田愛民，周安琪

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110000）

1 引言

芯片是電子元器件的核心，尤其在軍用芯片中，為保證穩(wěn)定性和可靠性，在GJB548B方法2021.1對單片內(nèi)部目檢有相關(guān)規(guī)定，要求密封前對芯片進(jìn)行100%內(nèi)部目檢，查出可能導(dǎo)致器件在正常使用時(shí)失效的內(nèi)部缺陷和多余物并剔除。缺陷包含金屬層缺陷、擴(kuò)散和鈍化層缺陷、劃片和芯片缺陷、玻璃鈍化層缺陷等；多余物則包含液滴、化學(xué)污斑、油墨或光致抗蝕劑及其他可動(dòng)多余物[1]。

現(xiàn)有已劃片硅基晶圓，在使用前的內(nèi)部目檢中發(fā)現(xiàn)表面存在粘污。用常規(guī)手段如乙醇浸泡[2]、刷片機(jī)刷洗均無明顯效果；乙醇棉擦拭芯片表面后，粘污顆粒可見明顯減少，但有部分顆粒在壓力作用下，進(jìn)入鋁條縫隙，現(xiàn)有方法無法去除干凈[3]。針對這一情況，選兩種型號(hào)粘污硅基芯片嘗試進(jìn)行清洗處理，并確保所形成的清洗方法能在去除芯片表面粘污的同時(shí)不影響到芯片正常功能及組裝可靠性[4]。

2 粘污顆粒分析

在50倍顯微鏡下觀察,污染物表現(xiàn)為黑色顆粒，較為密集，如圖1所示；在100倍顯微鏡下觀察則為透明膠狀顆粒，如圖2所示。對粘污顆粒來源進(jìn)行分析，芯片背面貼藍(lán)膜，正面貼黃紙。通過顯微鏡放大，觀察到黃紙表面存在油脂性物質(zhì)，性質(zhì)與芯片表面粘污物一致，由于芯片表面直接與黃紙接觸，定位是黃紙表面物質(zhì)轉(zhuǎn)移到芯片表面，造成芯片表面粘污。此處所用黃紙又稱為離形紙或者硅油紙[5]，共三層結(jié)構(gòu)，底層結(jié)構(gòu)為黃紙，中間是淋膜，表層為硅油，可確定芯片表面即為硅油粘污。有資料表明，硅油不溶于水、甲醇、乙二醇，稍溶于丙酮、二惡烷、乙醇和丁醇，可與苯、二甲醚、甲基乙基酮、四氯化碳或煤油互溶[6]。

圖1 50倍顯微鏡下觀察到密集黑色顆粒

圖2 100倍顯微鏡下觀察到透明膠狀顆粒

3 清洗效果驗(yàn)證

通過對粘污顆粒來源分析，已確定芯片表面污染物為硅油，屬于有機(jī)物，故可使用有機(jī)物之間互溶特性來去除硅油[7]。有機(jī)物的選取原則為液體、無毒、不易燃、不易爆。從符合要求的有機(jī)溶劑中選取4種，分別為：丙酮、航空煤油、異丙醇和氟利昂F113（三氟三氯乙烷）[8]。

清洗方法選取3種，分別為浸泡、棉球擦拭以及超聲波清洗。

對某型號(hào)芯片進(jìn)行清洗，試驗(yàn)方案如表1。

表1 清洗試驗(yàn)方案

3.1 丙酮清洗

使用丙酮浸泡同一芯片，每隔5min在100倍顯微鏡下觀察表面變化，結(jié)果顯示5min、10min、15min、20min后片面粘污情況無變化。使用丙酮浸泡沒有起到清洗效果。

使用棉球蘸丙酮溶劑擦拭芯片表面至少三次，處理后在100倍顯微鏡下觀察，部分顆粒在壓力作用下，被擠進(jìn)鋁條與鋁條之間，去除效果不理想。

使用超聲波清洗機(jī)在丙酮溶劑中清洗芯片，時(shí)間3min，清洗后片面粘污情況仍無變化。

3.2 航空煤油清洗

使用航空煤油浸泡芯片5min，芯片表面硅油與煤油互溶，但煤油揮發(fā)較慢，完全揮發(fā)至少需5min，揮發(fā)后溶解的硅油又析出至芯片表面。

使用棉球蘸航空煤油溶劑擦拭，芯片表面硅油被溶解，但仍會(huì)有少部分煤油殘留在芯片表面，揮發(fā)后在芯片四周位置留下一圈痕跡，去除效果不理想。

使用超聲波清洗機(jī)在航空煤油中清洗芯片，時(shí)間3min，清洗后同樣存在芯片表面煤油揮發(fā)慢和硅油復(fù)析的問題。

3.3 氟利昂F113清洗

使用氟利昂F113浸泡同一芯片，每隔5min在100倍顯微鏡下觀察表面變化。結(jié)果顯示5 min、10min、15min、20min后片面粘污情況無變化，使用氟利昂F113浸泡無效果。

由于氟利昂F113沸點(diǎn)在50℃左右，揮發(fā)較快，棉球蘸氟利昂后由于蒸發(fā)吸熱制冷，空氣中的水汽會(huì)凝結(jié)成冰附著在棉球上，擦拭時(shí)可能會(huì)磕傷芯片。

氟利昂F113揮發(fā)較快，不適用超聲清洗方法。

3.4 異丙醇清洗

使用異丙醇浸泡同一芯片，每隔5min在100倍顯微鏡下觀察表面變化。結(jié)果顯示5min、10min、15min、20min后，芯片表面有機(jī)物部分溶解。15min后無變化，最終并未能完全去除有機(jī)物粘污。

使用棉球蘸異丙醇溶劑擦拭芯片表面，在100倍顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)芯片中央部分的有機(jī)物被擦除，芯片四周留下一圈痕跡。再使用乙醇棉球?qū)π酒車M(jìn)行擦拭，可將環(huán)狀痕跡處理干凈。

使用超聲波清洗機(jī)在異丙醇溶劑中清洗芯片，時(shí)間3min，清洗后芯片表面硅油被完全處理干凈。

4 超聲波清洗工藝優(yōu)化

在清洗效果驗(yàn)證過程中，相比其余3種溶劑，異丙醇溶劑在去除芯片表面硅油上效果更為顯著。而就清洗方法而言，超聲清洗無論在效率上還是在效果上，都比浸泡和擦拭方式更具優(yōu)勢。

清洗效果驗(yàn)證是針對單一芯片進(jìn)行的。單一芯片超聲清洗雖然有效，但清洗過程中芯片在超聲波的作用下不斷移動(dòng)，芯片之間以及與容器側(cè)壁易發(fā)生碰撞磕傷，因此需要解決芯片固定問題。

通過反復(fù)研究試驗(yàn)后，確定一種清洗方法，即將粘污芯片從藍(lán)膜上取下后，貼在裁剪成合適大小的UV膜上，再用固定夾具固定UV膜，保持其緊繃狀態(tài)。將整個(gè)結(jié)構(gòu)放入裝有異丙醇的燒杯中，確保異丙醇浸沒過芯片。將燒杯放入裝有一定水量的超聲設(shè)備中，水位高于或等于異丙醇液面高度，按照設(shè)定參數(shù)進(jìn)行超聲清洗。清洗后用紫外光照射UV膜脫粒。清洗裝置示意圖如圖3所示。

圖3 清洗裝置示意圖

選取UV膜要確保其中的有機(jī)成分不溶于異丙醇，且不應(yīng)對芯片表面造成額外影響。異丙醇只使用一次，用完即回收；若反復(fù)使用，芯片掉落的硅渣會(huì)在超聲作用下?lián)p傷芯片表面。

在確定清洗方法后，以兩種型號(hào)粘污芯片為樣品，型號(hào)一芯片面積2.28mm×2.28mm，型號(hào)二芯片面積1.92mm×1.24mm，單次清洗數(shù)量100只，研究超聲參數(shù)設(shè)置對清洗效果的影響。由于有超聲功率、超聲頻率以及超聲時(shí)間三個(gè)參數(shù)，三相正交數(shù)據(jù)量較大，因此采用單一變量法先確定一個(gè)參數(shù)，而后再進(jìn)行另兩個(gè)參數(shù)的正交試驗(yàn)，以確定出最佳的超聲清洗參數(shù)。

固定超聲功率和超聲時(shí)間不變，研究超聲頻率變化對清洗效果的影響。設(shè)備最大超聲頻率33kHz，參數(shù)10%～100%可調(diào)，按3.3kHz步進(jìn)，從3.3kHz、6.6kHz、9.9kHz……、29.7kHz直至33kHz，共設(shè)置10個(gè)參數(shù)。表2列出了型號(hào)一和型號(hào)二超聲頻率與清洗后芯片合格率（每百只）的對應(yīng)關(guān)系，通過表中數(shù)據(jù)看出，頻率在26.4kHz時(shí)，型號(hào)一芯片清洗后合格率達(dá)83%，型號(hào)二芯片則達(dá)85%，清洗效果最佳。當(dāng)頻率超過26.4kHz，磕傷成為芯片不合格的主因。

表2 超聲頻率與清洗后芯片合格率（每百只）的關(guān)系

確定超聲頻率為26.4kHz后，進(jìn)行超聲功率和超聲時(shí)間的正交試驗(yàn)。設(shè)備超聲功率300W，參數(shù)10%～100%可調(diào)，按30W步進(jìn)，從30W、60W、90W、……、270W直至300W，共設(shè)置10個(gè)參數(shù)。超聲清洗時(shí)間根據(jù)前期摸索試驗(yàn)確定為3min、5min、7min三檔。表3列出超聲功率和超聲時(shí)間與清洗后芯片合格率（每百只）的對應(yīng)關(guān)系。由表中數(shù)據(jù)可見，超聲功率270W，超聲時(shí)間5min時(shí)，型號(hào)一和型號(hào)二芯片清洗后合格率均為100%，清洗效果最佳。超聲功率低于120W時(shí)，對芯片表面的硅油去除基本無效果；超聲功率在300W時(shí)，芯片表面磕傷嚴(yán)重。清洗時(shí)間短，去除效果不明顯；清洗時(shí)間長，則可觀察到芯片表面有磕傷現(xiàn)象。

表3 清洗后芯片合格率（每百只）單位：%

5 清洗后可靠性驗(yàn)證

型號(hào)一芯片封裝工藝為導(dǎo)電膠粘片、25μm金絲鍵合、AuSn熔封；型號(hào)二芯片封裝工藝為合金粘片、32μm硅鋁絲鍵合、AnSn熔封，每種型號(hào)各封裝10只進(jìn)行小批量驗(yàn)證。粘片后和鍵合后各芯片外觀檢驗(yàn)均正常。

型號(hào)一和型號(hào)二各抽取5只進(jìn)行鍵合拉力和芯片剪切力試驗(yàn)，鍵合拉力和芯片剪切力滿足GJB548相關(guān)要求，且與同型號(hào)未粘污芯片鍵合拉力、剪切力數(shù)值基本一致。

剩余電路密封后外觀檢驗(yàn)合格，氣密性檢驗(yàn)合格，三溫測試功能均合格，且與同型號(hào)未粘污芯片測試結(jié)果一致。

型號(hào)一和型號(hào)二從剩余5只氣密性合格的產(chǎn)品中，各抽取3只進(jìn)行水汽含量檢測，結(jié)果表明水汽含量均小于5000×10-6，且成分中無異丙醇。

小批量驗(yàn)證合格后，對兩種型號(hào)產(chǎn)品進(jìn)行批量驗(yàn)證，按各自產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范要求進(jìn)行考核，考核依據(jù)GJB548。篩選合格率均為100%，通過一致性檢驗(yàn)。

6 結(jié)束語

通過實(shí)際清洗驗(yàn)證，表明使用有機(jī)溶劑異丙醇配合特定參數(shù)的超聲波清洗，可以去除芯片表面硅油粘污。在超聲功率270W，超聲頻率26.4kHz，超聲時(shí)間5min參數(shù)條件下，清洗效果最佳，同時(shí)驗(yàn)證了使用該方案清洗不影響芯片性能及組裝可靠性。