什么是引線鍵合前的等離子清洗？

引言：

引線鍵合（Wire bonding ）前的等離子清洗（Plasma cleaning）可去除表面上的有機物、氧化物和氟化物污染物，促進引線鍵合和芯片封裝的更好的界面附著力，并減少不粘焊盤 （NSOP） 和鍵合提升問題。

一、典型應用

（1）促進引線鍵合更好的界面附著力

（2）去除表面的有機物、氧化物和氟化物污染

（3）提高芯片粘接工藝的芯片附著力

（4）為倒裝芯片應用創建無空隙底部填充

（5）提高芯片板芯片的模具附著力和封裝性

二、IC芯片封裝簡介

半導體封裝可以彌合硅芯片和PCB之間的尺寸差距。硅芯片上的金屬焊盤通常太小，無法直接連接到PCB。封裝還可以幫助硅芯片更有效地將熱量傳導到散熱器。在過去的半個世紀里，從 1970 年代到 2020 年，半導體芯片封裝從 DIP（雙列直插式封裝）到 3D IC 發生了顯著變化，如下圖所示。許多傳統的芯片封裝技術至今仍在廣泛使用，如引線鍵合BGA和倒裝芯片BGA技術。等離子清洗已被廣泛用于在鍵合前清潔芯片、芯片和引線框架，以提高可靠性并降低故障率。

三、IC芯片封裝中的污染

為了實現可靠的芯片封裝，所有內部接口的表面必須清潔，以確保良好的附著力。IC芯片和封裝上的污染可以是有機的，也可以是無機的。無機污染物可以是粘合墊上形成的金屬氧化物或氟化物。IC封裝上的污染源很多。

（1）污染可能來自處理膠帶、塑料儲存袋、助焊劑和芯片貼裝過程中滲出的粘合劑上的許多有機材料。有機化合物可能具有更高的釋氣率。有機蒸氣可以直接覆蓋新鮮表面。

（2）含氟氣體通常在半導體晶圓廠中用作強蝕刻劑。氟與Al發生輕微反應，在粘接墊表面形成[AlFx]（x-3）-（例如[AlF6]3-）或化合物AlxFyOz。這些化合物不能輕易從EKC和DI水清洗過程中洗掉。因此，在粘合墊上檢測到一定比例的氟是正常的。

（3）在制造和組裝過程中也會產生一定程度的污染，例如未蝕刻的玻璃、硅芯片上的殘留光刻膠、硅鋸末或背磨或模切過程中的膠帶殘留物。

（4）環境空氣中存在豐富的碳氫化合物污染。一旦焊盤或引線框架暴露在環境空氣中，它們很快就會被一層有機碳氫化合物涂覆。對于活性金屬，表面會形成一層薄薄的金屬氧化物。環境空氣引起的污染可以在下面顯示的數據中解釋。在步驟1中，XPS系統測量了干凈的InGaAs樣品表面的組成。在步驟2中，通過2秒鐘的遠程氫等離子體清潔樣品。然后通過XPS系統再次分析表面。氫氣等離子體清洗步驟不會向表面添加污染物。在步驟3中，將清潔的InGaAs樣品暴露在環境空氣中1小時。隨后的XPS測量表明，表面已被碳和氧污染。在步驟4中，再次用2秒氫等離子體清潔受污染的InGaAs樣品。這意味著環境空氣很容易污染干凈的樣品表面。氫等離子體可以成功去除碳污染并減少InGaAs樣品上的金屬氧化物。

四、污染對引線鍵合工藝的影響

熱超聲引線鍵合是關鍵的封裝工藝之一，特別是對于航空航天和汽車行業，在嚴苛的條件下，鍵合接頭可能會受到應力。如上一節所述，氟化物、氧化物和有機碳氫化合物等污染物會降低鍵的界面質量。對于引線鍵合工藝，它可能會導致諸如不粘焊盤 （NSOP） 和鍵合提升等問題。不粘焊盤是指表面污染會降低表面粘合性，從而使電線不會粘附在焊盤上的問題。焊盤提升是指焊線從其位置脫落，導致鍵合線和焊盤之間的電氣和機械連接丟失或退化的問題。粘接墊表面的污染物可以作為屏障并防止形成強烈的金屬間化合物。因此，粘結通常無法通過拉力測試。氟化物污染會導致長期腐蝕問題。

五、如何使用等離子清洗來提高引線鍵合和倒裝芯片鍵合的可靠性和成功率

等離子體是一種電離氣相物質，由離子、電子、中性原子或保持電荷中性的分子組成。為了點燃等離子體，自由移動的電子將被外部電場加速并獲得足夠的能量來電離沿路徑的中性原子或分子。如果使用氧氣或氫氣產生等離子體，高能電子可以解離氧/氫分子并產生原子氧/氫、臭氧或其他類型的反應自由基。除了活性自由基，等離子體還可以產生高能離子。等離子體與樣品相互作用有兩種主要機制。第一個是與活性自由基的化學反應。二是物理高能離子濺射。這兩種機制在去除引線鍵合和倒裝芯片鍵合工藝的表面污染物方面都起著重要作用。以下是等離子清洗如何使引線鍵合和倒裝芯片鍵合工藝受益。

六、等離子清洗可去除引線鍵合和倒裝芯片鍵合工藝中的有機污染物

有機污染是許多引線鍵合和倒裝芯片鍵合工藝中的主要污染源。幸運的是，活性氧或氫自由基可以快速與表面有機污染物反應，例如碳氫化合物，光刻膠殘留物，助焊劑殘留物，膠帶粘合劑殘留物等。等離子刻蝕已廣泛用于IC制造工藝，因為它可以精確地去除納米級的材料。粘合和包裝過程中組件的規模通常要大得多。因此，如果有機污染物的厚度超過數十微米，則僅靠等離子清洗過程可能不是很有效。粘合墊表面大多數污染物的厚度在納米級到幾微米的范圍內。這些污染物可以在幾分鐘內通過等離子清洗過程快速去除。如果助焊劑、膠帶和粘合劑的殘留物厚度超過幾微米，則應在等離子清洗步驟之前先進行溶劑清洗過程。

如果有機污染物的厚度在幾納米量級，純氬等離子清洗工藝也可以通過物理氬離子濺射工藝有效地去除表面污染物。如果芯片、PCB 或引線框架含有容易氧化的活性金屬，如銀、銅或鋁，則不應使用氧等離子體。對于這些樣品，應使用純氬等離子體或與氫氣混合的氬氣代替。對于金墊，氬氣、氧氣或氫氣等離子體都可以達到良好的效果。在大多數情況下，對于有機材料，氧等離子體的蝕刻速度明顯更高。

七、氬氣或氬氣+氫等離子體可以去除粘接墊上的表面氧化物和氟化物

許多金屬焊盤在芯片和引線框架存放在周圍環境中時很容易被氧化。銀墊很容易失去光澤是一個常見問題。當然，氟化物腐蝕是許多過早粘接失效的另一個主要原因。氬離子濺射可以有效去除金屬墊表面的一層薄薄的氧化物和氟化物。將氬氣與氫氣混合生成等離子體也可以通過氫還原反應除去氧化物。但并非所有金屬氧化物都可以在室溫下被原子氫還原。例如，氫等離子體在室溫下不能化學還原氧化鋁。氫離子的重量不足以濺射掉表面氧化物或氟化物。重要的是在等離子體中添加較重的氬氣，以便高能氬離子可以通過物理離子濺射過程去除表面氧化物和氮化物。等離子清洗只是一個表面過程，因此它不能去除擴散到大部分金屬中的氟。

氬等離子清洗前后的銀鍵合墊。

在上面的圖片中，氬等離子清洗使失去光澤的銀墊在去除表面有機污染物和氧化銀層后看起來更明亮、更閃亮。下面的數據顯示，在純氬等離子清洗3分鐘后，焊線的拉力顯著提高。

八、等離子清洗可以增加表面能并減少底部填充空隙。

水滴接觸角測量方法已被廣泛用作評估樣品表面有機污染物厚度的低成本方法。有機污染可以排斥水，從而增加接觸角。干凈的表面將顯著降低接觸角。當然，低接觸角意味著更高的表面能。對于倒裝切屑底部填充應用，高表面能可以顯著提高芯吸速度，減少底部填充空隙，并產生均勻的圓角高度。

等離子清洗前后的 4“ 晶圓

九、Tergeo等離子清洗機中進行芯片封裝前的等離子清洗和引線鍵合

十、浸沒模式與遠程模式等離子清洗

在等離子體清洗的浸沒模式下，樣品直接浸入等離子體中。樣品將經歷高能離子濺射和與氧或氫自由基的表面化學反應。等離子體還可以產生紅外、可見光和紫外光子。一些專用芯片對表面離子濺射、紫外光子輻射或電荷極其敏感。在這種情況下，可以使用更溫和的遠程等離子清洗模式。在 Tergeo 等離子體系統上的遠程等離子體清洗模式下，不會直接在樣品室中生成等離子體。它是在連接到樣品室的單獨等離子體源中產生的。由于樣品未浸入等離子體中，因此可以最大限度地減少表面離子濺射、紫外光子輻射和電荷。遠程模式樣品清洗主要是表面化學反應，中性自由基從遠程等離子體源擴散出來。浸沒模式等離子清洗通常比遠程模式等離子清洗更快。遠程模式比浸沒模式更溫和。由于在遠程模式等離子體清洗中大多不存在物理離子濺射，因此純氬等離子體不會非常有效。通常，應在工藝氣體中添加氧氣或氫氣，以進行遠程模式等離子清洗。

浸沒（左）和遠程（右）等離子清洗模式

十一、等離子清洗的局限性

等離子清洗可有效去除厚度小于幾微米的有機污染物。盡管可以用氧等離子體灰化較厚的有機污染物層，但時間可能比溶劑清潔方法長。在某些情況下，不能使用氧等離子體，因為銅和銀等活性金屬很容易被氧等離子體氧化。純氬離子濺射清洗方法在去除一層厚厚的有機污染物方面不是很有效。如果芯片有厚厚的焊料、粘合劑或膠帶殘留物，最好使用溶劑清潔方法去除大部分殘留物，然后進行等離子清洗過程以實現原始表面清潔。

對于表面氧化物或氮化物，厚度應為數十納米或更小，以便等離子體清潔對氬氣或氬氣+水合物有效。在正常室溫下，它不能去除表層深處的氧化物或氮化物。

等離子清洗在去除晶圓切割過程中產生的大鋸末或顆粒/碎屑方面可能不是很有效，因為這些污染物通常是大的無機顆?；虺练e物，不能輕易被氬氣、氬氣+氧氣或氬氣+氫等離子體蝕刻或濺射掉。