微波等離子處理對(duì)導(dǎo)電膠可靠性的影響

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陳婷 周偉潔 王濤

（無(wú)錫中微高科電子有限公司）

摘要：

研究了微波等離子工藝影響導(dǎo)電膠形貌的機(jī)理，進(jìn)一步分析了等離子清洗次數(shù)對(duì)電路可靠性的影響。結(jié)果表明，對(duì)裝片后的電路進(jìn)行 1 次等離子清洗可以有效清除鍵合指表面的有機(jī)沾污。而多次等離子清洗會(huì)改變導(dǎo)電膠的成分從而嚴(yán)重破壞導(dǎo)電膠形貌，容易造成塊狀的導(dǎo)電膠脫落，影響封裝的可靠性。研究多次等離子清洗對(duì)導(dǎo)電膠表面形貌、芯片粘接強(qiáng)度等的影響，為采用合理的等離子處理參數(shù)提供了一定的理論參考。

1 引言

陶瓷封裝作為一種高可靠的芯片封裝形式，在高可靠應(yīng)用領(lǐng)域中具有不可替代的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。封裝質(zhì)量會(huì)直接影響元器件的可靠性和使用壽命 [1-2] 。在集成電路的裝片工藝過(guò)程中，對(duì)于采用合金焊料熔封的器件，需要采用耐受溫度超過(guò) 300 ℃的高溫導(dǎo)電膠將芯片和外殼底座粘接在一起。高溫導(dǎo)電膠主要由銀顆粒、氰酸脂樹(shù)脂、固化劑等物質(zhì)組成 [3] 。在高溫固化過(guò)程中，液態(tài)的氰酸酯樹(shù)脂的黏度陡然下降，導(dǎo)電膠中的氰酸酯樹(shù)脂可能會(huì)擴(kuò)散至鍵合指，造成電路外殼的鍵合指沾污。該沾污現(xiàn)象會(huì)影響鍵合可靠性，因此需要去除鍵合指上的有機(jī)沾污組分，防止對(duì)鍵合工藝造成不良影響 [4] 。

微波等離子清洗技術(shù)作為一種精密干法清洗技術(shù)，利用高能量的粒子與有機(jī)物之間的反應(yīng)生成易揮發(fā)的小分子氣體產(chǎn)物，從而有效去除鍵合指表面的有機(jī)污染物，改善鍵合指表面性能，增加材料的表面能量 [5-6] 。與傳統(tǒng)溶劑清洗方式相比，等離子清洗有許多優(yōu)點(diǎn)，如不污染環(huán)境、不需要清洗液體，能增加表面潤(rùn)濕性能，改善黏著力 [7] 。因此，微波等離子清洗在電子封裝領(lǐng)域中具有重要作用。

目前，關(guān)于微波等離子清洗工藝對(duì)導(dǎo)電膠可靠性影響的研究還不充分。本文探究了在 1 次等離子清洗過(guò)程各階段導(dǎo)電膠結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)比了微波等離子清洗次數(shù)對(duì)導(dǎo)電膠微觀結(jié)構(gòu)及電路可靠性的影響，并分析了多次清洗造成的電路失效的相應(yīng)機(jī)理，為采用合理的等離子清洗參數(shù)提供了一定的理論參考。

2 試驗(yàn)方案

微波等離子體是由工作頻率為 2.45 GHz 的微波激發(fā)工藝氣體放電，在正負(fù)極磁場(chǎng)作用下的諧振腔體內(nèi)產(chǎn)生的等離子體。選用不同的工藝氣體可產(chǎn)生不同的活性等離子體，如 O 等離子體、H 等離子體。這些活性等離子體對(duì)被清洗物進(jìn)行表面物理轟擊與化學(xué)反應(yīng)雙重作用，使被清洗物表面生成粒子和氣態(tài)物質(zhì)。將這些物質(zhì)經(jīng)過(guò)抽真空排出，從而達(dá)到清洗物質(zhì)表面的目的。由于整個(gè)放電過(guò)程不需要正負(fù)電極，產(chǎn)生的自偏壓極小，從根本上避免了靜電損傷，因此微波等離子清洗技術(shù)適合于在半導(dǎo)體芯片封裝中應(yīng)用 [8] 。本試驗(yàn)中的微波等離子清洗過(guò)程包括氧化處理和還原處理 2 個(gè)步驟。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定了試驗(yàn)的具體工藝參數(shù)：

1）氧化過(guò)程采用的工藝氣體為 O 2 ，設(shè)置微波等離子清洗功率為 800 W，清洗時(shí)間為 20 min，氣體流量為300 mL/min；

2）還原過(guò)程采用的工藝氣體為 H 2 ，設(shè)置微波等離子清洗功率為 800 W，清洗時(shí)間為 30 min，氣體流量為300 mL/min。

完成 1 次氧化過(guò)程和 1 次還原過(guò)程為 1 次微波等離子清洗循環(huán)。試驗(yàn)人員分別對(duì)裝片后的電路進(jìn)行 1次、2 次和 3 次微波等離子清洗循環(huán)處理，觀察芯片四周溢出的導(dǎo)電膠形貌變化，并與導(dǎo)電膠初始形態(tài)做對(duì)比。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 微波等離子清洗過(guò)程對(duì)導(dǎo)電膠形貌的影響

微波等離子清洗過(guò)程中各階段導(dǎo)電膠的形貌如圖 1 所示。固化后的導(dǎo)電膠呈現(xiàn)典型的銀白色，表面較為致密且無(wú)明顯的孔洞，如圖 1（a）（d）所示。在氧化過(guò)程中，高能量的 O 等離子體一方面會(huì)與導(dǎo)電膠中的樹(shù)脂反應(yīng)生成小分子易揮發(fā)物質(zhì)，導(dǎo)致材料中的 C、O含量減少。導(dǎo)電膠中的高分子樹(shù)脂結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致導(dǎo)電膠表面出現(xiàn)少量的孔隙，如圖 1（e）所示。另一方面，有機(jī)物的消耗使得導(dǎo)電膠表層的銀顆粒裸露出來(lái)，會(huì)繼續(xù)和 O 等離子體反應(yīng)生成黑色氧化銀，如圖 1（b）所示。氧化銀的電阻較大，因此需將銀的氧化物還原。在等離子的還原過(guò)程中，高能量的 H 等離子體與氧化銀中的 O 粒子結(jié)合，將黑色的氧化銀還原為銀白色的銀單質(zhì)，如圖 1（c）所示。但導(dǎo)電膠還原后因體積膨脹造成的空洞無(wú)法復(fù)原，故在圖 1（f）中仍可看到明顯凹坑。

利用能量色散 X 射線光譜儀（EDX）分析導(dǎo)電膠在等離子清洗過(guò)程中各主要元素的含量，結(jié)果如表 1所示。在經(jīng)過(guò) 1 次循環(huán)的微波等離子清洗后，導(dǎo)電膠中有機(jī)物中的 C 含量略有減少。這主要是因?yàn)樵谘趸^(guò)程中導(dǎo)電膠表層有機(jī)物中的 C、O 等與高能量的 O等離子體反應(yīng)生成 CO、CO 2 等小分子物質(zhì) [9] ，這些氣態(tài)物質(zhì)在清洗過(guò)程中采用抽真空方式排出。

綜上可知，導(dǎo)電膠經(jīng)過(guò) 1 次等離子清洗處理后，膠體表面經(jīng)歷了由淺變深再變淺的顏色變化。其表面形貌雖無(wú)明顯變化，但是由于表層少量有機(jī)物的損失，使得其致密的微觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)少量孔隙。

3.2 微波等離子清洗次數(shù)對(duì)導(dǎo)電膠形貌的影響

經(jīng)過(guò)不同循環(huán)次數(shù)的等離子清洗處理后的導(dǎo)電膠宏觀形貌如圖 2 所示。經(jīng)過(guò) 2 次微波等離子循環(huán)清洗后的導(dǎo)電膠表面已經(jīng)出現(xiàn)明顯的脫落區(qū)域。利用EDX 分析確認(rèn)脫落物為導(dǎo)電膠。由于脫落的導(dǎo)電膠較少，在后續(xù)的吹掃過(guò)程中已經(jīng)被完全去除，故未在電路內(nèi)部發(fā)現(xiàn)剝落的導(dǎo)電膠。經(jīng)過(guò) 3 次微波等離子循環(huán)清洗后的電路，其內(nèi)部導(dǎo)電膠剝落區(qū)域顯著擴(kuò)大，且有明顯脫落的塊狀導(dǎo)電膠。

除宏觀形貌的差異外，經(jīng)過(guò)不同循環(huán)次數(shù)的等離子清洗處理后導(dǎo)電膠的微觀形貌差異也較大，如圖 3所示。經(jīng)過(guò)多次等離子清洗處理后，導(dǎo)電膠表面逐漸由較為平整的狀態(tài)變?yōu)榘纪共黄降臓顟B(tài)。進(jìn)一步采用聚焦離子束設(shè)備（FIB）分析導(dǎo)電膠內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)不同循環(huán)次數(shù)的等離子清洗處理后導(dǎo)電膠內(nèi)部微觀形貌如圖 4 所示。導(dǎo)電膠的初始結(jié)構(gòu)中含有大量的銀顆粒，這些銀顆粒之間通過(guò)具有高強(qiáng)度粘接性能的樹(shù)脂基體連接在一起，導(dǎo)電膠各區(qū)域的縱向界面都是致密的結(jié)構(gòu)，因而可以保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和較高的粘接強(qiáng)度 [10] 。經(jīng)過(guò) 1 次微波等離子清洗處理后，導(dǎo)電膠的內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，被破壞的導(dǎo)電膠的厚度約為 1.5 μm，并且與下部的導(dǎo)電膠主體之間出現(xiàn)了界面區(qū)域。但是該界面區(qū)域不明顯，表層導(dǎo)電膠與未遭到破壞的導(dǎo)電膠之間仍然存在較多起到粘接作用的樹(shù)脂，因而也不容易脫落。通過(guò)圖 4（c）（d）可以看出，結(jié)構(gòu)遭到破壞的導(dǎo)電膠厚度有顯著增加（從 1.5 μm增加至 10 μm 和15 μm），其結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出明顯的疏松多孔狀態(tài)。

初始狀態(tài)和經(jīng) 3 次微波等離子清洗處理后的表層導(dǎo)電膠的熱失重曲線如圖 5 所示。初始狀態(tài)的導(dǎo)電膠在 200 ℃下的失重僅有 0.03%，在 350 ℃下的失重不超過(guò) 1%，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐高溫性。但是當(dāng)溫度超過(guò)400 ℃后，材料的失重速率陡然上升。這是因?yàn)樵谠摐囟认聵?shù)脂中的三嗪結(jié)構(gòu)發(fā)生分解，破壞了導(dǎo)電膠交聯(lián)結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性 [11] 。經(jīng)過(guò) 3 次微波等離子清洗處理后的導(dǎo)電膠在 500 ℃下僅有不到 1%的質(zhì)量損失。這說(shuō)明結(jié)構(gòu)中已經(jīng)基本不存在起到粘接作用的樹(shù)脂，導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)脫落風(fēng)險(xiǎn)增加，從而出現(xiàn)圖 2（d）中導(dǎo)電膠脫落的現(xiàn)象。

3.3 多次等離子清洗處理后導(dǎo)電膠剝落的機(jī)理

在對(duì)導(dǎo)電膠表面進(jìn)行多次 O 等離子體處理的過(guò)程中，由于在 1 次等離子清洗過(guò)程中導(dǎo)電膠表層的有機(jī)樹(shù)脂已經(jīng)大部分被去除，形成了多孔結(jié)構(gòu)——— 如圖4（b）所示—— — 再次進(jìn)行等離子處理時(shí)，O 等離子體穿過(guò)多孔結(jié)構(gòu)的空隙繼續(xù)與下層的導(dǎo)電膠進(jìn)行反應(yīng)，使得有機(jī)樹(shù)脂繼續(xù)消耗，導(dǎo)致多孔結(jié)構(gòu)的厚度增加超過(guò)10 μm。導(dǎo)電膠經(jīng)過(guò)多次的氧化還原后，起到粘接作用的樹(shù)脂基體已經(jīng)基本上被全部氧化去除。銀顆粒與下層導(dǎo)電膠主體的結(jié)合強(qiáng)度降低，導(dǎo)致導(dǎo)電膠多孔結(jié)構(gòu)在后續(xù)可靠性篩選過(guò)程中受到熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)可能發(fā)生脫落，形成片狀多余物，導(dǎo)電膠剝落的過(guò)程如圖 6 所示。

4 可靠性分析

對(duì)器件進(jìn)行微波等離子清洗時(shí)，等離子體的氧化、還原作用區(qū)域主要集中于暴露在芯片周圍的區(qū)域。芯片的尺寸越大，暴露區(qū)域面積的占比越小 [11] 。而未暴露的導(dǎo)電膠被芯片遮擋，等離子清洗幾乎不會(huì)破壞芯片底部的導(dǎo)電膠，因此芯片的粘接強(qiáng)度并未下降。完成電路封裝后，針對(duì)經(jīng)過(guò)不同次數(shù)等離子清洗處理的電路進(jìn)行剪切力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)芯片粘接強(qiáng)度無(wú)明顯變化。

由于經(jīng)過(guò)多次微波等離子清洗后的導(dǎo)電膠表層結(jié)構(gòu)疏松，在經(jīng)歷溫度沖擊及機(jī)械應(yīng)力時(shí)表層的導(dǎo)電膠將發(fā)生脫落，形成可移動(dòng)的導(dǎo)電多余物。這種多余物會(huì)直接導(dǎo)致顆粒碰撞噪聲檢測(cè)試驗(yàn)失效，并且?guī)?lái)器件內(nèi)部的互連短路風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于大尺寸芯片的貼裝工藝，裝片膠的使用量更多，鍵合引線更加密集，膠皮脫落會(huì)帶來(lái)更高的短路風(fēng)險(xiǎn) [12] 。

5 結(jié)論

在微波等離子清洗過(guò)程中使用的高能量的 O 等離子體會(huì)與導(dǎo)電膠中的有機(jī)物反應(yīng)，導(dǎo)致導(dǎo)電膠結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化。導(dǎo)電膠經(jīng)過(guò) 1 次微波等離子清洗后，雖然其成分和結(jié)構(gòu)發(fā)生了輕微變化，但是未出現(xiàn)明顯的脫落現(xiàn)象，因此 1 次微波等離子清洗不會(huì)對(duì)電路的可靠性造成影響。在經(jīng)過(guò)多次微波等離子清洗后，導(dǎo)電膠表層中起粘接作用的有機(jī)物會(huì)發(fā)生反應(yīng)至完全消耗，

導(dǎo)致塊狀的導(dǎo)電膠脫落。脫落后的導(dǎo)電膠如果搭在鍵合絲上，會(huì)引起電路短路。隨著微波等離子清洗次數(shù)的增加，導(dǎo)電膠的粘接結(jié)構(gòu)將發(fā)生更大改變，有可能影響器件在溫度循環(huán)、熱沖擊以及機(jī)械沖擊、振動(dòng)等試驗(yàn)后的可靠性，包括引起粘接強(qiáng)度、水汽等方面的惡化。此外，微波等離子清洗工藝參數(shù)（如氧化、還原時(shí)間及功率）對(duì)清洗后表面結(jié)構(gòu)的影響還有待進(jìn)一步的研究。

審核編輯 黃宇