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引言：

引線(xiàn)鍵合（Wire bonding ）前的等離子清洗（Plasma cleaning）可去除表面上的有機(jī)物、氧化物和氟化物污染物，促進(jìn)引線(xiàn)鍵合和芯片封裝的更好的界面附著力，并減少不粘焊盤(pán) （NSOP） 和鍵合提升問(wèn)題。

一、典型應(yīng)用

（1）促進(jìn)引線(xiàn)鍵合更好的界面附著力

（2）去除表面的有機(jī)物、氧化物和氟化物污染

（3）提高芯片粘接工藝的芯片附著力

（4）為倒裝芯片應(yīng)用創(chuàng)建無(wú)空隙底部填充

（5）提高芯片板芯片的模具附著力和封裝性

二、IC芯片封裝簡(jiǎn)介

半導(dǎo)體封裝可以彌合硅芯片和PCB之間的尺寸差距。硅芯片上的金屬焊盤(pán)通常太小，無(wú)法直接連接到PCB。封裝還可以幫助硅芯片更有效地將熱量傳導(dǎo)到散熱器。在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里，從 1970 年代到 2020 年，半導(dǎo)體芯片封裝從 DIP（雙列直插式封裝）到 3D IC 發(fā)生了顯著變化，如下圖所示。許多傳統(tǒng)的芯片封裝技術(shù)至今仍在廣泛使用，如引線(xiàn)鍵合BGA和倒裝芯片BGA技術(shù)。等離子清洗已被廣泛用于在鍵合前清潔芯片、芯片和引線(xiàn)框架，以提高可靠性并降低故障率。

三、IC芯片封裝中的污染

為了實(shí)現(xiàn)可靠的芯片封裝，所有內(nèi)部接口的表面必須清潔，以確保良好的附著力。IC芯片和封裝上的污染可以是有機(jī)的，也可以是無(wú)機(jī)的。無(wú)機(jī)污染物可以是粘合墊上形成的金屬氧化物或氟化物。IC封裝上的污染源很多。

（1）污染可能來(lái)自處理膠帶、塑料儲(chǔ)存袋、助焊劑和芯片貼裝過(guò)程中滲出的粘合劑上的許多有機(jī)材料。有機(jī)化合物可能具有更高的釋氣率。有機(jī)蒸氣可以直接覆蓋新鮮表面。

（2）含氟氣體通常在半導(dǎo)體晶圓廠中用作強(qiáng)蝕刻劑。氟與Al發(fā)生輕微反應(yīng)，在粘接墊表面形成[AlFx]（x-3）-（例如[AlF6]3-）或化合物AlxFyOz。這些化合物不能輕易從EKC和DI水清洗過(guò)程中洗掉。因此，在粘合墊上檢測(cè)到一定比例的氟是正常的。

（3）在制造和組裝過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一定程度的污染，例如未蝕刻的玻璃、硅芯片上的殘留光刻膠、硅鋸末或背磨或模切過(guò)程中的膠帶殘留物。

（4）環(huán)境空氣中存在豐富的碳?xì)浠衔镂廴?。一旦焊盤(pán)或引線(xiàn)框架暴露在環(huán)境空氣中，它們很快就會(huì)被一層有機(jī)碳?xì)浠衔锿扛?。?duì)于活性金屬，表面會(huì)形成一層薄薄的金屬氧化物。環(huán)境空氣引起的污染可以在下面顯示的數(shù)據(jù)中解釋。在步驟1中，XPS系統(tǒng)測(cè)量了干凈的InGaAs樣品表面的組成。在步驟2中，通過(guò)2秒鐘的遠(yuǎn)程氫等離子體清潔樣品。然后通過(guò)XPS系統(tǒng)再次分析表面。氫氣等離子體清洗步驟不會(huì)向表面添加污染物。在步驟3中，將清潔的InGaAs樣品暴露在環(huán)境空氣中1小時(shí)。隨后的XPS測(cè)量表明，表面已被碳和氧污染。在步驟4中，再次用2秒氫等離子體清潔受污染的InGaAs樣品。這意味著環(huán)境空氣很容易污染干凈的樣品表面。氫等離子體可以成功去除碳污染并減少I(mǎi)nGaAs樣品上的金屬氧化物。

四、污染對(duì)引線(xiàn)鍵合工藝的影響

熱超聲引線(xiàn)鍵合是關(guān)鍵的封裝工藝之一，特別是對(duì)于航空航天和汽車(chē)行業(yè)，在嚴(yán)苛的條件下，鍵合接頭可能會(huì)受到應(yīng)力。如上一節(jié)所述，氟化物、氧化物和有機(jī)碳?xì)浠衔锏任廴疚飼?huì)降低鍵的界面質(zhì)量。對(duì)于引線(xiàn)鍵合工藝，它可能會(huì)導(dǎo)致諸如不粘焊盤(pán) （NSOP） 和鍵合提升等問(wèn)題。不粘焊盤(pán)是指表面污染會(huì)降低表面粘合性，從而使電線(xiàn)不會(huì)粘附在焊盤(pán)上的問(wèn)題。焊盤(pán)提升是指焊線(xiàn)從其位置脫落，導(dǎo)致鍵合線(xiàn)和焊盤(pán)之間的電氣和機(jī)械連接丟失或退化的問(wèn)題。粘接墊表面的污染物可以作為屏障并防止形成強(qiáng)烈的金屬間化合物。因此，粘結(jié)通常無(wú)法通過(guò)拉力測(cè)試。氟化物污染會(huì)導(dǎo)致長(zhǎng)期腐蝕問(wèn)題。

五、如何使用等離子清洗來(lái)提高引線(xiàn)鍵合和倒裝芯片鍵合的可靠性和成功率

等離子體是一種電離氣相物質(zhì)，由離子、電子、中性原子或保持電荷中性的分子組成。為了點(diǎn)燃等離子體，自由移動(dòng)的電子將被外部電場(chǎng)加速并獲得足夠的能量來(lái)電離沿路徑的中性原子或分子。如果使用氧氣或氫氣產(chǎn)生等離子體，高能電子可以解離氧/氫分子并產(chǎn)生原子氧/氫、臭氧或其他類(lèi)型的反應(yīng)自由基。除了活性自由基，等離子體還可以產(chǎn)生高能離子。等離子體與樣品相互作用有兩種主要機(jī)制。個(gè)是與活性自由基的化學(xué)反應(yīng)。二是物理高能離子濺射。這兩種機(jī)制在去除引線(xiàn)鍵合和倒裝芯片鍵合工藝的表面污染物方面都起著重要作用。以下是等離子清洗如何使引線(xiàn)鍵合和倒裝芯片鍵合工藝受益。

六、等離子清洗可去除引線(xiàn)鍵合和倒裝芯片鍵合工藝中的有機(jī)污染物

有機(jī)污染是許多引線(xiàn)鍵合和倒裝芯片鍵合工藝中的主要污染源。幸運(yùn)的是，活性氧或氫自由基可以快速與表面有機(jī)污染物反應(yīng)，例如碳?xì)浠衔?，光刻膠殘留物，助焊劑殘留物，膠帶粘合劑殘留物等。等離子刻蝕已廣泛用于IC制造工藝，因?yàn)樗梢跃_地去除納米級(jí)的材料。粘合和包裝過(guò)程中組件的規(guī)模通常要大得多。因此，如果有機(jī)污染物的厚度超過(guò)數(shù)十微米，則僅靠等離子清洗過(guò)程可能不是很有效。粘合墊表面大多數(shù)污染物的厚度在納米級(jí)到幾微米的范圍內(nèi)。這些污染物可以在幾分鐘內(nèi)通過(guò)等離子清洗過(guò)程快速去除。如果助焊劑、膠帶和粘合劑的殘留物厚度超過(guò)幾微米，則應(yīng)在等離子清洗步驟之前行溶劑清洗過(guò)程。

如果有機(jī)污染物的厚度在幾納米量級(jí)，純氬等離子清洗工藝也可以通過(guò)物理氬離子濺射工藝有效地去除表面污染物。如果芯片、PCB 或引線(xiàn)框架含有容易氧化的活性金屬，如銀、銅或鋁，則不應(yīng)使用氧等離子體。對(duì)于這些樣品，應(yīng)使用純氬等離子體或與氫氣混合的氬氣代替。對(duì)于金墊，氬氣、氧氣或氫氣等離子體都可以達(dá)到良好的效果。在大多數(shù)情況下，對(duì)于有機(jī)材料，氧等離子體的蝕刻速度明顯更高。

七、氬氣或氬氣+氫等離子體可以去除粘接墊上的表面氧化物和氟化物

許多金屬焊盤(pán)在芯片和引線(xiàn)框架存放在周?chē)h(huán)境中時(shí)很容易被氧化。銀墊很容易失去光澤是一個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題。當(dāng)然，氟化物腐蝕是許多過(guò)早粘接失效的另一個(gè)主要原因。氬離子濺射可以有效去除金屬墊表面的一層薄薄的氧化物和氟化物。將氬氣與氫氣混合生成等離子體也可以通過(guò)氫還原反應(yīng)除去氧化物。但并非所有金屬氧化物都可以在室溫下被原子氫還原。例如，氫等離子體在室溫下不能化學(xué)還原氧化鋁。氫離子的重量不足以濺射掉表面氧化物或氟化物。重要的是在等離子體中添加較重的氬氣，以便高能氬離子可以通過(guò)物理離子濺射過(guò)程去除表面氧化物和氮化物。等離子清洗只是一個(gè)表面過(guò)程，因此它不能去除擴(kuò)散到大部分金屬中的氟。

氬等離子清洗前后的銀鍵合墊。

在上面的圖片中，氬等離子清洗使失去光澤的銀墊在去除表面有機(jī)污染物和氧化銀層后看起來(lái)更明亮、更閃亮。下面的數(shù)據(jù)顯示，在純氬等離子清洗3分鐘后，焊線(xiàn)的拉力顯著提高。

八、等離子清洗可以增加表面能并減少底部填充空隙。

水滴接觸角測(cè)量方法已被廣泛用作評(píng)估樣品表面有機(jī)污染物厚度的低成本方法。有機(jī)污染可以排斥水，從而增加接觸角。干凈的表面將顯著降低接觸角。當(dāng)然，低接觸角意味著更高的表面能。對(duì)于倒裝切屑底部填充應(yīng)用，高表面能可以顯著提高芯吸速度，減少底部填充空隙，并產(chǎn)生均勻的圓角高度。

等離子清洗前后的 4“ 晶圓

九、Tergeo等離子清洗機(jī)中進(jìn)行芯片封裝前的等離子清洗和引線(xiàn)鍵合

十、浸沒(méi)模式與遠(yuǎn)程模式等離子清洗

在等離子體清洗的浸沒(méi)模式下，樣品直接浸入等離子體中。樣品將經(jīng)歷高能離子濺射和與氧或氫自由基的表面化學(xué)反應(yīng)。等離子體還可以產(chǎn)生紅外、可見(jiàn)光和紫外光子。一些專(zhuān)用芯片對(duì)表面離子濺射、紫外光子輻射或電荷極其敏感。在這種情況下，可以使用更溫和的遠(yuǎn)程等離子清洗模式。在 Tergeo 等離子體系統(tǒng)上的遠(yuǎn)程等離子體清洗模式下，不會(huì)直接在樣品室中生成等離子體。它是在連接到樣品室的單獨(dú)等離子體源中產(chǎn)生的。由于樣品未浸入等離子體中，因此可以限度地減少表面離子濺射、紫外光子輻射和電荷。遠(yuǎn)程模式樣品清洗主要是表面化學(xué)反應(yīng)，中性自由基從遠(yuǎn)程等離子體源擴(kuò)散出來(lái)。浸沒(méi)模式等離子清洗通常比遠(yuǎn)程模式等離子清洗更快。遠(yuǎn)程模式比浸沒(méi)模式更溫和。由于在遠(yuǎn)程模式等離子體清洗中大多不存在物理離子濺射，因此純氬等離子體不會(huì)非常有效。通常，應(yīng)在工藝氣體中添加氧氣或氫氣，以進(jìn)行遠(yuǎn)程模式等離子清洗。

浸沒(méi)（左）和遠(yuǎn)程（右）等離子清洗模式

十一、等離子清洗的局限性

等離子清洗可有效去除厚度小于幾微米的有機(jī)污染物。盡管可以用氧等離子體灰化較厚的有機(jī)污染物層，但時(shí)間可能比溶劑清潔方法長(zhǎng)。在某些情況下，不能使用氧等離子體，因?yàn)殂~和銀等活性金屬很容易被氧等離子體氧化。純氬離子濺射清洗方法在去除一層厚厚的有機(jī)污染物方面不是很有效。如果芯片有厚厚的焊料、粘合劑或膠帶殘留物，使用溶劑清潔方法去除大部分殘留物，然后進(jìn)行等離子清洗過(guò)程以實(shí)現(xiàn)原始表面清潔。

對(duì)于表面氧化物或氮化物，厚度應(yīng)為數(shù)十納米或更小，以便等離子體清潔對(duì)氬氣或氬氣+水合物有效。在正常室溫下，它不能去除表層深處的氧化物或氮化物。

等離子清洗在去除晶圓切割過(guò)程中產(chǎn)生的大鋸末或顆粒/碎屑方面可能不是很有效，因?yàn)檫@些污染物通常是大的無(wú)機(jī)顆粒或沉積物，不能輕易被氬氣、氬氣+氧氣或氬氣+氫等離子體蝕刻或?yàn)R射掉。