關(guān)于鋁線鍵合的等離子清洗工藝的研究

摘要：采用DOE（實驗設(shè)計）方法，通過比較鋁線拉力的數(shù)值、標(biāo)準(zhǔn)方差及PpK，得到最適合鋁線鍵合工藝的等離子清洗功率、時間和氣流速度參數(shù)的組合。同時分析了引線框架在料盒中的擺放位置對等離子清洗效果的影響，引線框架置于等離子氣體濃度高的位置清洗效果較好，引線拉力值能獲得更低的方差和更優(yōu)的過程控制能力。

1前言

等離子清洗技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電子、生物醫(yī)藥、珠寶制作、紡織等眾多行業(yè)，由于各個行業(yè)的特殊性，需要針對行業(yè)需要，采用不同的設(shè)備及工藝。在電子封裝行業(yè)中，使用等離子清洗技術(shù)，目的是增強(qiáng)焊線/焊球的焊接質(zhì)量及芯片與環(huán)氧樹脂塑封材料之間的粘結(jié)強(qiáng)度。為了更好地達(dá)到等離子清洗的效果，需要了解設(shè)備的工作原理與構(gòu)造，根據(jù)封裝工藝，設(shè)計可行的等離子清洗料盒及工藝。

等離子清洗的工作原理是通過將注入氣體激發(fā)成等離子體，等離子體由電子、離子、自由基、光子以及其他中性粒子組成。由于等離子體中的電子、離子和自由基等活性粒子存在，其本身容易與固體表面發(fā)生反應(yīng)。反應(yīng)類型可以分為物理反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)，物理反應(yīng)主要是以轟擊的形式使污染物脫離表面，從而被氣體帶走；化學(xué)反應(yīng)是活性粒子與污染物發(fā)生反應(yīng)，生成易揮發(fā)物質(zhì)再被帶走[1]。在實際使用過程中，通常使用Ar氣來進(jìn)行物理反應(yīng)，使用O2或者H2來進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)原理示意圖如圖1所示。

等離子清洗的效果通常用滴水實驗來直觀反應(yīng)，如圖2所示，等離子清洗前接觸角約為56°，等離子清洗后表面接觸角約為7°。在電子封裝中，通常使用物理化學(xué)結(jié)合的方式進(jìn)行等離子清洗，以去除在原材料制造、運(yùn)輸、前工序中殘留的有機(jī)污染物及芯片焊盤和引線框架表面形成的氧化物。等離子清洗設(shè)備的反應(yīng)室主要分為感應(yīng)耦合“桶式”反應(yīng)室、電容耦合“平行平板”反應(yīng)室、“順流”反應(yīng)室三種。目前國內(nèi)集成電路生產(chǎn)企業(yè)基本使用進(jìn)口設(shè)備，采用第三種模式，其具有均勻的等離子體區(qū)、射頻電源及匹配網(wǎng)絡(luò)不受負(fù)載影響，不損傷敏感器件的優(yōu)點[2~3]。

等離子按激發(fā)頻率分為射頻與微波，其頻率范圍的劃分如圖3所示。目前在微電子行業(yè)廣泛使用的為射頻等離子體。在等離子清洗設(shè)備的使用過程中，需要根據(jù)清洗產(chǎn)品的不同，制定合理的清洗工藝，如射頻功率、清洗時間、清洗溫度、氣流速度等，以達(dá)到最好的清洗效果。本文針對TO220產(chǎn)品的鋁線鍵合工藝，設(shè)計適合于功率器件鋁線鍵合的最佳等離子清洗工藝。

2實驗過程

為了分析不同等離子清洗參數(shù)對鋁線鍵合的增強(qiáng)效果，本研究的主要過程如圖4所示。樣品按標(biāo)準(zhǔn)貼片工藝進(jìn)行貼片，之后根據(jù)實驗設(shè)計確定的9組參數(shù)進(jìn)行等離子清洗，然后按標(biāo)準(zhǔn)焊線工藝焊線，之后測試樣品的焊線拉力與焊球的剪切力。最后對測試結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1樣品制備

本實驗采用BYD4N60芯片，芯片尺寸為3.20mm×3.58mm，鋁焊盤，芯片背銀。采用TO220純銅引線框架，貼片所用焊料為93.15Pb5Sn11.5Ag，貼片設(shè)備使用ASM-SD890A，焊線使用0.3mm鋁線，焊線設(shè)備為OE-360，等離子清洗使用設(shè)備為EUROPLASMA。

2.2等離子清洗參數(shù)設(shè)計

本實驗采用射頻激發(fā)的Ar/H2混合氣體，可以應(yīng)用在增強(qiáng)引線鍵合強(qiáng)度。清洗時間不宜過長，清洗時間過長的負(fù)面影響是Si3N4鈍化層的晶粒呈現(xiàn)出針狀和纖維狀[4]。因此，選用Ar與H2的混合氣體。RF功率范圍200~400W，時間180~600s，流速50~150tor·s-1。使用DOE方法設(shè)計了9組實驗參數(shù)，如表1所示。

2.3等離子清洗實驗

等離子清洗效果除與等離子清洗設(shè)備的參數(shù)設(shè)置有關(guān)外，也與樣品形狀及樣品的料盒有關(guān)。在料盒選擇方面，一般選用鏤空料盒（如圖5所示），讓盡可能多的等離子氣體進(jìn)入到料盒內(nèi)部，并且不干擾等離子氣體的流動方向與流動速度。一般選用鋁合金材質(zhì)，因為其具有良好的加工特性，同時質(zhì)量輕，便于運(yùn)輸。玻璃和陶瓷材質(zhì)雖然在等離子清洗工藝中使用效果更佳，但在工廠批量生產(chǎn)中不利于運(yùn)輸與操作。

本實驗使用的等離子清洗機(jī)為封閉腔型，腔內(nèi)示意圖如圖6所示。并排放置4個放置空引線框架料盒，經(jīng)過等離子清洗后進(jìn)行滴水實驗發(fā)現(xiàn)，中間位置料盒中引線框架的清洗效果優(yōu)于旁邊位置的料盒。因此，本實驗采用單料盒，放置于如圖6中所示位置進(jìn)行實驗，以達(dá)到最優(yōu)清洗效果。

2.4拉力和剪切力測試

使用DAGE4000進(jìn)行樣品的拉力測試，測試時在料盒內(nèi)選取上中下各一條引線框架，每條引線框架上均勻選取10個測試點，每組等離子清洗參數(shù)條件下獲得30個樣本值。

3實驗結(jié)果與討論

3.1等離子清洗參數(shù)

實驗獲得的焊線拉力的測試結(jié)果如圖7所示。由圖7中可以看到，第5組樣品的拉力測試值具有相對最小方差與最高PpK值，其次是第4組樣品；第9組樣品雖然使用了最大功率、最長清洗時間與較大的氣體清洗流量，但實驗結(jié)果并不理想。清洗功率與清洗時間超過理想的設(shè)定值時，一方面Si3N4鈍化層的晶粒會呈現(xiàn)出針狀和纖維狀，另一方面，會激發(fā)焊料內(nèi)的有機(jī)物揮發(fā)至氣流中，并在等離子清洗過程中覆蓋于芯片及引線框架表面，形成二次污染，從而影響焊接的強(qiáng)度。

由此確定，適合于該料盒的鋁線產(chǎn)品的等離子清洗參數(shù)應(yīng)參考第5組設(shè)定參數(shù)。

3.2放置空間對清洗效果的影響

樣品在等離子清洗機(jī)腔體中的放置位置對等離子清洗效果也有明顯影響。比較分別位于上中下三層的引線框架的引線拉力測試數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出，上層引線框架獲得了更穩(wěn)定的拉力測試結(jié)果。因為上層引線框架與氣體接觸得更充分。位于下層的引線框架，方差值偏差較大。因此，若想得到更好的等離子清洗效果，必須盡可能多地讓引線框架暴露于等離子氣體中，引線框架的上下間距不能過于緊密。

綜上所述，等離子清洗有利于電子封裝的可靠性，能增強(qiáng)焊線工藝的穩(wěn)定性。在使用等離子清洗工藝時，需結(jié)合等離子清洗機(jī)腔體的結(jié)構(gòu)，設(shè)計合適的料盒，合理擺放料盒在腔體內(nèi)的位置。同時，根據(jù)清洗樣品的不同，通過DOE實驗?zāi)軌蛘业阶詈线m的清洗工藝，達(dá)到最好的清洗效果。此外，料盒中引線框架的最佳上下間距以及料盒在等離子清洗機(jī)腔體中的最佳擺放位置與數(shù)量，在本文實驗中還未涉及，下一步將結(jié)合氣體流動模型針對此問題進(jìn)一步研究討論。

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