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半导体封装引线键合等离子清洗工艺参数如何选择

文章出处:本站 | 网站编辑:深圳纳恩科技有限公司| 发表时间:2022-04-30
在等离子清洗工艺中,选择性、各向异性、均匀性和清洁率是工艺参数选择的函数。工艺参数也决定工艺是否为物理的、化学的或者两种机制的结合。当用于清洁键合焊盘时,每种工艺都有显著的优点和缺点。工艺气体的选择、容室压力、应用功率和工艺时间都决定清洁机制及其效果。实际上,在整个制造过程中,等离子清洗系统的关键控制要素包括过程温度、射频功率、气体分配、真空度、电极设置、静电保护等等。对系统和这些交互影响参数的控制对获得良好的清洁效果是至关重要。

等离子清洗工艺的目的是要使引线拉力强度最大,减少失效和提高合格率。在做到这一点的同时,又要尽量不影响封装生产线的产量。因此关键的是要通过审慎地选择工艺气体、操作压力、时间和等离子功率来优化等离子清洗工艺。

1)工艺气体:在等离子清洗工艺中,所采用的气体一般为O2、Ar、N2、80%Ar+20%O2、80%O2+20%Ar、H2、Ar/H2以及含Ar和O2的CF4。另外O2/N2等离子也有应用,它是有效去除环氧树脂的除气材料。不同的工艺气体有不同的清洗机理,有物理的、化学的或物理/化学的,选择何种工艺气体应根据被清洁表面的污染物来确定。

2)压力:工艺容室压力是气流速度、产品排气率和泵速的函数。物理工艺一般要求比化学工艺有较低的压力。物理等离子清洗是通过激活离子除去表面污染物,因此要求在通过碰撞去激的减活作用之前,已激励的粒子和自由基团碰撞到基板表面。因此,压力参数的设定是至关重要的,如果工艺压力过高,已激励的粒子和自由基团在到达键合焊盘之前将与其它粒子经过很多次的碰撞,因此减低了清洁力。如果压力过低,活性离子没有足够的活性能力除去表面污染物。

通常,污染物以吸附方式附着在固体表面,表面吸附粒子与固体表面有相互作用,或者说处在表面势场的作用范围内。一般物理吸附能在0.1~0.5eV,化学吸附能稍大一些,在1~8eV范围左右。所以入射离子能量大于固体表面吸附粒子的吸附能时,就可以清除固体表面污染物。

由于压力是容室气体浓度的函数,浓度的大小决定了粒子在碰撞之前所行程的距离,这个距离叫做粒子的平均自由路程,它与压力成反比。因此,压力的大小应选在使激活离子有足够的平均自由程能到达清洗表面,并使碰撞冲击能量大于固体对污染物的吸附能,同时,气体要有合适的浓度,以获得合理的清洗时间。

化学工艺依赖产生气相辐射的等离子与基板表面的化学反应,并要求使用较高的压力。在化学反应的等离子工艺中使用较高的工艺压力是由于需要在基板表面的活性反应有足够的浓度。由于较高的压力,化学工艺具有较快的清洁速度。但工艺压力也不能过高。

因此,压力参数是通过工艺气体的选择定义的,但是压力大小的进一步细调节对优化清洁性能也是至关重要的。

3)等离子功率:等离子功率通过增加等离子内的离子密度和离子能量来增加清洁速度。离子密度是单位体积的活性反应组分的数量。增加离子密度将增加清洁速度,因为活性反应组分的浓度相对更大。离子能量定义活性反应组分进行物理工作的能力。

我们为引线接合的改善进行了等离子工艺功率的评估。增加功率对引线键合的改善有显著的效果,而且清洗效果的一致性表现得更好。可是,如果增加功率太多,可能对基板是有害的,这是因为等离子在去除污染物的同时,改变了表面的结构,使表面的粗造度增加。并且对工艺也是无效的。

4)时间:一般来说,目标是要使工艺时间最短,以达到最大的封装生产线产量。工艺时间应该与功率、压力和气体类型平衡。对PCBs类基板作为引线键合强度函数的工艺压力与功率进行优化,评估工艺时间,结果证明了工艺时间的重要性。当清洗工艺时间过短时,与未处理基板相比较,在引线接合强度上提高不大,当清洗工艺时间增加时,引线键合强度增加达20%以上。然而,较长的工艺运行时间不总是可以提供更好的键合强度的改善。达到可接受的键合抗拉强度所需要的清洁时间依赖其它的工艺参数。

另外,在等离子清洗工艺之后,应在一个合理的时间以内进行引线键合工艺,如果间隔时间过长,可能会造成二次污染。因此,建议在8小时以内进行引线键合工艺,或存放在N2气室里。

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