等离子体清洗在引线键合、去除外表沾污等半导体封装范畴的运用

1为什么半导体封装范畴会用到等离子清洗设备
等离子体工艺是干法清洗运用中的重要部分，跟着微电子技能的开展，等离子体清洗的优势越来越显着。半导体器材出产进程中，晶圆芯片外表会存在各种颗粒、金属离子、有机物及残留的磨料颗粒等沾污杂质。为确保集成电路IC集成度和器材功能，必须在不破坏芯片及其他所用资料的外表特性、电特性的前提下，清洗去除芯片外表上的这些有害沾污杂质物。否则，它们将对芯片功能造成丧命影响和缺点，极大地下降产品合格率，并将制约器材的进一步开展。现在，器材出产中的简直每道工序都有清洗这一步骤，其意图是去除芯片外表沾污、杂质，现广泛运用的物理化学清洗办法大致可分红湿法清洗和干法清洗两类，尤其是干法清洗开展很快，其间的等离子体清洗优势显着，在半导体器材及光电子元器材封装范畴中获得推广运用。 

2何谓等离子体清洗
等离子体便是由正离子、负离子、自由电子等带电粒子和不带电的中性粒子如激起态分子以及自由基组成的部分电离的气体，因为其正负电荷总是持平的，所以称为等离子体。这也是物质存在的又一种基本形状（第四态）。一种新形状必然有与其相应的化学行为，因为等离子体中的电子、离子和自由基等活性粒子的存在，其本身很简单与固体外表发作反响，这种反响可分为物理的或化学的。用等离子体经过化学或物理作用时对工件（出产进程中的电子元器材及其半成品、零部件、基板、印制电路板）外表进行处理，完成分子水平的污渍、沾污去除（一般厚度在3nm～30nm），进步外表活性的工艺叫做等离子体清洗。其机理主要是依托等离子体中活性粒子的"活化作用"，到达去除物体外表污渍的意图，其一般包括无机气体被激起为等离子态、气相物质被吸附在固体外表、被吸附基团与固体外表分子反响生成产品分子、产品分子解析构成气相、反响残余物脱离外表等进程。 

等离子体清洗的较大特点是不分处理目标的基材类型均可进行处理，对金属、半导体、氧化物、有机物和大多数高分子资料也能进行很好的处理，只需要很低的气体流量，并可完成全体和局部以及杂乱结构的清洗。在等离子体清洗工艺中，不运用任何化学溶剂，因而基本上无污染物，有利于环境保护。此外，其出产成本较低，清洗具有杰出的均匀性和重复性、可控性，易完成批量出产。
3等离子体清洗的类别 

较基本的等离子体清洗设备由四大部分组成，即激起电源、真空泵、真空腔、反响气体源。激起电源是提供气体放电能量来历的电源，可以选用不同的频率；真空泵的主要作用是抽走副产品，包括旋片式机械泵或增压泵；真空腔内带有放电电离的电极，将反响气体变成等离子体；反响气体源一般选用的气体有氩、氧、氢、氮、四氯化碳等单一气体，或两种气体混合运用。有许多要素支配着等离子体清洗的效用，这些要素包括化学性质的挑选、制程参数、功率、时刻、零件放置及电极结构。不同的清洗用途所需要的设备结构、电极接法、反响气体品种是不同的，其工艺原理也有很大差异，有的是物理反响，有的是化学反响，有的是物理化学两种作用都发作，反响的有用性取决于等离子体气源、等离子体系的组合及等离子工艺操作参数。表1示出半导体出产中等离子工艺的挑选及运用，等离子体腐蚀、等离子体去胶较早被半导体出产前部工序选用，运用常压辉光冷等离子体所发作的活性物质对有机沾污和光刻胶进行清洗，是替代湿化学清洗办法的一种绿色手法。

3.1 化学反响为主的清洗
外表反响以化学反响为主的等离子体清洗，习惯上称等离子清洗PE，许多气体的等离子态可发作高活性的粒子。从化学反响式可知，典型的PE工艺是氧气或氢气等离子体工艺，用氧等离子经过化学反响，可以使非挥发性有机物变成易挥发性的CO2和水汽，去除沾污物，使外表清洁；用氢的等离子可经过化学反响，去除金属外表氧化层，清洁金属外表。反响气体电离发作的高活性反响粒子，在一定条件下与被清洗物体外表发作化学反响，反响生成物是易挥发性物，可以被抽走，而针对被铲除物的化学成分，挑选合适的反响气体组分是极为重要的。PE的特点是外表改性，清洗速度较快，挑选性好，对有机沾污污染比较有用。其不足是或许发作氧化物。
3.2 物理反响为主的清洗

外表反响以物理反响为主的等离子体清洗，也称为溅射腐蚀SPE或离子铣IM。外表物理溅射是指等离子体中的正离子在电场获得能量去炮击外表，撞击移去外表分子片段和原子，使污染物从外表去除，并可以使外表在分子级规模改变微观形状粗糙化，然后改进外表的粘结功能。氩气本身是惰性气体，等离子态的氩气并不和外表发作反响，较常用的工艺是氩等离子经过物理溅射使外表清洁。等离子体物理清洗不会发作氧化副作用，坚持被清洗物的化学纯洁性，腐蚀作用各向异性，缺点是对外表发作很大的损害和热效应，挑选性差，速度较低。
3.3 反响离子腐蚀 

化学清洗、物理清洗各有利弊，在反响离子腐蚀中把这两种机理结合起来，物理反响和化学反响都一起起重要作用，相互促进，其作用既有较好的挑选性、清洗率、均匀性，又有较好的方向性。
3.4 顺流等离子体清洗
顺流等离子体也叫源室分腔式等离子体DPE，发作等离子体的源坐落等离子发作腔，待清洗的工件坐落工艺腔，把气相反响粒子、原子团、光子等引进工艺腔，对工件进行清洗，把离子、电子基本滤除去。2.45GHz顺流等离子体类型是用于封装类等离子清洗的主要形式，适于清洗有机物。 

3.5 激起频率分类
常见的等离子体电源激起频率有三种：激起频率40kHz的等离子体为超声等离子，发作的反响为物理反响，清洗体系离子密度较低；13.56MHz的等离子体为射频等离子体，等离子体发作的反响既有物理反响又有化学反响，离子密度和能量较高；2.45GHz的等离子体为微波等离子体，离子浓度较高，反响为化学反响。实际上，半导体出产中大多选用射频或微波等离子体清洗，而半导体后部工序用户用的等离子体清洗设备大多数选用由铝或不锈钢制造的方形、长方形金属箱体，电极为内置平行板状结构。
各等离子体清洗设备厂家针对不同的用户需求，规划制造了许多种不同结构类型、不同电源频率的清洗设备，各有所长，也就各有所短。选用PLASMA等离子清晰设备前要搞清楚待清洗工件特征，要铲除去的沾污物是什么，待清洗工件在清洗进程中应避免什么，是高温、晶格损害、静电损害还是二次污染等，经过试验成果确认、选购满意不同工件对等离子清洗不同要求的设备。

4 在封装出产中的运用
等离子体清洗在微电子封装范畴有着广泛的运用前景，等离子体清洗技能的成功运用依赖于工艺参数的优化，包括进程压力、等离子激起频率和功率、时刻和工艺气体类型、反响腔室和电极的装备以及待清洗工件放置位置等。半导体后部出产工序中，因为指印、助焊剂、焊料、划痕、沾污、微尘、树脂残迹、自热氧化、有机物等，在器材和资料外表构成各种沾污，这些沾污会显着地影响封装出产及产品质量，运用等离子体清洗技能，可以很简单铲除去出产进程中构成的这些分子水平的污染，然后明显地改进封装的可制造性、可靠性及成品率。

在芯片封装出产中，等离子体清洗工艺的挑选取决于后续工艺对资料外表的要求、资料外表的原有特征、化学组成以及外表污染物性质等，表2示出等离子体清洗工艺的挑选及运用的部分实例。
4.1 优化引线键合
在芯片、微电子机械体系MEMS封装中，基板、基座与芯片之间有很多的引线键合，引线键合仍然是完成芯片焊盘与外引线衔接的重要方法，如何进步引线键合强度一直是职业研讨的问题。射频驱动的低压等离子清洗技能是一种有用的、低成本的清洁办法，可以有用地去除基材外表或许存在的污染物，例如氟化物、镍的氢氧化物、有机溶剂残留、环氧树脂的溢出物、资料的氧化层，等离子清洗一下再键合，会明显进步键合强度和键合引线拉力的均匀性，它对进步引线键合强度作用很大。在引线键合之前，气体等离子体技能可以用来清洗芯片接点，改进结合强度及成品率，表3示出一例改进的拉力强度比照，选用氧气及氩气的等离子体清洗工艺，在保持高工序才能指数Cpk值的一起能有用改进拉力强度。据资料介绍，研讨等离子体清洗的效能时，不同公司的不同产品类型在键合前选用等离子体清洗，增加键合引线拉力强度的起伏大小不等，但对进步器材的可靠性而言都很有优点。
用Ar等离子体，将样品置放在地极板，当射频功率为200W～600W、气体压力为100mT～120mT或140mT～180mT时，清洗10min～15min，能获得很好的清洗作用和键合强度，试验用直径25μm金丝键合引线，当选用等离子清洗后，其平均键合强度可进步到6.6gf以上。

4.2 倒装焊接前的清洗

在芯片倒装封装方面，对芯片和载体进行等离子体清洗，进步其外表活性以后再进行倒装焊，可以有用地避免或削减空洞，进步黏附性。另一特点是进步填料边缘高度，改进封装的机械强度，下降因资料间不同的热膨胀系数而在界面间构成的剪切应力，进步产品可靠性和寿命。

4.3 芯片粘结的清洗

等离子体外表清洗可用于芯片粘结之前的处理，因为未处理资料标明普遍的疏水性和惰性，其外表粘结功能一般很差，粘结进程中很简单在界面发作空洞。活化后的外表能改进环氧树脂等高分子资料在外表的活动功能，提供杰出的触摸外表和芯片粘结浸润性，可有用避免或削减空洞构成，改进热传导才能。清洗常用的外表活化工艺是经过氧气、氮气或它们的混合气等离子体来完成的。微波半导体器材在烧结前选用等离子体清洗管座，对确保烧结质量非常有用。 

4.4 引线结构的清洗

引线结构在当今的塑封中仍占有相当大的市场份额，其主要选用导热性、导电性、加工功能杰出的铜合金资料制造引线结构。但铜的氧化物及其他一些污染物会造成模塑料与铜引线结构分层，并影响芯片粘接和引线键合质量，确保引线结构清洁是确保封装可靠性的要害。研讨标明，选用氢氩混合气体，激起频率13.56MHz，可以有用地去除引线结构金属层上的污染物，氢等离子体可以去除氧化物，而氩经过离子化可以促进氢等离子体数量的增加。

4.5 管座管帽的清洗

管座管帽若存放时刻较长，外表会有陈迹且或许有污染，先对管座管帽进行等离子体清洗，去除污染，然后封帽，可明显进步封帽合格率。陶瓷封装一般运用金属浆料印制线作键合区、盖板密闭区。在这些资料的外表电镀Ni、Au前，选用等离子清洗，去掉有机物沾污，进步镀层质量。

在微电子、光电子、MEMS封装方面，等离子技能正广泛运用于封装资料清洗及活化，对解决电子元器材存在的外表沾污、界面状况不稳定、烧结及键合不良等缺点危险，提升质量管理和工序控制才能具有可操作性的积极作用，改进资料外表特性，进步封装产品功能，需要挑选合适的清洗方法和清洗时刻，对进步封装质量和可靠性极为重要。