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(duì)芯片封裝可靠性的要求越來越高，對(duì) 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?yàn)橐€框架的鍵合區(qū)域在生產(chǎn)過程中受到有機(jī)物和無機(jī)物的污染，不加以處理而直接鍵合將造成鍵合強(qiáng)度偏低及鍵合應(yīng)力差異較大等問題，導(dǎo)致產(chǎn)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(shí)用的清潔技術(shù)已在封裝行業(yè) 中被廣泛應(yīng)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(xué)能及浸潤性，降低 鍵合的失效率，提高產(chǎn)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(fù)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(fù)電荷總是相等的特性，將其稱為等離子體，是物質(zhì) 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(yīng)機(jī)理如圖 1 所示，通常包括 以下過程：反應(yīng)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(yīng)生成產(chǎn)物分子；產(chǎn)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(yīng)，這種反應(yīng)可分為物理的或化學(xué)的。

1.1 化學(xué)等離子清洗

化學(xué)等離子清洗是使用反應(yīng)性等離子體清除污染物，以化學(xué)反應(yīng)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(jìn)行反應(yīng)。氧氣等離子體經(jīng)過氧化反應(yīng)可以使非揮發(fā)性的有機(jī) 物生成易揮發(fā)的 H2O 和 CO2，反應(yīng)過程如圖 2 中所 示，氫氣等離子體可以通過還原反應(yīng)去除金屬表面 的氧化層，反應(yīng)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(yīng)為主的等離子 體清洗，反應(yīng)氣體通常為惰性氣體（如氬氣、氮?dú)?等）。反應(yīng)過程如圖 4 所示，其原理為利用等離子體 內(nèi)高能量物質(zhì)的活化作用及對(duì)污染物的轟擊作用， 使其形成揮發(fā)性物質(zhì)被真空泵排出，從而達(dá)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(duì) 鍵合質(zhì)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(jié)合能 力來間接反應(yīng)框架表面的清潔狀況。

物體之間的結(jié)合能力用黏附功體現(xiàn)，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(shù)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(jié)合能力，當(dāng)我 們使用的液體為去離子水時(shí)，我們稱這個(gè)夾角為水 滴角，如圖 5 所示；實(shí)際測量中，我們采用水滴角測 量儀進(jìn)行測量，圖 6 所示為水滴角測量界面。

3 等離子清洗參數(shù)對(duì)清洗效果的影響試驗(yàn)

3.1 功率對(duì)清洗效果的影響試驗(yàn)

功率在等離子清洗過程中起到關(guān)鍵作用，清洗 功率增大，氣體被離解出的粒子數(shù)量增加，參與反應(yīng) 的粒子數(shù)量增加，一定的清洗時(shí)間內(nèi)達(dá)到提升清洗 效率的作用；同時(shí)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(xué) 反應(yīng)及對(duì)物體表面的物理轟擊作用。

選擇試驗(yàn)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(jìn)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(dāng)功 率超過一定數(shù)值后，水滴角會(huì)隨著功率的提升而增 大，Yasuda（1985）在等離子對(duì)物體表面影響中做出 了分析，處理粒子的能量過強(qiáng)，物體表面會(huì)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(dǎo)致水滴角的增大。這樣的結(jié)論與試驗(yàn)結(jié)果相 一致，表明過強(qiáng)的等離子能量會(huì)導(dǎo)致物體表面浸潤 性的下降。

3.2 清洗時(shí)間對(duì)清洗效果的影響試驗(yàn)

同樣選擇封裝形式 SOP008-12P 裸銅引線框架 為試驗(yàn)樣品，在一定的清洗功率下調(diào)整清洗時(shí)間進(jìn) 行等離子清洗，測量并觀察水滴角數(shù)值變化如圖 8 所示，當(dāng)清洗時(shí)間超出一定數(shù)值后，水滴角數(shù)值同樣 會(huì)出現(xiàn)上升的現(xiàn)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(shù)量不變，清洗時(shí)間增加，粒子參與反應(yīng) 與物理轟擊的時(shí)間增加，水滴角隨著清洗時(shí)間增大 而減小，此時(shí)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(shí)間的粒子反應(yīng)與物理轟擊將造成物體表面親水性 的破壞，從而導(dǎo)致水滴角的增大。

4 多次等離子清洗試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)過程

本次試驗(yàn)采用封裝形式為 SOP008-12P 的引線 框架，表面材質(zhì)分別為鍍銀，裸銅與表面粗化處理， 每間隔 24 小時(shí)對(duì)三種框架樣品進(jìn)行一次等離子清 洗，清洗參數(shù)如表 1 所示，每次測量并記錄清洗前后 的水滴角數(shù)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(shù)的相互關(guān)系。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

三種樣品框架等經(jīng)過多次離子清洗后的水滴角 數(shù)據(jù)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(zhì)的框架均在經(jīng)過 3 次等離子清洗后水滴角達(dá)到最小值，之后水滴角 數(shù)值隨等離子清洗的次數(shù)增加而增加，均在經(jīng)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(jī)理方面分析造成這一現(xiàn) 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(huì)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(duì)水滴 的吸附力，此時(shí)水滴角處于最大值，經(jīng)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??；隨著清洗次數(shù)增加，框架表面清潔程度增 加，當(dāng)經(jīng)過第 3 次等離子清洗后水滴角達(dá)到最小值；此后再次增加清洗次數(shù)，一方面部分活性粒子殘留 在框架表面與氧氣反應(yīng)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(jié)合，另一方面 由于框架表面的污染物已經(jīng)被全部反應(yīng)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(huì) 破壞框架表面一致性及親水性官能團(tuán)，從而降低表 面浸潤性。綜合這兩個(gè)方面來看，過多的清洗次數(shù)會(huì) 造成引線框架表面浸潤性的下降，從而導(dǎo)致鍵合質(zhì) 量可靠性下降。

（2）圖 11 為粗化表面框架在經(jīng)過多次等離子 清洗后的水滴角表現(xiàn)，相同的試驗(yàn)條件下與鍍銀框 架、裸銅框架相比，粗化框架達(dá)到水滴角最小值的清 洗次數(shù)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(duì)比其他兩款樣品框 架，粗化框架表面結(jié)構(gòu)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(yīng)，這樣就造 成了粗化框架達(dá)到水滴角最小值時(shí)所需要的清洗次數(shù)更多。同時(shí)更大的表面積，在放置過程中，積累的 污染物數(shù)量也會(huì)增加，因此水滴角增大的速率較慢， 直至經(jīng)過 7 次清洗后水滴角才超出 20°。

4.3 結(jié)論

通過對(duì)引線框架進(jìn)行過度等離子清洗試驗(yàn)，發(fā) 現(xiàn)增大清洗功率、清洗時(shí)間、清洗次數(shù)，有效提升了 清洗效率和效果，當(dāng)超出閾值后，框架表面浸潤性變 差，影響鍵合質(zhì)量的可靠性；表面材質(zhì)穩(wěn)定性、一致 性越好的框架，達(dá)到水滴角最小值的需要的清洗次 數(shù)最少，排序?yàn)椋哄冦y框架≤裸銅框架≤粗化框架。通過此次驗(yàn)證分析清洗次數(shù)對(duì)鍵合質(zhì)量可靠性的影 響，為實(shí)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(duì)象廣泛、無環(huán)境污染的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過等 離子清洗后，引線框架的鍵合質(zhì)量得到顯著提高，從 而獲得良好的可靠性。本次驗(yàn)證初步探討了過度等 離子清洗對(duì)引線框架鍵合質(zhì)量的影響，并對(duì)試驗(yàn)結(jié) 果進(jìn)行了分析，為生產(chǎn)控制提供了理論依據(jù)。

審核編輯 ：李倩