劉 暢，馬 斌，馬 良

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原 030024)

在我國IC產(chǎn)業(yè)鏈中IC封裝業(yè)是第一支柱產(chǎn)業(yè)，隨著IC器件尺寸不斷縮小和運(yùn)算速度的不斷提高，封裝技術(shù)已成為極為關(guān)鍵的技術(shù)。封裝工藝好壞影響著產(chǎn)品的質(zhì)量及成本。未來集成電路技術(shù)的特征尺寸、芯片面積、芯片包含的晶體管數(shù)，以及其發(fā)展軌跡，都要求IC封裝技術(shù)朝微型化、低成本化、定制化、綠色環(huán)?；?、封裝設(shè)計(jì)早期協(xié)同化的方向發(fā)展。引線框架是一種借助于鍵合金絲實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部電路引出端與外引線的電氣連接的芯片載體，是形成電氣回路的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，它起到了和外部導(dǎo)線連接的橋梁作用，絕大部分的半導(dǎo)體集成塊中都需要使用引線框架，是電子信息產(chǎn)業(yè)中重要的基礎(chǔ)材料。在IC封裝工藝中存在的污染物是影響其發(fā)展的重要因素，如何解決掉這方面的問題一直困擾著人們。在線式等離子清洗技術(shù)是一種無任何環(huán)境污染的干式清洗方式，即可解決這一問題。

1 IC封裝基本原理

IC封裝一方面起著安裝、固定、密封、保護(hù)芯片及增強(qiáng)電熱性能等方面的作用，另一方面它通過芯片上的接點(diǎn)用導(dǎo)線連接到封裝外殼的引腳上，這些引腳又通過印刷電路板上的導(dǎo)線與其他器件相連接，從而實(shí)現(xiàn)內(nèi)部芯片與外部電路的連接。同時(shí)芯片必須與外界隔離，以防止空氣中的雜質(zhì)對芯片電路的腐蝕而造成電氣性能下降。

IC封裝技術(shù)已經(jīng)歷了好幾代的變遷，從DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，多達(dá)幾十種，適用頻率越來越高，耐溫性能越來越強(qiáng)，引腳數(shù)越來越多，引腳間距減小，重量減小，可靠性提高，技術(shù)指標(biāo)一代比一代先進(jìn)，包括芯片面積與封裝面積之比越來越接近于1，使用更加方便等等。IC封裝產(chǎn)品之一結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 IC封裝產(chǎn)品之一結(jié)構(gòu)圖

2 IC封裝工藝流程

在IC封裝工藝中封裝好才能成為終端產(chǎn)品，從而投入實(shí)際應(yīng)用。IC封裝工藝分為前段工藝、中段工藝及后段工藝，IC封裝工藝經(jīng)過不斷地發(fā)展產(chǎn)生了很大的變化，其前段可分為以下幾個(gè)個(gè)步驟：

藎貼片：使用保護(hù)膜和金屬框架將硅片固定切割成單個(gè)芯片前的硅片；

藎劃片：將硅片切割成單個(gè)芯片并對其進(jìn)行檢測；

藎裝片：在引線框架上的相應(yīng)位置點(diǎn)上銀膠或絕緣膠，并從劃片貼膜上將切割好的芯片取下，粘接在引線框架固定位置上；

藎鍵合：用金線將芯片上引線孔和框架襯墊上的引腳連接，連接芯片與外部電路；

藎塑封：塑封元件的線路。加強(qiáng)元件的物理特性，保護(hù)元件免受外力損壞；

藎后固化：對塑封材料固化，使其有足夠的硬度和強(qiáng)度經(jīng)過整個(gè)封裝過程。

3 等離子清洗原理及設(shè)備

3.1 等離子體

等離子體是由離子、電子、自由激進(jìn)分子、光子以及中性粒子組成的正離子和電子密度大致相等的電離氣體，整體呈電中性。

3.2 清洗原理

等離子清洗是等離子體對樣片的表面進(jìn)行處理，使樣品表面的污染物被去除，還可以提高其表面活性。針對不同的污染物，可以采用不同的清洗工藝，根據(jù)所產(chǎn)生的等離子體種類不同，等離子清洗分為化學(xué)清洗、物理清洗及物理化學(xué)清洗。

3.3 在線式等離子清洗設(shè)備

等離子清洗設(shè)備的原理是在真空下，然后利用交流電場使工藝氣體成為等離子體，并與有機(jī)污染物及微顆粒污染物反應(yīng)或碰撞形成揮發(fā)性物質(zhì)，由工作氣體流及真空泵將這些揮發(fā)性物質(zhì)清除出去，從而使工件達(dá)到表面清潔活化。等離子清洗是剝離式清洗，等離子清洗的特點(diǎn)是清洗之后對環(huán)境無污染。在線式等離子清洗設(shè)備是在成熟的等離子體清洗工藝技術(shù)和設(shè)備制造基礎(chǔ)上，增加上下料、物料傳輸?shù)茸詣踊δ?。針對IC封裝中引線框架上點(diǎn)膠裝片、芯片鍵合及塑封等工藝前清洗，大大提高粘接及鍵合強(qiáng)度等性能的同時(shí)，避免人為因素長時(shí)間接觸引線框架而導(dǎo)致的二次污染以及腔體式批量清洗時(shí)間長有可能造成的芯片損傷。圖2為在線等離子清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)。

圖2 等離子清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 主要結(jié)構(gòu)

3.4.1 上下料系統(tǒng)

料盒從上料臺上自動運(yùn)動至料盒夾中，通過料盒夾取機(jī)構(gòu)將料盒夾至工作位。料片推桿機(jī)構(gòu)通過料片夾將料片夾至反應(yīng)倉移動倉底。下料時(shí)通過相反過程，將料片送回至料盒。即料盒對料盒的模式，避免人工接觸。推料及夾取料片均采用光纖傳感器進(jìn)行檢測，避免空流程及卡料。在推料過程中可檢測料片數(shù)量。圖3為上下料結(jié)構(gòu)圖。

圖3 上下料結(jié)構(gòu)圖

3.4.2 物料傳輸系統(tǒng)

料片被夾取至反應(yīng)倉移動倉底后，倉底通過直線定位系統(tǒng)移動至反應(yīng)倉蓋正下方，利用真空提升系統(tǒng)將倉底與倉蓋閉合進(jìn)行射頻等離子清洗，同時(shí)另外一個(gè)移動倉底進(jìn)行上料流程。清洗結(jié)束后，兩個(gè)移動倉底交換位置，反復(fù)進(jìn)行，直至清洗流程結(jié)束。每個(gè)托盤可放置4片料片，并可以避免靜電在運(yùn)動中產(chǎn)生。圖4為物料傳輸系統(tǒng)。

圖4 物料傳輸系統(tǒng)

3.4.3 真空提升系統(tǒng)

射頻等離子清洗發(fā)生部位。倉體利用干式真空泵進(jìn)行抽真空，真空規(guī)進(jìn)行真空檢測。當(dāng)真空度達(dá)到要求后，充工藝氣體，并振蕩成等離子態(tài)進(jìn)行清洗。清洗后倉體充入壓縮空氣氣進(jìn)行凈化和平衡。圖5為真空提升系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖5 真空提升系統(tǒng)

4 等離子清洗在LED封裝工藝中的應(yīng)用

等離子清洗是種無污染剝離式清洗。在使用等離子清洗時(shí),不同芯片的清洗工藝有很大區(qū)別，如金屬芯片表面為防止被氧化則不能用氧氣清洗。等離子清洗工藝在LED封裝中的應(yīng)用大致可分為：

（1）點(diǎn)膠裝片前：基板上點(diǎn)銀膠時(shí)如果存在污染物，則銀膠就容易成圓球狀，降低芯片粘結(jié)度。在這里采用等離子清洗可以增大工件表面粗糙度，從而有利于銀膠點(diǎn)膠的成功。同時(shí)還可節(jié)省銀膠的使用量，降低成本。

（2）引線鍵合前：芯片在引線框架基板上粘貼后，要經(jīng)過高溫使之固化。如果芯片表面存在污染物，就會影響引線與芯片及基板間的焊接效果，使鍵合不完全或粘附性差，強(qiáng)度低。在引線鍵合前運(yùn)用等離子清洗，會顯著提高其表面活性提高鍵合強(qiáng)度及鍵合引線的拉力均勻性。

（3）塑封固化前：污染物的存在還會導(dǎo)致注環(huán)氧樹脂過程中氣泡的形成，氣泡會使芯片容易在溫度變化中損壞，降低芯片的使用壽命。等離子清洗會使芯片與基板更加緊密的和膠體相結(jié)合，減少氣泡的形成，同時(shí)也可以顯著提高元件的特性。

對芯片進(jìn)行接觸角測試，得出未進(jìn)行等離子清洗的樣品接觸角大約為39°～65°；而已進(jìn)行過化學(xué)等離子清洗的芯片的接觸角大約為15°～20°；對芯片進(jìn)行物理反應(yīng)等離子體清洗過后其接觸角為20°～27°。說明對封裝中的芯片進(jìn)行等離子的表面處理是有一定效果的。以下為等離子清洗前后銅引線框架用接觸角檢測儀進(jìn)行檢測的接觸角對比，圖中清洗前接觸角范圍在46°～50°，清洗后接觸角范圍在14°～24°，滿足芯片表面處理需求。

圖6 等離子清洗前后工件表面接觸角對比

5 結(jié)束語

當(dāng)今集成電路工藝水平按照摩爾定律飛速發(fā)展，微電子制造技術(shù)成為代表先進(jìn)制造技術(shù)的前沿技術(shù)，也是衡量一個(gè)國家制造水平和關(guān)系國家安全的重要標(biāo)準(zhǔn)。隨著IC芯片集成度的增加，芯片引腳數(shù)增多，引腳間距減小，芯片與基板上的顆粒污染物、氧化物及環(huán)氧樹脂等污染物必將很大程度上制約著IC封裝行業(yè)的飛速發(fā)展，而有利于環(huán)保、清洗均勻性好、重復(fù)性好、可控性強(qiáng)、具有三維處理能力及方向性選擇處理的在線式等離子清洗工藝應(yīng)用到IC封裝工藝中，必將推動IC封裝行業(yè)更加快速的發(fā)展。

[1]Polack，et al,Plasma Chemistry[M].1998

[2]T.J.M.Boyd and J.J.Sanderson,The Physics Of Plasmas[M]CAMBRIDGE.2004

[3]陽范文，趙耀明21世紀(jì)我國電子封裝行業(yè)的發(fā)展機(jī)遇與挑戰(zhàn).半導(dǎo)體情報(bào).2001

[4]孫卓，真空等離子體裝備技術(shù)及應(yīng)用[OL].中國真空網(wǎng).2005.2

[5]張國柱杜海文等，等離子清洗技術(shù)[J].機(jī)電元件2000.12

[6]梁治齊，實(shí)用清洗技術(shù)手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社.2000.1

[7]王石剛梁慶華先進(jìn)IC封裝工藝設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù).2003.8