等離子技術(shù)與集成電路

等離子技術(shù)與集成電路
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　　本文介紹，改善引線接合強度的關(guān)鍵的等離子處理參數(shù)。
　　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度和較差的接合強度均勻性。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。在引線接合之前準備焊盤的有效的、低成本的方法是使用射頻驅(qū)動的低壓等離子技術(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)及其對引線接合抗拉強度的影響。
等離子清洗技術(shù)
　　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。在為引線接合強度的改善開發(fā)一個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度最大，因而減少失效和提高合格率。在做到這一點的同時，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，可能造成引線接合強度的改善有限，或者甚至降低引線接合強度。
　　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。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。高度吸收能量的非平衡等離子能夠通過物理、化學和物理/化學方法達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、化學的或者兩種機制的結(jié)合。當用于清潔接合焊盤座時，每個都有顯著的優(yōu)點和缺點。工藝氣體的選擇、容室壓力、應(yīng)用功率和工藝時間都決定清潔機制及其效果。
等離子工藝參數(shù)
　　工藝氣體：在一個物理過程中，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向充電的電極板。這個電性吸引強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)點是它不是一個化學反應(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工藝去掉的無機污染物。最終的產(chǎn)品是一個完全由基板材料構(gòu)成的表面2,4,6。缺點包括有機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，這些缺點一般通過細調(diào)工藝參數(shù)相對容易控制。
　　化學工藝使用產(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清洗的優(yōu)點，一般地說，化學反應(yīng)清除有機污染物效果更好2,4,6。主要缺點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，這些缺點是通過適當選擇工藝參數(shù)相對容易控制的。
　　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制(物理、化學或物理/化學)，最終，氣流速度和工藝壓力狀況。
　　物理工藝一般要求比化學工藝較低的壓力。物理等離子清洗要求，在通過碰撞去激的減活作用之前，已激勵的粒子碰撞基板表面。如果工藝壓力高，已激勵的粒子在到達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。已激勵的粒子在碰撞之前所運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是一個常數(shù)，σ是氣體分子的直徑。物理工藝要求低壓以利于平均自由路程達到最大，因而使碰撞沖擊達到最大?？墒牵绻麎毫档吞?，將沒有足夠的活性反應(yīng)組分在合理的時間內(nèi)來清潔基板。
　　化學工藝依賴產(chǎn)生氣相輻射的等離子與基板表面的化學反應(yīng)，并使用較高壓力。在化學反應(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，對作為引線結(jié)合抗拉強度函數(shù)的工藝壓力作了評估1。對于高壓力/高流量(140-160 mTorr,毫托，真空單位)條件，抗拉強度沒有比未處理的基板好多少。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)條件也會造成較差的引線接合抗拉強度，因為低壓造成活性反應(yīng)組分的濃度不足。
　　選擇一個中等工藝壓力(120 mTorr)得到引線接合抗拉強度提高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，但是操作壓力的進一步細調(diào)對優(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，因為活性反應(yīng)組分的濃度相對更大。離子能量定義活性反應(yīng)組分進行物理工作的能力。
　　我們?yōu)橐€接合的改善進行了等離子工藝功率的評估。增加功率對引線接合的改善有顯著的效果。例如，通過增加兩個中一個因素的功率，引線接和抗拉強度翻倍?？墒牵绻黾庸β侍?，可能對基板是有害的，并且對工藝也是無效的。
　　時間：一般來說，目標是要使工藝時間最短，以達到最大的封裝生產(chǎn)線產(chǎn)量。工藝時間應(yīng)該與功率、壓力和氣體類型平衡。對PBGA類基板的作為引線接合強度函數(shù)的工藝壓力與功率進行優(yōu)化，評估工藝時間，結(jié)果證明了工藝時間的重要性。例如，一個短的等離子工藝時間得到相對于未處理基板在引線接合強度上2%的提高，在工藝時間上另外增加28%，引線接合強度比未處理的基板增加20%。較長的工藝運行時間不總是可以提供接合改善的結(jié)果。達到可接受的接合抗拉強度所需要的清潔時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度上重大增加，這是與未進行等離子清潔的基板比較的?？墒?，該技術(shù)的成功應(yīng)用要求不僅對基板材料的理解，而且對關(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間必須認真選擇。沒有適當?shù)膬?yōu)化，就不可能完全實現(xiàn)等離子清潔的優(yōu)勢。