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淺析多次等離子清洗對引線鍵合質量可靠性的影響

日期：2023-02-27 09:02:18 點擊：0

0 引言

目前集成電路的發(fā)展趨勢是小型化、高集成度、大功率，客戶對芯片封裝可靠性的要求越來越高，對封裝過程與工藝提出了許多新的要求。芯片封裝過程中，鍵合失效與分層異常占整體封裝異常的 80%，這是因為引線框架的鍵合區(qū)域在生產過程中受到有機物和無機物的污染，不加以處理而直接鍵合將造成鍵合強度偏低及鍵合應力差異較大等問題，導致產品的長期可靠性沒有保證。近些年，等離子清洗作為一種高效實用的清潔技術已在封裝行業(yè) 中被廣泛應用，等離子清洗可以有效清除鍵合區(qū)域的污染物，提高鍵合區(qū)表面化學能及浸潤性，降低鍵合的失效率，提高產品的長期可靠性。

1 等離子清洗原理

等離子體是由帶電粒子（如正離子、負離子和自由電子等）和不帶電的中性粒子（如激發(fā)態(tài)分子以及自由基組成的部分電離的氣體分子）組成，由于其正負電荷總是相等的特性，將其稱為等離子體，是物質常見的固體、液體、氣態(tài)以外的第四種狀態(tài)。

等離子清洗的反應機理如圖 1 所示，通常包括以下過程：反應氣體被離解為等離子體；等離子體作用于固體表面分子反應生成產物分子；產物分子與殘余物脫離固體表面。由于等離子體中的電子、離子和自由基等活性粒子的存在，其本身很容易與固體表面發(fā)生反應，這種反應可分為物理的或化學的。

1.1 化學等離子清洗

化學等離子清洗是使用反應性等離子體清除污染物，以化學反應為主的等離子體清洗，通常使用 O2 或者 H2 形成的等離子體與物體表面進行反應。氧氣等離子體經過氧化反應可以使非揮發(fā)性的有機物生成易揮發(fā)的 H2O 和 CO2，反應過程如圖 2 中所示，氫氣等離子體可以通過還原反應去除金屬表面的氧化層，反應過程如圖 3 中所示。

1.2 物理等離子清洗

物理等離子清洗是以物理反應為主的等離子體清洗，反應氣體通常為惰性氣體（如氬氣、氮氣等）。反應過程如圖 4 所示，其原理為利用等離子體內高能量物質的活化作用及對污染物的轟擊作用, 使其形成揮發(fā)性物質被真空泵排出，從而達到清洗的目的。

2 等離子清洗效果1的檢測方法及原理

在芯片封裝過程中，引線框架表面的污染物對鍵合質量有著決定性的影響，但是污染物含量直接檢測很難，因此我們采用液滴與框架表面的結合能力來間接反應框架表面的清潔狀況。

物體之間的結合能力用黏附功體現，不同物態(tài) 的兩部分接觸，其表面自由能：

W 粘 =γ 液（1+COSθ）

式中，W 粘，代表物體之間的黏附功，γ 液代表液體表面的自由能，θ 代表物體與液體之間的夾角。液體自由能為自身特性常數基本保持不變，因此，液體與物體的夾角就能反映出二者的結合能力，當我們使用的液體為去離子水時，我們稱這個夾角為水滴角，如圖 5 所示；實際測量中，我們采用水滴角測量儀進行測量，圖 6 所示為水滴角測量界面。

3 等離子清洗參數對清洗效果的影響試驗

3.1 功率對清洗效果的影響試驗

功率在等離子清洗過程中起到關鍵作用，清洗功率增大，氣體被離解出的粒子數量增加，參與反應的粒子數量增加，一定的清洗時間內達到提升清洗效率的作用；同時清洗功率增大后，粒子能量和活性得到了提升，加劇了粒子與物體表面污染物的化學反應及對物體表面的物理轟擊作用。

選擇試驗樣品為封裝形式 SOP008-12P 裸銅引線框架，分別使用不同清洗功率進行等離子清洗后，測量出的水滴角變化如圖 7 所示，在逐步提高處理功率的過程中，水滴角隨著功率的提升而減小，當功率超過一定數值后，水滴角會隨著功率的提升而增大，Yasuda（1985）在等離子對物體表面影響中做出了分析，處理粒子的能量過強，物體表面會由于等離子的熱作用和物理轟擊，造成表面差異性，破壞親水性，導致水滴角的增大。這樣的結論與試驗結果相一致，表明過強的等離子能量會導致物體表面浸潤性的下降。

3.2 清洗時間對清洗效果的影響試驗

同樣選擇封裝形式 SOP008-12P 裸銅引線框架為試驗樣品，在一定的清洗功率下調整清洗時間進行等離子清洗，測量并觀察水滴角數值變化如圖 8 所示，當清洗時間超出一定數值后，水滴角數值同樣會出現上升的現象。

等離子清洗過程中，在相同的清洗功率下，參與清洗的粒子數量不變，清洗時間增加，粒子參與反應與物理轟擊的時間增加，水滴角隨著清洗時間增大而減小，此時物體表面的污染物逐漸減少直到最終被清除干凈，此后高能粒子直接作用在物體表面，長時間的粒子反應與物理轟擊將造成物體表面親水性的破壞，從而導致水滴角的增大。

4 多次等離子清洗試驗

4.1 試驗過程

本次試驗采用封裝形式為 SOP008-12P 的引線框架，表面材質分別為鍍銀，裸銅與表面粗化處理，每間隔 24 小時對三種框架樣品進行一次等離子清洗，清洗參數如表 1 所示，每次測量并記錄清洗前后的水滴角數值，分析框架表面浸潤性的變化，從而找到框架表面浸潤性與等離子清洗次數的相互關系。

4.2 試驗結果

三種樣品框架等經過多次離子清洗后的水滴角數據如表 2 所示。

（1）如圖 9 與圖 10 所示，在相同的等離子清洗條件下，鍍銀與裸銅兩種表面材質的框架均在經過 3 次等離子清洗后水滴角達到最小值，之后水滴角數值隨等離子清洗的次數增加而增加，均在經過第 5 次等離子清洗后，水滴角超過 20°。

我們從等離子清洗的機理方面分析造成這一現象的原因，氬氣等離子清洗主要以粒子物理轟擊框架表面，使污染物揮發(fā)而被排出作為主要的清洗模式。等離子清洗前框架表面會附著大量污染物，液滴與物體表面的接觸被阻隔，減小了物體表面對水滴的吸附力，此時水滴角處于最大值，經過第一次等離子清洗后，框架表面的污染物大量減少，水滴角大幅度減小；隨著清洗次數增加，框架表面清潔程度增加，當經過第 3 次等離子清洗后水滴角達到最小值；此后再次增加清洗次數，一方面部分活性粒子殘留在框架表面與氧氣反應生成穩(wěn)定粒子，這些穩(wěn)定的粒子反而阻止了液體與框架表面的結合，另一方面由于框架表面的污染物已經被全部反應完成，框架表面的暴露在等離子體中環(huán)境中，高能粒子轟擊會破壞框架表面一致性及親水性官能團，從而降低表面浸潤性。綜合這兩個方面來看，過多的清洗次數會造成引線框架表面浸潤性的下降，從而導致鍵合質量可靠性下降。

（2）圖 11 為粗化表面框架在經過多次等離子清洗后的水滴角表現，相同的試驗條件下與鍍銀框架、裸銅框架相比，粗化框架達到水滴角最小值的清洗次數為 4 次，清洗 7 次以后，水滴角超出 20。，我們分析造成如此差異的原因，對比其他兩款樣品框架，粗化框架表面結構更加粗糙，表面積更大，污染物更多，就需要更多的粒子參與清潔反應，這樣就造成了粗化框架達到水滴角最小值時所需要的清洗次數更多。同時更大的表面積，在放置過程中，積累的污染物數量也會增加，因此水滴角增大的速率較慢，直至經過 7 次清洗后水滴角才超出 20°。

4.3 結論

通過對引線框架進行過度等離子清洗試驗，發(fā) 現增大清洗功率、清洗時間、清洗次數，有效提升了清洗效率和效果，當超出閾值后，框架表面浸潤性變差，影響鍵合質量的可靠性；表面材質穩(wěn)定性、一致性越好的框架，達到水滴角最小值的需要的清洗次數最少，排序為：鍍銀框架≤裸銅框架≤粗化框架。通過此次驗證分析清洗次數對鍵合質量可靠性的影響，為實際封裝過程中流程控制提供了理論參考。等離子清洗工藝是芯片封裝過程中重要的清洗方法，有清洗對象廣泛、無環(huán)境污染的優(yōu)點。經過等離子清洗后，引線框架的鍵合質量得到顯著提高，從而獲得良好的可靠性。本次驗證初步探討了過度等離子清洗對引線框架鍵合質量的影響，并對試驗結果進行了分析，為生產控制提供了理論依據。

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