等離子技術(shù)與集成電路

隨著集成電路的縮小，伴隨而來的引線接合焊盤尺寸的減小造成對(duì)接合焊盤污染的敏感性增加。引線接合焊盤污染可能造成較差的接合焊盤抗拉強(qiáng)度和較差的接合強(qiáng)度均勻性。因此，在引線接合之前，從接合焊盤表面清除所有污染是特別重要的1,2,3,4,6。在引線接合之前準(zhǔn)備焊盤的有效的、低成本的方法是使用射頻驅(qū)動(dòng)的低壓等離子技術(shù)5,6。等離子技術(shù)的成功應(yīng)用依賴工藝參數(shù)的優(yōu)化，包括過程壓力、等離子功率、時(shí)間和工藝氣體類型。這里要討論的是這些關(guān)鍵的等離子工藝參數(shù)及其對(duì)引線接合抗拉強(qiáng)度的影響。

等離子清洗技術(shù)

不是所有的等離子技術(shù)都是相同的，同樣不是所有的集成電路封裝都是相同的，這使得對(duì)等離子技術(shù)和集成電路封裝的理解成為得到成功結(jié)果的關(guān)鍵。在為引線接合強(qiáng)度的改善開發(fā)一個(gè)成功的等離子清洗工藝中，重要的因素包括基板材料、其化學(xué)與溫度的敏感性、處理基板的方法、產(chǎn)量和均勻性。理解這些要求可以最終定義等離子系統(tǒng)的工藝參數(shù)。

等離子工藝的目的是要是引線拉力強(qiáng)度最大，因而減少失效和提高合格率。在做到這一點(diǎn)的同時(shí)，又要盡量不影響封裝生產(chǎn)線的產(chǎn)量。因此關(guān)鍵的是要通過審慎地選擇工藝氣體、操作壓力、時(shí)間和等離子功率來優(yōu)化等離子工藝。如果工藝條件選擇不當(dāng)，可能造成引線接合強(qiáng)度的改善有限，或者甚至降低引線接合強(qiáng)度。

圖一、一個(gè)典型的等離子

典型的等離子的組成是，電子、離子、自由基和質(zhì)子，從電磁輻射的應(yīng)用以低壓產(chǎn)生到氣體容積中(圖一)。有各種產(chǎn)生等離子的方法，但是首選方法是使用射頻激勵(lì)。高度吸收能量的非平衡等離子能夠通過物理、化學(xué)和物理/化學(xué)方法達(dá)到表面清洗和表面激化，而不改變被清洗的材料的整體性質(zhì)。選擇性、各向異性、均勻性和清潔率是工藝參數(shù)選擇的函數(shù)。工藝參數(shù)也決定工藝是否為物理的、化學(xué)的或者兩種機(jī)制的結(jié)合。當(dāng)用于清潔接合焊盤座時(shí)，每個(gè)都有顯著的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。工藝氣體的選擇、容室壓力、應(yīng)用功率和工藝時(shí)間都決定清潔機(jī)制及其效果。

等離子工藝參數(shù)

工藝氣體：在一個(gè)物理過程中，在氬等離子中產(chǎn)生的離子以足夠的能量輻射表面，去掉表面污物。正離子的氬原子將吸引到在等離子室的負(fù)向充電的電極板。這個(gè)電性吸引強(qiáng)制地將離子吸引到電極。由于離子撞擊接合焊盤的表面，撞擊力足以去除表面上的任何污垢。然后這污水通過真空泵排出。

輻射的優(yōu)點(diǎn)是它不是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)，它清理零件表面不留下任何氧化物。離子是清除污物的重要元素，污物包括金屬鹽和其它不容易通過化學(xué)工藝去掉的無機(jī)污染物。最終的產(chǎn)品是一個(gè)完全由基板材料構(gòu)成的表面2,4,6。缺點(diǎn)包括有機(jī)基板材料的可能過量腐蝕和污染物或基板顆粒重新積聚在其它不希望的區(qū)域。不管怎樣，這些缺點(diǎn)一般通過細(xì)調(diào)工藝參數(shù)相對(duì)容易控制。

化學(xué)工藝使用產(chǎn)生氣相輻射的等離子來與樣品表面上的化合物反應(yīng)，通過隨后從等離子系統(tǒng)泵出的產(chǎn)品形成氣相。例如，有機(jī)污染物可以有效地用氧氣等離子去掉，這里氧氣輻射與污染物反應(yīng)，產(chǎn)生二氧化碳、一氧化碳和水。清潔速度和更大的腐蝕選擇性是等離子中化學(xué)清洗的優(yōu)點(diǎn)，一般地說，化學(xué)反應(yīng)清除有機(jī)污染物效果更好2,4,6。主要缺點(diǎn)是氧化物可能在基板上形成，并且在許多引線接合應(yīng)用中，氧化物可能是最不希望的2,4,6。正如在輻射情況中一樣，這些缺點(diǎn)是通過適當(dāng)選擇工藝參數(shù)相對(duì)容易控制的。

壓力：工藝容室壓力是氣流速度、產(chǎn)品排氣率和泵速的函數(shù)。工藝氣體的選擇決定等離子清洗機(jī)制(物理、化學(xué)或物理/化學(xué))，最終，氣流速度和工藝壓力狀況。

物理工藝一般要求比化學(xué)工藝較低的壓力。物理等離子清洗要求，在通過碰撞去激的減活作用之前，已激勵(lì)的粒子碰撞基板表面。如果工藝壓力高，已激勵(lì)的粒子在到達(dá)接合焊盤之前將與其它粒子經(jīng)過很多次的碰撞，因此減低了清潔力。已激勵(lì)的粒子在碰撞之前所運(yùn)行的距離叫做該粒子的平均自由路程，它與壓力成反比。平均自由路程 l 定義為： l = (kT/σ2P)。這里P和T是氣體的壓力與溫度，k是一個(gè)常數(shù)，σ是氣體分子的直徑。圖一顯示氬的平均自由路程是壓力的函數(shù)。物理工藝要求低壓以利于平均自由路程達(dá)到最大，因而使碰撞沖擊達(dá)到最大。可是，如果壓力降低太多，將沒有足夠的活性反應(yīng)組分在合理的時(shí)間內(nèi)來清潔基板。

圖二、氬的平均自由路程，是壓力的函數(shù)

化學(xué)工藝依賴產(chǎn)生氣相輻射的等離子與基板表面的化學(xué)反應(yīng)，并使用較高壓力。在化學(xué)反應(yīng)的等離子工藝中使用較高的工藝壓力是由于需要在基板表面的活性反應(yīng)組分的高度集中。由于較高的壓力，化學(xué)工藝具有較快的清潔速度。

我們?yōu)樵诹虾兄刑幚淼腜BGA基板上接合焊盤的物理清潔，對(duì)作為引線結(jié)合抗拉強(qiáng)度函數(shù)的工藝壓力作了評(píng)估1。對(duì)于高壓力/高流量(140-160 mTorr,毫托，真空單位)條件，抗拉強(qiáng)度沒有比未處理的基板好多少(圖三)。沒有提高可能是由于高壓而造成的短平均自由路程，因此減少到達(dá)基板表面的已激化粒子的數(shù)量。低壓/低流量(100 mTorr)條件也會(huì)造成較差的引線接合抗拉強(qiáng)度，因?yàn)榈蛪涸斐苫钚苑磻?yīng)組分的濃度不足。

圖三、引線接合失效，由于接合焊盤表面準(zhǔn)備差的結(jié)果

選擇一個(gè)中等工藝壓力(120 mTorr)得到引線接合抗拉強(qiáng)度提高20%。結(jié)果說明雖然一般壓力狀況是通過工藝氣體選擇定義的，但是操作壓力的進(jìn)一步細(xì)調(diào)對(duì)優(yōu)化性能是關(guān)鍵的。

功率：等粒子功率通過增加等離子內(nèi)的離子密度和離子能量來增加清潔速度。離子密度是單位體積的活性反應(yīng)組分的數(shù)量。增加離子密度將增加清潔速度，因?yàn)榛钚苑磻?yīng)組分的濃度相對(duì)更大。離子能量定義活性反應(yīng)組分進(jìn)行物理工作的能力。

我們?yōu)橐€接合的改善進(jìn)行了等離子工藝功率的評(píng)估。增加功率對(duì)引線接合的改善有顯著的效果。例如，通過增加兩個(gè)中一個(gè)因素的功率，引線接和抗拉強(qiáng)度翻倍?？墒牵绻黾庸β侍?，可能對(duì)基板是有害的，并且對(duì)工藝也是無效的。

時(shí)間：一般來說，目標(biāo)是要使工藝時(shí)間最短，以達(dá)到最大的封裝生產(chǎn)線產(chǎn)量。工藝時(shí)間應(yīng)該與功率、壓力和氣體類型平衡。對(duì)PBGA類基板的作為引線接合強(qiáng)度函數(shù)的工藝壓力與功率進(jìn)行優(yōu)化，評(píng)估工藝時(shí)間，結(jié)果證明了工藝時(shí)間的重要性。例如，一個(gè)短的等離子工藝時(shí)間得到相對(duì)于未處理基板在引線接合強(qiáng)度上2%的提高，在工藝時(shí)間上另外增加28%，引線接合強(qiáng)度比未處理的基板增加20%。較長(zhǎng)的工藝運(yùn)行時(shí)間不總是可以提供接合改善的結(jié)果。達(dá)到可接受的接合抗拉強(qiáng)度所需要的清潔時(shí)間依賴其它的工藝參數(shù)。

結(jié)論

在引線接合之前基板的等離子清潔已證明在引線接合抗拉強(qiáng)度上重大增加，這是與未進(jìn)行等離子清潔的基板比較的?？墒牵摷夹g(shù)的成功應(yīng)用要求不僅對(duì)基板材料的理解，而且對(duì)關(guān)鍵等離子工藝參數(shù)的理解。工藝氣體、壓力、等離子功率和工藝時(shí)間必須認(rèn)真選擇。沒有適當(dāng)?shù)膬?yōu)化，就不可能完全實(shí)現(xiàn)等離子清潔的優(yōu)勢(shì)。

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