鐘小剛

（廣東風(fēng)華芯電科技股份有限公司，廣州 510663）

1 前言

等離子清洗技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電子、生物醫(yī)藥、珠寶制作、紡織等眾多行業(yè)，由于各個(gè)行業(yè)的特殊性，需要針對(duì)行業(yè)需要，采用不同的設(shè)備及工藝。在電子封裝行業(yè)中，使用等離子清洗技術(shù)，目的是增強(qiáng)焊線/焊球的焊接質(zhì)量及芯片與環(huán)氧樹脂塑封材料之間的粘結(jié)強(qiáng)度。為了更好地達(dá)到等離子清洗的效果，需要了解設(shè)備的工作原理與構(gòu)造，根據(jù)封裝工藝，設(shè)計(jì)可行的等離子清洗料盒及工藝。

等離子清洗的工作原理是通過將注入氣體激發(fā)成等離子體，等離子體由電子、離子、自由基、光子以及其他中性粒子組成。由于等離子體中的電子、離子和自由基等活性粒子存在，其本身容易與固體表面發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)類型可以分為物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，物理反應(yīng)主要是以轟擊的形式使污染物脫離表面，從而被氣體帶走；化學(xué)反應(yīng)是活性粒子與污染物發(fā)生反應(yīng)，生成易揮發(fā)物質(zhì)再被帶走[1]。在實(shí)際使用過程中，通常使用Ar氣來進(jìn)行物理反應(yīng)，使用O2或者H2來進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)原理示意圖如圖1所示。

等離子清洗的效果通常用滴水實(shí)驗(yàn)來直觀反應(yīng)，如圖2所示，等離子清洗前接觸角約為56°，等離子清洗后表面接觸角約為7°。

在電子封裝中，通常使用物理化學(xué)結(jié)合的方式進(jìn)行等離子清洗，以去除在原材料制造、運(yùn)輸、前工序中殘留的有機(jī)污染物及芯片焊盤和引線框架表面形成的氧化物。

圖1 等離子清洗物理/化學(xué)反應(yīng)原理示意圖

圖2 等離子清洗前后滴水實(shí)驗(yàn)對(duì)比

等離子清洗設(shè)備的反應(yīng)室主要分為感應(yīng)耦合“桶式”反應(yīng)室、電容耦合“平行平板”反應(yīng)室、“順流”反應(yīng)室三種。目前國(guó)內(nèi)集成電路生產(chǎn)企業(yè)基本使用進(jìn)口設(shè)備，采用第三種模式，其具有均勻的等離子體區(qū)、射頻電源及匹配網(wǎng)絡(luò)不受負(fù)載影響，不損傷敏感器件的優(yōu)點(diǎn)[2～3]。

等離子按激發(fā)頻率分為射頻與微波，其頻率范圍的劃分如圖3所示。目前在微電子行業(yè)廣泛使用的為射頻等離子體。

圖3 等離子激發(fā)頻率

在等離子清洗設(shè)備的使用過程中，需要根據(jù)清洗產(chǎn)品的不同，制定合理的清洗工藝，如射頻功率、清洗時(shí)間、清洗溫度、氣流速度等，以達(dá)到最好的清洗效果。本文針對(duì)TO220產(chǎn)品的鋁線鍵合工藝，設(shè)計(jì)適合于功率器件鋁線鍵合的最佳等離子清洗工藝。

2 實(shí)驗(yàn)過程

為了分析不同等離子清洗參數(shù)對(duì)鋁線鍵合的增強(qiáng)效果，本研究的主要過程如圖4所示。樣品按標(biāo)準(zhǔn)貼片工藝進(jìn)行貼片，之后根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)確定的9組參數(shù)進(jìn)行等離子清洗，然后按標(biāo)準(zhǔn)焊線工藝焊線，之后測(cè)試樣品的焊線拉力與焊球的剪切力。最后對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析。

圖4 實(shí)驗(yàn)流程圖

2.1 樣品制備

本實(shí)驗(yàn)采用BYD 4N60芯片，芯片尺寸為3.20 mm×3.58 mm，鋁焊盤，芯片背銀。采用TO220純銅引線框架，貼片所用焊料為93.15Pb5Sn11.5Ag，貼片設(shè)備使用ASM-SD890A，焊線使用0.3 mm鋁線，焊線設(shè)備為OE-360，等離子清洗使用設(shè)備為EUROPLASMA。

2.2 等離子清洗參數(shù)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用射頻激發(fā)的Ar/H2混合氣體，可以應(yīng)用在增強(qiáng)引線鍵合強(qiáng)度。清洗時(shí)間不宜過長(zhǎng)，清洗時(shí)間過長(zhǎng)的負(fù)面影響是Si3N4鈍化層的晶粒呈現(xiàn)出針狀和纖維狀[4]。因此，選用Ar與H2的混合氣體。RF功率范圍200～400 W，時(shí)間180～600 s，流速50～150 tor·s-1。

使用DOE方法設(shè)計(jì)了9組實(shí)驗(yàn)參數(shù)，如表1所示。

表1 等離子清洗參數(shù)設(shè)置表

2.3 等離子清洗實(shí)驗(yàn)

等離子清洗效果除與等離子清洗設(shè)備的參數(shù)設(shè)置有關(guān)外，也與樣品形狀及樣品的料盒有關(guān)。在料盒選擇方面，一般選用鏤空料盒（如圖5所示），讓盡可能多的等離子氣體進(jìn)入到料盒內(nèi)部，并且不干擾等離子氣體的流動(dòng)方向與流動(dòng)速度。一般選用鋁合金材質(zhì)，因?yàn)槠渚哂辛己玫募庸ぬ匦裕瑫r(shí)質(zhì)量輕，便于運(yùn)輸。玻璃和陶瓷材質(zhì)雖然在等離子清洗工藝中使用效果更佳，但在工廠批量生產(chǎn)中不利于運(yùn)輸與操作。

圖5 等離子清洗用鏤空料盒

本實(shí)驗(yàn)使用的等離子清洗機(jī)為封閉腔型，腔內(nèi)示意圖如圖6所示。并排放置4個(gè)放置空引線框架料盒，經(jīng)過等離子清洗后進(jìn)行滴水實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中間位置料盒中引線框架的清洗效果優(yōu)于旁邊位置的料盒。因此，本實(shí)驗(yàn)采用單料盒，放置于如圖6中所示位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以達(dá)到最優(yōu)清洗效果。

圖6 等離子清洗機(jī)腔內(nèi)示意圖

2.4 拉力和剪切力測(cè)試

使用DAGE 4000進(jìn)行樣品的拉力測(cè)試，測(cè)試時(shí)在料盒內(nèi)選取上中下各一條引線框架，每條引線框架上均勻選取10個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每組等離子清洗參數(shù)條件下獲得30個(gè)樣本值。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 等離子清洗參數(shù)

實(shí)驗(yàn)獲得的焊線拉力的測(cè)試結(jié)果如圖7所示。

由圖7中可以看到，第5組樣品的拉力測(cè)試值具有相對(duì)最小方差與最高PpK值，其次是第4組樣品；第9組樣品雖然使用了最大功率、最長(zhǎng)清洗時(shí)間與較大的氣體清洗流量，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不理想。

清洗功率與清洗時(shí)間超過理想的設(shè)定值時(shí)，一方面Si3N4鈍化層的晶粒會(huì)呈現(xiàn)出針狀和纖維狀，另一方面，會(huì)激發(fā)焊料內(nèi)的有機(jī)物揮發(fā)至氣流中，并在等離子清洗過程中覆蓋于芯片及引線框架表面，形成二次污染，從而影響焊接的強(qiáng)度。

圖7 拉力測(cè)試結(jié)果比較圖

由此確定，適合于該料盒的鋁線產(chǎn)品的等離子清洗參數(shù)應(yīng)參考第5組設(shè)定參數(shù)。

3.2 放置空間對(duì)清洗效果的影響

樣品在等離子清洗機(jī)腔體中的放置位置對(duì)等離子清洗效果也有明顯影響。比較分別位于上中下三層的引線框架的引線拉力測(cè)試數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可以看出，上層引線框架獲得了更穩(wěn)定的拉力測(cè)試結(jié)果。因?yàn)樯蠈右€框架與氣體接觸得更充分。位于下層的引線框架，方差值偏差較大。因此，若想得到更好的等離子清洗效果，必須盡可能多地讓引線框架暴露于等離子氣體中，引線框架的上下間距不能過于緊密。

圖8 上中下層引線框架在9組等離子清洗實(shí)驗(yàn)中的方差比較結(jié)果

綜上所述，等離子清洗有利于電子封裝的可靠性，能增強(qiáng)焊線工藝的穩(wěn)定性。在使用等離子清洗工藝時(shí)，需結(jié)合等離子清洗機(jī)腔體的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)合適的料盒，合理擺放料盒在腔體內(nèi)的位置。同時(shí)，根據(jù)清洗樣品的不同，通過DOE實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛘业阶詈线m的清洗工藝，達(dá)到最好的清洗效果。此外，料盒中引線框架的最佳上下間距以及料盒在等離子清洗機(jī)腔體中的最佳擺放位置與數(shù)量，在本文實(shí)驗(yàn)中還未涉及，下一步將結(jié)合氣體流動(dòng)模型針對(duì)此問題進(jìn)一步研究討論。

[1] 張國(guó)柱，杜海文，劉麗琴. 等離子清洗技術(shù)[J]. 機(jī)電元件，2001，12：1-34.

[2] 李東旗. 等離子清洗技術(shù)[J]. 中國(guó)集成電路，2003，8：87-89.

[3] 孫祖琴. 等離子清洗在電子元器件中的應(yīng)用[J]. 機(jī)電元件，2010，3：13-15，27.

[4] 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)， 29（12）：30-34.