等離子體清洗在引線鍵合、去除表面沾污等半導體封裝領域的應用

1、為什么半導體封裝領域會用到等離子清洗機？

等離子體工藝是干法清洗應用中的重要部分，隨著微電子技術的發展，等離子體清洗的優勢越來越明顯。半導體器件生產過程中，晶圓芯片表面會存在各種顆粒、金屬離子、有機物及殘留的磨料顆粒等沾污雜質。為保證集成電路IC集成度和器件性能，必須在不破壞芯片及其他所用材料的表面特性、電特性的前提下，清洗去除芯片表面上的這些有害沾污雜質物。否則，它們將對芯片性能造成致命影響和缺陷，降低產品合格率，并將制約器件的進一步發展。目前，器件生產中的幾乎每道工序都有清洗這一步驟，其目的是去除芯片表面沾污、雜質，現廣泛應用的物理化學清洗方法大致可分成濕法清洗和干法清洗兩類，尤其是干法清洗發展很快，其中的等離子體清洗優勢明顯，在半導體器件及光電子元器件封裝領域中獲得推廣應用。

2、何謂等離子體清洗

等離子體就是由正離子、負離子、自由電子等帶電粒子和不帶電的中性粒子如激發態分子以及自由基組成的部分電離的氣體，由于其正負電荷總是相等的，所以稱為等離子體。這也是物質存在的又一種基本形態（第四態）。一種新形態必然有與其相應的化學行為，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生反應，這種反應可分為物理的或化學的。用等離子體通過化學或物理作用時對工件（生產過程中的電子元器件及其半成品、零部件、基板、印制電路板）表面進行處理，實現分子水平的污漬、沾污去除（一般厚度在3nm～30nm），提高表面活性的工藝叫做等離子體清洗。其機理主要是依靠等離子體中活性粒子的“活化作用”，達到去除物體表面污漬的目的，其通常包括無機氣體被激發為等離子態、氣相物質被吸附在固體表面、被吸附基團與固體表面分子反應生成產物分子、產物分子解析形成氣相、反應殘余物脫離表面等過程。

等離子體清洗的大特點是不分處理對象的基材類型均可進行處理，對金屬、半導體、氧化物、有機物和大多數高分子材料也能進行很好的處理，只需要很低的氣體流量，并可實現整體和局部以及復雜結構的清洗。在等離子體清洗工藝中，不使用任何化學溶劑，因此基本上無污染物，有利于環境保護。此外，其生產成本較低，清洗具有良好的均勻性和重復性、可控性，易實現批量生產。

3、等離子體清洗的類別

基本的等離子體清洗設備由四大部分組成，即激發電源、真空泵、真空腔、反應氣體源。激發電源是提供氣體放電能量來源的電源，可以采用不同的頻率；真空泵的主要作用是抽走副產品，包括旋片式機械泵或增壓泵；真空腔內帶有放電電離的電極，將反應氣體變成等離子體；反應氣體源一般采用的氣體有氬、氧、氫、氮、四氯化碳等單一氣體，或兩種氣體混合使用。有許多因素支配著等離子體清洗的效用，這些因素包含化學性質的選擇、制程參數、功率、時間、零件放置及電極構造。不同的清洗用途所需要的設備結構、電極接法、反應氣體種類是不同的，其工藝原理也有很大區別，有的是物理反應，有的是化學反應，有的是物理化學兩種作用都產生，反應的有效性取決于等離子體氣源、等離子系統的組合及等離子工藝操作參數。表1示出半導體生產中等離子工藝的選擇及應用，等離子體腐蝕、等離子體去膠較早被半導體生產前部工序采用，利用常壓輝光冷等離子體所產生的活性物質對有機沾污和光刻膠進行清洗，是替代濕化學清洗方法的一種綠色手段。

3.1 化學反應為主的清洗

表面反應以化學反應為主的等離子體清洗，習慣上稱等離子清洗PE，許多氣體的等離子態可產生高活性的粒子。從化學反應式可知，典型的PE工藝是氧氣或氫氣等離子體工藝，用氧等離子通過化學反應，能夠使非揮發性有機物變成易揮發性的CO2和水汽，去除沾污物，使表面清潔；用氫的等離子可通過化學反應，去除金屬表面氧化層，清潔金屬表面。反應氣體電離產生的高活性反應粒子，在一定條件下與被清洗物體表面發生化學反應，反應生成物是易揮發性物，可以被抽走，而針對被清除物的化學成分，選擇合適的反應氣體組分是極為重要的。PE的特點是表面改性，清洗速度較快，選擇性好，對有機沾污污染比較有效。其不足是可能產生氧化物。

3.2 物理反應為主的清洗

表面反應以物理反應為主的等離子體清洗，也稱為濺射腐蝕SPE或離子銑IM。表面物理濺射是指等離子體中的正離子在電場獲得能量去轟擊表面，撞擊移去表面分子片段和原子，使污染物從表面去除，并能夠使表面在分子級范圍改變微觀形態粗糙化，從而改善表面的粘結性能。氬氣本身是惰性氣體，等離子態的氬氣并不和表面發生反應，工藝是氬等離子通過物理濺射使表面清潔。等離子體物理清洗不會產生氧化副作用，保持被清洗物的化學純潔性，腐蝕作用各向異性，缺點是對表面產生很大的損害和熱效應，選擇性差，速度較低。

3.3 反應離子腐蝕

化學清洗、物理清洗各有利弊，在反應離子腐蝕中把這兩種機理結合起來，物理反應和化學反應都同時起重要作用，相互促進，其效果既有較好的選擇性、清洗率、均勻性，又有較好的方向性。

3.4 順流等離子體清洗

順流等離子體也叫源室分腔式等離子體DPE，產生等離子體的源位于等離子發生腔，待清洗的工件位于工藝腔，把氣相反應粒子、原子團、光子等引入工藝腔，對工件進行清洗，把離子、電子基本濾除掉。2.45GHz順流等離子體類型是用于封裝類等離子清洗的主要形式，適于清洗有機物。

3.5 激發頻率分類

常見的等離子體電源激發頻率有三種：激發頻率40kHz的等離子體為超聲等離子，發生的反應為物理反應，清洗系統離子密度較低；13.56MHz的等離子體為射頻等離子體，等離子體發生的反應既有物理反應又有化學反應，離子密度和能量較高；2.45GHz的等離子體為微波等離子體，離子濃度，反應為化學反應。實際上，半導體生產中大多采用射頻或微波等離子體清洗，而半導體后部工序用戶用的等離子體清洗設備大多數采用由鋁或不銹鋼制造的方形、長方形金屬箱體，電極為內置平行板狀結構。

各等離子體清洗設備廠家針對不同的用戶需求，設計制造了許多種不同結構類型、不同電源頻率的清洗設備，各有所長，也就各有所短。選用等離子清洗設備前要搞清楚待清洗工件特征，要清除掉的沾污物是什么，待清洗工件在清洗過程中應避免什么，是高溫、晶格損傷、靜電損傷還是二次污染等，通過試驗結果確認、選購滿足不同工件對等離子清洗不同要求的設備。

4 在封裝生產中的應用

等離子體清洗在微電子封裝領域有著廣泛的應用前景，等離子體清洗技術的成功應用依賴于工藝參數的優化，包括過程壓力、等離子激發頻率和功率、時間和工藝氣體類型、反應腔室和電極的配置以及待清洗工件放置位置等。半導體后部生產工序中，由于指印、助焊劑、焊料、劃痕、沾污、微塵、樹脂殘跡、自熱氧化、有機物等，在器件和材料表面形成各種沾污，這些沾污會明顯地影響封裝生產及產品質量，利用等離子體清洗技術，能夠很容易清除掉生產過程中形成的這些分子水平的污染，從而顯著地改善封裝的可制造性、可靠性及成品率。

在芯片封裝生產中，等離子體清洗工藝的選擇取決于后續工藝對材料表面的要求、材料表面的原有特征、化學組成以及表面污染物性質等，表2示出等離子體清洗工藝的選擇及應用的部分實例。

4.1 優化引線鍵合

在芯片、微電子機械系統MEMS封裝中，基板、基座與芯片之間有大量的引線鍵合，引線鍵合仍然是實現芯片焊盤與外引線連接的重要方式，如何提高引線鍵合強度一直是行業研究的問題。射頻驅動的低壓等離子清洗技術是一種有效的、低成本的清潔方法，能夠有效地去除基材表面可能存在的污染物，例如氟化物、鎳的氫氧化物、有機溶劑殘留、環氧樹脂的溢出物、材料的氧化層，等離子清洗一下再鍵合，會顯著提高鍵合強度和鍵合引線拉力的均勻性，它對提高引線鍵合強度作用很大。在引線鍵合之前，氣體等離子體技術可以用來清洗芯片接點，改善結合強度及成品率，表3示出一例改善的拉力強度對比，采用氧氣及氬氣的等離子體清洗工藝，在維持高工序能力指數Cpk值的同時能有效改善拉力強度。據資料介紹，研究等離子體清洗的效能時，不同公司的不同產品類型在鍵合前采用等離子體清洗，增加鍵合引線拉力強度的幅度大小不等，但對提高器件的可靠性而言都很有好處。

用Ar等離子體，將樣品置放在地極板，當射頻功率為200W～600W、氣體壓力為100mT～120mT或140mT～180mT時，清洗10min～15min，能獲得很好的清洗效果和鍵合強度，實驗用直徑25μm金絲鍵合引線，當采用等離子清洗后，其平均鍵合強度可提高到6.6gf以上。

4.2 倒裝焊接前的清洗

在芯片倒裝封裝方面，對芯片和載體進行等離子體清洗，提高其表面活性以后再進行倒裝焊，可以有效地防止或減少空洞，提高黏附性。另一特點是提高填料邊緣高度，改善封裝的機械強度，降低因材料間不同的熱膨脹系數而在界面間形成的剪切應力，提高產品可靠性和壽命。

4.3 芯片粘結的清洗

等離子體表面清洗可用于芯片粘結之前的處理，由于未處理材料表明普遍的疏水性和惰性，其表面粘結性能通常很差，粘結過程中很容易在界面產生空洞?；罨蟮谋砻婺芨纳骗h氧樹脂等高分子材料在表面的流動性能，提供良好的接觸表面和芯片粘結浸潤性，可有效防止或減少空洞形成，改善熱傳導能力。清洗常用的表面活化工藝是通過氧氣、氮氣或它們的混合氣等離子體來完成的。微波半導體器件在燒結前采用等離子體清洗管座，對保證燒結質量十分有效。

4.4 引線框架的清洗

引線框架在當今的塑封中仍占有相當大的*，其主要采用導熱性、導電性、加工性能良好的銅合金材料制作引線框架。但銅的氧化物及其他一些污染物會造成模塑料與銅引線框架分層，并影響芯片粘接和引線鍵合質量，確保引線框架清潔是保證封裝可靠性的關鍵。研究表明，采用氫氬混合氣體，激發頻率13.56MHz，能夠有效地去除引線框架金屬層上的污染物，氫等離子體能夠去除氧化物，而氬通過離子化能夠促進氫等離子體數量的增加。

4.5 管座管帽的清洗

管座管帽若存放時間較長，表面會有陳跡且可能有污染，先對管座管帽進行等離子體清洗，去除污染，然后封帽，可顯著提高封帽合格率。陶瓷封裝通常使用金屬漿料印制線作鍵合區、蓋板密閉區。在這些材料的表面電鍍Ni、Au前，采用等離子清洗，去掉有機物沾污，提高鍍層質量。

在微電子、光電子、MEMS封裝方面，等離子技術正廣泛應用于封裝材料清洗及活化，對解決電子元器件存在的表面沾污、界面狀態不穩定、燒結及鍵合不良等缺陷隱患，提升質量管理和工序控制能力具有可操作性的積極作用，改善材料表面特性，提高封裝產品性能，需要選擇合適的清洗方式和清洗時間，對提高封裝質量和可靠性極為重要。