MC应用|如何使用等离子清洗来提高引线键合和倒装芯片键合的可靠性和成功率?

2022-06-30
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引线键合前的等离子清洗可去除表面上的有机物、氧化物和氟化物污染物,促进引线键合和芯片封装的更好的界面粘附,并减少不粘焊盘 (NSOP) 和键合提升问题。

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典型应用


1. 促进更好的引线键合界面附着力;

2. 去除表面的有机物、氧化物和氟化物污染物;

3. 提高芯片贴装工艺的芯片附着力;

4. 为倒装芯片应用创建无空隙底部填充;

5. 提高板上芯片的模具和封装的附着力;








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IC芯片封装简介


半导体封装可以弥合硅芯片和 PCB 之间的尺寸差距。硅片上的金属焊盘通常太小而无法直接连接到 PCB。封装还可以帮助硅芯片更有效地将热量传导到散热器。在过去的半个世纪里,从 1970 年代到 2020 年,半导体芯片封装从 DIP(双列直插式封装)到 3D IC 有了显着的发展,如下图所示。许多传统的芯片封装技术在今天仍然被广泛使用,例如引线键合BGA和倒装芯片BGA技术。等离子清洗已广泛用于在键合前清洗芯片、裸片和引线框架,以提高可靠性并降低故障率。

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IC芯片封装中的污染


为了实现可靠的芯片封装,所有内部接口的表面必须清洁,以保证良好的附着力。IC 芯片和封装上的污染可能是有机的或无机的。无机污染物可以是在焊盘上形成的金属氧化物或氟化物。IC封装上有许多污染源。

1、污染可能来自处理胶带、塑料储存袋、助焊剂和芯片贴装过程中流出的粘合剂上的许多有机材料。有机化合物可能具有较高的脱气率。有机蒸气可以直接覆盖新鲜表面。

2、含氟气体通常在半导体工厂中用作强蚀刻剂。氟与 Al 轻微反应并在焊盘表面形成 [AlFx] (x-3)- (例如 [AlF6]3-) 或化合物 AlxFyOz。这些化合物不容易从 EKC 和 DI 水清洗过程中洗掉。因此,在焊盘上可以检测到一定百分比的氟是正常的。

3、在制造和组装过程中也可能产生一定程度的污染,例如未蚀刻的玻璃、硅芯片上的残留光刻胶、硅锯末或背面研磨或冲切过程中残留的胶带。

4、环境空气中存在大量碳氢化合物污染物。一旦焊盘或引线框架暴露在环境空气中,它们很快就会被涂上一层有机碳氢化合物。对于活性金属,表面会形成一层薄薄的金属氧化物。环境空气引起的污染可以在下面显示的数据中解释。在步骤 1 中,XPS 系统测量了干净的 InGaAs 样品表面的成分。在步骤 2 中,样品通过 2 秒远程氢等离子体进行清洁。然后再次通过 XPS 系统分析表面。氢等离子体清洁步骤不会对表面添加任何污染物。在步骤 3 中,将清洁的 InGaAs 样品暴露在环境空气中 1 小时。随后的 XPS 测量表明表面已被碳和氧污染。在第 4 步中,再次用 2 秒氢等离子体清洁受污染的 InGaAs 样品。这意味着环境空气很容易污染干净的样品表面。氢等离子体可以成功去除碳污染并减少 InGaAs 样品上的金属氧化物。

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污染物对引线键合工艺的影响








热超声引线键合是关键的封装工艺之一,特别是对于航空航天和汽车行业,键合接头可能在极端条件下受到应力。如前一节所述,氟化物、氧化物和有机碳氢化合物等污染物会降低键的界面质量。对于引线键合工艺,它可能会导致诸如不粘焊盘 (NSOP) 和键合提升等问题。Non-stick-on-pad 是指表面污染降低了表面的可焊性,使导线不会粘附在焊盘上的问题。键合提升是指键合线脱离其位置,导致键合线和焊盘之间的电气和机械连接丢失或退化的问题。焊盘表面的污染物可以作为屏障,防止形成强金属间化合物。结果,粘合常常无法通过拉力测试。氟化物污染会导致长期腐蚀问题。


如何使用等离子清洗来提高引线键合和倒装芯片键合的可靠性和成功率

等离子体是一种电离气相物质,由离子、电子、中性原子或保持电荷中性的分子组成。为了点燃等离子体,自由移动的电子将被外部电场加速,并获得足够的能量来电离沿路径的中性原子或分子。如果使用氧气或氢气产生等离子体,高能电子可以解离氧/氢分子并产生原子氧/氢、臭氧或其他类型的活性自由基。除了反应性自由基,等离子体还可以产生高能离子。血浆与样品相互作用的主要机制有两种。第一个是与活性自由基的化学反应。二是物理高能离子溅射。这两种机制在去除引线键合和倒装芯片键合工艺的表面污染方面都发挥着重要作用。以下是等离子清洗如何使引线键合和倒装芯片键合工艺受益。

等离子清洗可去除引线键合和倒装芯片键合工艺中的有机污染物

有机污染物是许多引线键合和倒装芯片键合工艺中的主要污染源。幸运的是,活性氧或氢自由基可以快速与表面有机污染物发生反应,如碳氢化合物、光刻胶残留物、助焊剂残留物、胶带残留物等。等离子蚀刻已广泛应用于 IC 制造过程中,因为它可以精确去除材料在纳米尺度上。键合和封装过程中的组件规模通常要大得多。所以如果有机污染物的厚度超过几十微米,单独的等离子清洗工艺可能不是很有效。焊盘表面上的大部分污染物的厚度在纳米级到几微米的量级。这些污染物可以在几分钟内通过等离子清洗工艺快速去除。如果助焊剂、胶带和粘合剂的残留物厚度超过几微米,则应在等离子清洗步骤之前先进行溶剂清洗工艺。

如果有机污染物的厚度在几纳米量级,纯氩等离子清洗工艺也可以通过物理氩离子溅射工艺有效去除表面污染物。如果芯片、PCB 或引线框架含有易氧化的活性金属,例如银、铜或铝,则不应使用氧等离子体。对于这些样品,应使用纯氩等离子体或与氢气混合的氩气。对于金焊盘,氩气、氧气或氢气等离子都可以达到很好的效果。在大多数情况下,氧等离子体的蚀刻速度对于有机材料来说明显更高。


氩气或氩+氢等离子体可以去除焊盘上的表面氧化物和氟化物

许多金属焊盘在芯片和引线框架存放在周围环境中时很容易被氧化。银垫很容易失去光泽是一个常见问题。当然,氟化物腐蚀是许多过早粘合失效的另一个主要原因。氩离子溅射可以有效去除金属焊盘表面的一层薄薄的氧化物和氟化物。将氩气与氢气混合以产生等离子体也可以通过氢气还原反应去除氧化物。但并非所有金属氧化物都能在室温下被原子氢还原。例如,氢等离子体在室温下不能化学还原氧化铝。氢离子的重量不足以溅出表面的氧化物或氟化物。重要的是向等离子体中添加较重的氩气,以便高能氩离子可以通过物理离子溅射工艺去除表面氧化物和氮化物。等离子清洗只是一种表面处理,因此它不能去除扩散到大部分金属中的氟。






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氩等离子清洗前后的银焊盘







在上面的照片中,氩等离子清洗使失去光泽的银垫在去除表面有机污染物和氧化银层后看起来更亮更亮。下面的数据表明,经过3分钟的纯氩等离子体清洁后,引线键合的拉力显着提高。







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等离子清洗可以增加表面能并减少底部填充空隙





水滴接触角测量方法已被广泛用作评估样品表面有机污染物厚度的低成本方法。有机污染物可以排斥水,从而增加接触角。干净的表面会显着降低接触角。当然,低接触角意味着更高的表面能。对于倒装芯片底部填充应用,高表面能可以显着提高芯吸速度,减少底部填充空隙,并产生均匀的圆角高度。





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等离子清洗前后的4英寸晶圆










直接模式与下游模式等离子清洗





在等离子清洗的直接模式中,样品直接浸入等离子中。样品将经历高能离子溅射和与氧或氢自由基的表面化学反应。等离子体还可以产生红外、可见光和紫外光子。一些专用芯片对表面离子溅射、紫外光子辐射或电荷极为敏感。在这种情况下,可以使用更温和的下游等离子清洗模式。在 Tergeo 等离子系统的等离子清洗的下游模式中,等离子不会直接在样品室中产生。它是在连接到样品室的单独等离子源中产生的。由于样品没有浸入等离子体中,因此可以最大限度地减少表面离子溅射、UV光子辐射和带电。下游模式样品清洗主要是与从远程等离子体源扩散出来的中性自由基的表面化学反应。直接模式等离子清洗通常比下游模式等离子清洗更快。下游模式比直接模式更温和。由于物理离子溅射在下游模式等离子清洗中大多不存在,纯氩等离子不会很有效。通常,应将氧气或氢气添加到用于下游模式等离子体清洁的工艺气体中。纯氩等离子体不会很有效。通常,应将氧气或氢气添加到用于下游模式等离子体清洁的工艺气体中。纯氩等离子体不会很有效。通常,应将氧气或氢气添加到用于下游模式等离子体清洁的工艺气体中。





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直接(左)和下游(右)等离子清洗模式







等离子清洗的局限性





等离子清洗可有效去除厚度小于几微米的有机污染物。尽管可以用氧等离子体灰化较厚的有机污染物层,但时间可能比溶剂清洁方法长。在某些情况下,不能使用氧等离子体,因为铜和银等活性金属很容易被氧等离子体氧化。纯氩离子溅射清洗方法对去除厚厚的有机污染物层不是很有效。如果芯片有厚厚的焊锡、粘合剂或胶带残留物,最好用溶剂清洗方法去除大部分残留物,然后再进行等离子清洗工艺,以达到原始表面清洁度。

对于表面氧化物或氮化物,厚度应为几十纳米或更小,以使等离子清洗对氩或氩+氢等离子体有效。在正常室温下,它不能去除表面层以下深处的氧化物或氮化物。

等离子清洗在去除晶圆切割过程中产生的大锯末或颗粒/碎片方面可能不是很有效,因为这些污染物通常是大的无机颗粒或沉积物,不容易被氩气、氩气+氧气蚀刻或溅射掉,或氩+氢等离子体。






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