有重要意義。等離子產(chǎn)生方式各不相同，根據(jù)其產(chǎn)生方式以及清洗方法，將等離子大致分為三類，直流等離子、頻射等離子、以及微波等離子。由于等離子之間存在差異，本文主要對三類等離子產(chǎn)生的原理進(jìn)行分析，進(jìn)而分析不同等離子清洗的清洗效果以及特點(diǎn)。分析不同等離子清洗效果對于半導(dǎo)體封裝的影響，找到最適合的清洗方式。旨在更深入的理解等離子清洗工藝以及等離子清洗在半導(dǎo)體封裝中的應(yīng)用，同時(shí)對于不同封裝選擇何種清洗方式具有借鑒指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：等離子;半導(dǎo)體封裝;清洗工藝

一、等離子清洗的優(yōu)勢以及在半導(dǎo)體封裝中

的應(yīng)用

（一）等離子清洗優(yōu)勢

等離子清洗最突出的特征就是無論是何種處理材料都能夠進(jìn)行清洗工作。等離子由于具有許多傳統(tǒng)溶劑清洗方式難以相媲美的優(yōu)勢，目前得到了廣泛的應(yīng)用。等離子清洗不需要清洗溶劑，高度環(huán)保;同時(shí)清洗速度快，只需幾秒鐘就可快速改變待清洗對象表面的性質(zhì)，效率極高;適應(yīng)面廣泛，不要求處理對象的材料類型，無論是各種金屬還是半導(dǎo)體，以及其他高分子材料，都能夠妥善處理;成本低廉，裝置花費(fèi)比較低，同時(shí)等離子清洗裝置便于操作，新手學(xué)習(xí)、操作起來比較容易，發(fā)生故障時(shí)維修手段也比較便利;控制裝置精確無誤，在嚴(yán)格操作下，可以不對清洗表面產(chǎn)生任何劃傷;可以有效避免二次污染。

（二）等離子在半導(dǎo)體封裝中的應(yīng)用

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體封裝的使用越來越頻繁，而在半導(dǎo)體裝置的制造中，幾乎所有的操作都不能缺少清洗工序。清洗的目的是徹底清除設(shè)備表面上的粒子、有機(jī)和無機(jī)雜質(zhì)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。目前等離子清洗技術(shù)由于其突出的優(yōu)勢已經(jīng)被社會(huì)上高度重視并得到了廣泛的認(rèn)可。

（1）銅引線框架：銅及其他有機(jī)污染物的氧化物會(huì)造成密封模塑和銅引線框架的分離，導(dǎo)致封裝后密封性能變差以及漏氣現(xiàn)象，影響芯片的粘合及引線接合質(zhì)量。在銅引線框的等離子清洗處理之后，可以去除有機(jī)物和氧化物層。同時(shí)活化和粗化表面，確保打線和封裝的可靠性。

（2）引線鍵合：引線鍵合的質(zhì)量對微電子器件的可靠性有決定性的影響。接合區(qū)域不能存在任何污染物，具有良好的鍵合特性。氧化物和有機(jī)污染物等污染物的存在明顯削弱了引線接合的拉力值。而等離子體清潔可以有效地去除表面污染，增加接合面積的粗糙度，并且可以明顯地改善引線的鍵合張力，并且可以大大提高封裝裝置的可靠性。

（3）倒裝芯片封裝：芯片和封裝載體板的等離子體處理不僅可以得到超純化的焊接面，而且可以大大提高焊接表面的活性，這可以有效防止虛焊接，減少空洞，減少填料的邊緣高度，提高了封裝的機(jī)械強(qiáng)度。降低因不同材料的熱膨脹系數(shù)而在界面間形成內(nèi)應(yīng)的剪切力，提高產(chǎn)品可靠性和壽命。

一、 不同等離子清洗原理

（一）等離子體發(fā)生機(jī)理

當(dāng)氣體被加以充足的能量便會(huì)離化成為等離子體，例如、電子、原子，光子等。當(dāng)通入直流電流發(fā)生電弧放電，就會(huì)激發(fā)通入的氣體，將其激發(fā)成直流等離子。直流等離子之外的常見的等離子有三種，其中激發(fā)頻率為四十KHZ的的等離子體為超聲等離子體，13.56MHZ的為頻射等離子體，2.45GHZ的等離子體為微波等離子體。頻射等離子是通過施加射頻范圍內(nèi)的交流電壓產(chǎn)生輝光放電，激發(fā)通入的氣體成為等離子體。微波等離子體是通過微波高能電磁場激發(fā)通入的氣體，讓其成為微波等離子體。

（二）等離子體清洗原理

由于等離子氣體的組成不同，因此清洗類型不盡相同。等離子體在與清洗對象表面想接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生不同的反應(yīng)，主要分為物理反應(yīng)以及化學(xué)反應(yīng)。物理反應(yīng)清洗原理就是使用活性粒子對待清洗對象表面進(jìn)行轟炸，污染物遭到擊落后被吸走，從而達(dá)到物體表面的清潔效果?；瘜W(xué)反應(yīng)顧名思義就是活性粒子與污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成其他能夠揮發(fā)的物質(zhì)，再將這些易揮發(fā)的物質(zhì)吸走。像微波等離子以及直流等離子都是主要采用化學(xué)反應(yīng)的原理來進(jìn)行清洗的。

而隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，射頻等離子體在清洗過程中則是同時(shí)采用了物理反應(yīng)原理與化學(xué)反應(yīng)原理，兩種清洗互相促進(jìn)，達(dá)到更好的清洗效果，減小對清洗對象的傷害。離子轟擊會(huì)削減化學(xué)鍵或者形成離子鍵，使得清洗表面更容易吸收反應(yīng)劑，離子產(chǎn)生的化學(xué)熱也使得化學(xué)反應(yīng)更容易進(jìn)行，清洗效果既具有選擇性又能提高效率，減小損傷。

如下表1是不同的類型等離子清洗時(shí)對應(yīng)的等離子氣體以及清洗原理。

二、 不同等離子清洗效果對比

分別使用直流等離子、頻射等離子以及微波等離子三種類型的等離子設(shè)備對于銅引線框以及芯片進(jìn)行清洗，觀察清洗效果，對比分析。

（一）清洗前后水滴角對比分析

在使用不同的等離子體進(jìn)行清洗后，使用水滴角測量儀進(jìn)行測量。水滴角測量儀是目前最常見的等離子清洗效果測定方式。具有測量結(jié)果準(zhǔn)確度高、易于操作、穩(wěn)定性極高的優(yōu)勢。檢測方式就是在清洗后的對象表面滴一定量的液體，從而檢測該液滴在物體表面的接觸角的大小，接觸角越大，說明清洗效果越差。水滴角測量儀在測量不同材質(zhì)的產(chǎn)品時(shí)，處理前后水滴角不相同，處理后的角度也并不統(tǒng)一。

為了提高測試準(zhǔn)確度，避免實(shí)驗(yàn)偶然性，測量清洗后的引線框同一位置，每種類型測試十個(gè)，測量結(jié)果如表2所示。

由表2可以發(fā)現(xiàn)，直流等離子清洗后的水滴角最大，微波等離子次之，頻射等離子清洗后水滴角最小。由此可見，頻射等離子的清洗效果最佳，微波等離子次之，直流等離子的清洗效果最差。上文中提出頻射等離子是物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行，因此清洗效果效率更高，效果更佳，能夠完全去除引線框表面的雜質(zhì)。

（二）清洗前后芯片焊盤元素的含量對比

使用電子能譜儀測試清洗前后的物體表面元素含量，進(jìn)而對比分析清洗效果。完成芯片的貼裝以及回流清洗之后，使用不同的離子鍵進(jìn)行清洗，測量微量元素的變化。

清洗前后，各項(xiàng)元素的含量均有不同程度的減少，說明三種方式清洗效果都比較良好，其中根據(jù)清洗后含量對比分析，頻射等離子的清洗效果最好，也證實(shí)了上文所述，物理反應(yīng)與化學(xué)反應(yīng)共同作用清洗下的效果最優(yōu)。

（三）清洗前后芯片表面的粗糙程度對比分析

使用電子顯微鏡進(jìn)行二千倍的放大處理，觀察清洗前后物體表面情況，發(fā)現(xiàn)了經(jīng)過清洗的物體表現(xiàn)變得更加粗糙，而且經(jīng)過射頻等離子清洗的芯片表面會(huì)比直流等離子和微波等離子清洗后的更為粗糙。

（四）清洗前后芯片聚酰亞胺鈍化層成分對比分析

在等離子清洗的過程中芯片表面的鈍化層由于受到物理反應(yīng)以及化學(xué)反應(yīng)，其聚合分子同樣會(huì)受到影響，對此通過X射線光電子能譜分析鈍化層表面的分子鍵情況進(jìn)行對比分析，檢測對比聚酰亞胺鈍化層的變化狀況。

結(jié)果發(fā)現(xiàn)直流等離子清洗后的聚酰亞胺表面碳分子鍵比例最大，微波等離子清洗后的聚酰亞胺表面碳分子比例最少。

三、 不同等離子清洗后封裝工藝對比

（一）不同等離子清洗后倒裝填料結(jié)果對比

結(jié)果發(fā)現(xiàn)微波等離子清洗對于降低填充后的氣孔數(shù)、降低氣孔率效果最為顯著。其他方式也能較好的降低氣孔數(shù)以及氣孔率，但是效果弱于微波等離子清洗技術(shù)。

（二）不同等離子清洗后鍵合拉力對比

對于鍵合之前的物品進(jìn)行等離子清洗，然后使用20μm .99.99%純度金絲進(jìn)行鍵合，鍵合設(shè)備為K&S Iconn，使用的劈刀為SU-30100 465F-ZU36TP。鍵合結(jié)束后，分別測量第一焊點(diǎn)（金絲與芯片鋁焊盤，鋁焊盤為99. 9%鋁材質(zhì)）推拉力和第二焊點(diǎn)（金絲與引線框鍍銀引腳焊接，引腳鍍銀純度為99%，鍍層厚度為4 μm）的拉力。經(jīng)過等離子清洗后，鍵合第一焊點(diǎn)推力和第二焊點(diǎn)拉力都有大幅度提升， 三種不同等離子對芯片鋁焊盤、引線框鍍銀焊盤都有較好的清洗效果，射頻等離子清洗后的第一焊點(diǎn)推力和第二焊點(diǎn)拉力都要好于其他兩種類型的等離子清洗。

（三）不同等離子清洗后與模塑料結(jié)合對比

用三種不同的等離子對封裝基板清洗后，直接對清洗后的裸基板進(jìn)行模塑包封，模塑封設(shè)備為TOWA Al，模塑封后進(jìn)行三次回流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表面，如果基板沒有經(jīng)過等離子清洗在三次回流后會(huì)出現(xiàn)木塑料和基板分離的狀況，而經(jīng)過等離子清洗的基板則可以避免分離問題。

經(jīng)過MSL3試驗(yàn)后沒有出現(xiàn)分層，但經(jīng)過MSL2a試驗(yàn)后都出現(xiàn)分層，經(jīng)過直流電流等離子清洗后的基板出現(xiàn)分層略少于射頻等離子清洗后的基板。由于射頻等離子清洗對基板表面有機(jī)物層具有更強(qiáng)的清潔和粗化效果，在使用射頻等離子清洗基板時(shí)必須控制好清洗時(shí)間和功率，避免清洗時(shí)造成基板表面過度蝕傷。

具體的模塑料結(jié)合狀況如下表7所示：

五、結(jié)論

本文首先介紹了等離子清洗的優(yōu)勢以及不同等離子清洗在半導(dǎo)體封裝中的廣泛應(yīng)用，進(jìn)而對于等離子清洗的原理以及不同等離子清洗進(jìn)行分析對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同的等離子清洗措施效果存在差異。通過清洗前后水滴角對比、芯片焊盤元素的含量對比、以及芯片表面的粗糙程度對比分析得出，射頻等離子的清洗效果均好于直流等離子以及微波等離子。而在對不同等離子封裝工藝進(jìn)行研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)微波等離子清洗對于降低填充后的氣孔數(shù)、降低氣孔率效果最為顯著;射頻等離子清洗后的第一焊點(diǎn)推力和第二焊點(diǎn)拉力都要好于其他兩種類型的等離子清洗;直流等離子清洗后的材料與模塑料的結(jié)合力最強(qiáng)。

由此得出，等離子清洗在半導(dǎo)體封裝中廣泛應(yīng)用能夠避免傳統(tǒng)清洗模式的諸多弊端，提高效率，節(jié)能環(huán)保。而不同等離子清洗有著各自的優(yōu)勢，在半導(dǎo)體封裝中也占據(jù)不同的影響，在實(shí)際生產(chǎn)生活中應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況對于不同方面的要求，選取最合適的等離子清洗方式，合理進(jìn)行選擇，提高清洗效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] C Lee， R Tan Check-Eng， J Ong Wai-Lian， et al. Plasma claning for plastic ball grid array （PBGA）： a study on surfac caniniss， wire bond ability and adhesion[CJ.IEEE，Physical & Falure Analyis of Integnted Circuits， 2002：133-136.

[2] 聶磊，蔡堅(jiān)，賈松良，王水弟.微電子封裝中等離子體清洗及其應(yīng)用[J].半導(dǎo)體技術(shù)， 2002，29（12）：30-34.

[3]邱碧秀.微系統(tǒng)封裝原理與技術(shù) [M].北京：電子工業(yè)出版社 ，2009， 39（5）： 722-724.

[4] Crippa D， Rode D L， Masi M. Silicon epitaxy [M]. Califor.nia： Academic Press， 2001： 295-343.

[5] 都基峻，季學(xué)李.低溫等離子體處理氣態(tài)污染物[J].污染防治技術(shù)， 2005（10）： 37-40.

[6] 苗利湘，等離子體噴涂高溫潤滑涂層的組織與力學(xué)性能研究.金屬材料與冶煉工程，2008.36（6），6-28

[7]譚衛(wèi)東. 胡征，等離子體化學(xué)基礎(chǔ)[J].化學(xué)時(shí)刊， 2017，17（6）： 36-39.

[8馬騰才，胡希偉，陳銀華.等離子體物理原理.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社， 2017，42（7）： 531-535.

[9] 李可為.集成電路芯片封裝技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.19-68

[10] N Komer，E Beck， A Dommann， et a. nyuos chemical leaning of matlic sbstrates and slicon wafer：p Surfie and Coatings Tehnolog，1995，76-77 （2）731-737.

[11] 周良知.微電子器件封裝—封裝材料與封裝技[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.57-64

[12]師筱娜，柳國光，廖鑫.微波等離子清洗技術(shù)及應(yīng)用[J].Defense Manufacture Technology ，2012，6（3）：40-42.

[13] N Onda， A Dommann， H Zimmermann， ct al. DC-Hydrogen.Plasma Cleaning in IC-packaging[C]. Proccedings of the 4th Annual Singapore Technical Conference on Asscmbly Packaging and IC Technology，1996：147-153.

[14] Hui Yuen Peng， Mutharasu Devarajan， Teik Toon Lee， et al.Comparison of radio frequency and microwave plasma treatments on LED chip bond pad for wire bond application [J].IEEE Transactions on Componcnts， Packaging， and Manufacturing Technology，2015，5（4）：1-1.