组装工艺中的等离子清洗技术
发布：2012-04-18 14:00，更新：2010-01-01 00:00
等离子清洗在当今组装工艺中是不可欠缺的技术。本文介绍清洗技术在组装工艺中的作用和具有两种等离子方式的GDR-60P系统及有效性，同时根据其应用的广泛性而选择介绍应用例。
近期组装技术的趋势主要是SIP、BGA、CSP封装使半导体器件向模块化、高集成化和小型化方向发展。在这样的封装与组装工艺中，Zui大的问题是粘结填料处的有机物污染和电加热中形成的氧化膜等。例如，有所说的粘接强度降低和在树脂模式中的灌封强度降低的问题。由于在封装工艺中适当地组合进等离子清洗技术，则可以大大改善可靠性和成品率。
在基板上安装裸芯片的COB工艺中，当芯片粘接后进行高温硬化时，在粘结填料表面有基体镀层成分析出的情况。还有时Ag浆料等连接剂溢出成分污染粘结填料。如果能在键合工艺前用等离子清洗去除这些污染物，则键合的质量能够大幅提升。进一步说，由于基板与裸芯片表面的润湿性都提高了，则模块等的密接性也能提高。
在倒装片安装工艺中也不例外，在粘接前用等离子清洗去除“里面”的杂质。这种场合为进一步提高可靠性，也有象对待晶园那样对待“里面”的等离子清洗。还有用氧等离子提高倒装片粘接后芯片里面的下填充性。见图1。
1. GDR-60P 中的工艺等离子清洗方式
GDR-60P中采用PE与RIE两种等离子清洗方式。 从清洗机理分析，等离子清洗有物理清洗和化学清洗（表面改性）两种方式，前者称为RIE方式，后者称为PE方式，两者在清洗效果上各具特色。RIE方式主要使用Ar气，以物理的溅射方法去除基板表面的杂质。由此处理的基板表面呈现凹凸不平的状态，见表1。该等离子体清洗的用途是式作线焊前处理和倒装片连接前处理。另外，由于表面凹凸而提高了蠕变性，改善了造型时树脂的流动，也使树脂灌封强度提高。
PE方式中主要使用O2气，以化学的方法改质基板表面。这是利用等离子体中的氧气的游离基的运动使表面达到亲水基化。当形成这一亲水基时，尽管在线焊等金属间的连接上是不相称的，但蠕变性的改善程度和树脂灌封强度提高的效果，比RI方式还高。还有，PE方式还能利用等离子氧游离基与基板表面的碳结合生成CO2，从而除去碳。由于本方式能处理基板的里面和侧面，所以在提高倒装片粘结后芯片里面的底部填充材料的填充性上得到较好地利用。
表1 RIE与PE方式
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方 式
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气 体
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用 途
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RIE
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物理清洗
（化学清洗）
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Ar
Ar+O2
Ar+H2
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◎W/B前处理
◎FC连接前处理
○改善润湿性
○树脂封装强度提高（附着性好）
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PE
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化学清洗
（表面改性）
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O2
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△W/B前处理
△FC连接前处理
◎改善润湿性
◎树脂封装强度提高（附着性更好）
◎向下填充性提高
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（1）RF平板平行方式；
（2）叶片式；
（3）PE/RIE的等离子体自动替换，两种等离子体模式可以选择；
（4）因气体与真空排气结构的化而达到较高的均匀处理；
（5）外壳电压Vdc监测功能；
（6）3600mm2的处理面积；
（7）使用高频电源Zui大600W；
（8）工艺气体有Ar/O2两种（H2也可）；
（9）以多种少量生产到大量生产：传递时间为每块基板10秒到30秒。一次可处理2～3种基板；
在密闭腔体中配置上下相对两个电极，下电极连接13.56MHz高频电源，上电极接地。当对该腔体抽真空达到预定压力后充入Ar气并叠加高频电流时，产生Ar气等离子体。当在下部电极接上高频时，则在下部电极的上方生成等离子体，在等离子体与下部电极之间产生电位差约—400V（在高频输出约为500W时）。由于Ar离子是带电粒子且呈异向性，所以在该电位的作用下直接被牵引到了下电极侧。当在下电极上放置基板时，则Ar离子冲击在基板上，利用这一冲击能量，能物理地去除基板表面的杂质。即使是RIE方式，也有使用O2和H2的物理且化学的去除有机物的方法。
在PE方式中正相反，上部电极接高频，下部电极接地。PE方式中一般使用O2气体。该场合O2离子体被生成在贴近下部电极的上方。O2离子被牵引到产生外壳电压的上部电极侧，而在下部电极侧则是以O2游离基为中心的等离子体。氧游离基呈等方向性而四面八方运动，而且容易与其它原子发生反应。游离基通过与基板表面的有机物接触，该有机物则变成亲水基而易水洗。不仅在基板表面，甚至在基板的侧面，内里面都有浸透作用，所以使整个基板都变成亲水基的了。
3.等离子清洗的有效性
3.1基板表面分析
图4比较了基板粘结部位经等离子清洗前后表面存在的元素。RIE方式中物理地去除每个基板表面的薄污物层，结果现出了原体纯净的粘结填料。由于等离子清洗主要用的是Ar气，所以不会选择地去除物质，而是对基板表面进行了普遍处理。
图4比较了基板粘结部位经等离子清洗前后表面存在的元素。RIE方式中物理地去除每个基板表面的薄污物层，结果现出了原体纯净的粘结填料。由于等离子清洗主要用的是Ar气，所以不会选择地去除物质，而是对基板表面进行了普遍处理。
3.2 等离子处理后的时效变化
图5示出了RIE方法等离子清洗的粘结填料如何随时间变化的评价。该试样经等离子清洗后是在大气中保管的，尽管在大气中对有机物吸着得很少，但考虑处理效果，仍保持在两周以上。
1.3 引线键合强度
图6示出了等离子清洗后键合强度的评价结果。预计经等离子清洗的键合强度是未经处理的3～5倍，处理时间极短，10秒钟即可见到良好效果。
1.4 削去量与清洗面内的均一性
关于RIE方式去除基板表面镀Au部的场合，测定它的削去量。图7示出在面内测16个点的数据（有效处理面积为300mm2）。
（1）Zui大20.4mm/min；
（2）Zui小17.8mm/min；
（3）平均18.7mm/min；
（4）面内均一性±6.6%（均一性=±（Zui大-Zui小）/（Zui大+Zui小））。
等离子处理条件：Ar，5 sccm，RF500W，处理时间60秒，真空度10Pa。
3.5 裸芯片上的ESD破坏评价
采用半导体栅极氧化膜的天线比为350～700000的负荷化图像测量用芯片，对等离子清洗膈的栅极度氧化膜是否被坏进行了评价。该评价用芯片经测定等离子处理后MOS电容器的电流—电压特性（漏电流与GOI电流），可以判断图像的有无。结果表明，无论怎样的天线比都不破坏栅极氧化膜。
4 .广泛的用途及应用例
4.1其它用途
（1） 在SIP等离子工程中，为了除去芯片粘结后的污染成分，每次都要对芯片粘结部进行等离子清洗。
（2）在晶圆上进行凸点印刷之前须经等离子处理，这样可改善无铅和无助焊剂焊料的拉拔性，还能改善再流焊时焊料的蠕变性。
（3）用等离子清洗晶圆的内面污染可以改善芯粘结特性。
（4）在裸晶圆上进行的粘结与灌封树脂工程中，均使用等离子清洗。
（5）用等离子清洗作为在铜配线电路中的键合的前处理。铜配线的键合时，功率不能过高，用等离子清洗可以保证在低功率其键合强度。
（6）作为基底的镀前处理，经等离子体处理而表面呈凸凹化，从而改善涂镀性。
（7）随着印制基板的多层化，其通孔加工后的残渣可用O2等离子体刮洗 。
（7）随着印制基板的多层化，其通孔加工后的残渣可用O2等离子体刮洗 。
4.2 与其它清洗方式共存
在安装工艺中还有其它清洗方法，如大气等离子的干式清洗和UV/O3清洗，表2示出了特征比较。
表2 各种清洗方法及有效性
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等离子体清洗
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UV/O3清洗
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干式清洗
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真空等离子体
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大气等离子体
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表面状态
有机物去除
无机物去除
大面积处理
危险
连续处理
环境问题
运行成本
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洁净化
凸凹削量约20nm/min
○
○
△ （设备成本大）
○
×
○
○
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表面改性
亲水基化
○
×
○
△
○
△ （臭氧处理）
△（必须大量气体）
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表面改性
亲水基化
○
×
○
○
○
△（臭氧处理）
×（灯的寿命）
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洁净化
○
○
○
○
△
×
×
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（1）在真空等离子中能除去有机物和无机物（包括金属氧化物），但在大气等离子和UV/O3中也能除去有机物，但很难去除无机物。
（2）真空等离子、大气等离子、UV/O3，无论哪种清洗方法都能能改善蠕变性，都能有效提高树脂密封强度。
（3）用Ar等离子做RIE处理时能使表面粗化。
（4）在大面积连续处理中，有的场合希望使用大气等离子清洗与UV/O3清洗。
（5）如果把等离子清洗与湿式清洗并用，则会改善灰尘的去除性。
在特别讨厌灰尘的封装等工艺中，为了进一步提高洁净度，作为改善合格产品率的方法，有的场合就与湿式清洗并用。
尽管等离子清洗达到的洁净度很高，但对于大的污染却表现较差。利用高真空高密度等离子源能增加去除量，但却极大地加重了设备成本。另外，不需处理的部分也处理了，所以有可能使图像变色。因此，如图8所示那样，在等离子清洗前，用其它方式对付大的污染，然后再用等离子清洗更为有效。其清洗工艺为：湿式清洗 → 等离子清洗 → 纯水清洗。由于等离子清洗使表面亲水性提高，所以提高了纯水冲洗的效果。
5. 今后课题
环境问题是个社会问题，清洗对环境的影响被提到日程上来，人们关注便于环保的干式清洗也许是很自然的了。尽管等离子清洗目前主要应用于安装领域，但今后作为干式清洗用途更为广泛。由于目前的应用情况和技术问题尚不能完全替代湿式清洗，因此，今后与湿式清洗组合，开发完全能减低环境负荷的新技术，可以说是等离子清洗技术的课题
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