plasma等离子清洗对陶瓷外壳表面亲水浸润性能的影响

文章出处：本站 | 网站编辑：深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-03-17

半导体封装技术加工特征尺寸不断缩小，集成电路的输入/输出端口数剧增，相应的芯片封装技术向高密度、高可靠性方向发展，以满足千万门级FPGA、高性能SoC、高速高精度AD/DA等系列宇航核心集成电路的封装需求。倒装焊封装因具有近乎理想的封装密度和优异的高频性能，在微电子封装与组装互连中具有明显的优势。

典型倒装焊封装是先在芯片上制备焊料凸点或单质凸点，再将芯片凸点面朝下贴装到基板上，通过焊接的方式实现稳定可靠的电气互连，然后将底部填充胶沿芯片边缘注入，借助于液体的毛细作用，底部填充胶会被吸入并向芯片与基板的中心流动，填满后加热固化，工艺流程如图1所示。

图 1 底部填充工艺流程示意图

陶瓷封装中的倒装焊技术是将芯片倒装在陶瓷表面的焊盘上，而底部填充胶是在芯片和陶瓷基板之间进行填充。由于氧化铝涂层处理能够使陶瓷表面更细腻，会增加焊点强度和可靠性，用于封装的陶瓷表面可能会进行氧化铝涂层处理。陶瓷外壳表面的状态对底部填充胶的流动性产生影响，进而影响底部填充的效果。因此，研究不同处理的陶瓷表面对于底部填充效果的影响至关重要。

本文研究底部填充胶在不同处理的陶瓷外壳上的扩散状态以及（Plasma）等离子清洗技术对底部填充胶在陶瓷外壳扩散状态的改善作用。底部填充胶在陶瓷外壳上的流动性能关系到底部填充工艺的可靠性，关系到倒装焊器件的长期可靠性。因此，针对底部填充胶在陶瓷外壳上流动性能的研究至关重要。

试验内容

选取两种不同处理的外壳作为样品，使用金相显微镜对其表面状态进行记录对比。随后进行接触角试验，共进行8组试验，每组3次，试验温度25℃。具体分组如表1所示。

表 1 接触角试验分组列表

其中射频等离子清洗参数为功率380W，氩气流量75sccm，清洗时间90s。

结果分析

陶瓷外壳的表面粗糙度
液体在陶瓷外壳上的扩散状态与陶瓷外壳表面粗糙度直接相关，液体会沿着凹凸不平的表面铺张、浸润，因此对两种不同处理的陶瓷外壳的表面状态进行观察。图2所示是外壳1和外壳2在400倍光学显微镜下的照片，可以看出两种外壳表面均呈现无数凹凸不平的颗粒状表面，从金相显微镜照片可以粗略看出，外壳1表面的粗糙度要略大于外壳2。等离子清洗对外壳的表面粗糙度基本没有影响。

图 2 等离子清洗前后的外壳表面状态

水在两种陶瓷外壳上的扩散状态
为了确认不同处理的外壳表面浸润性的不同，分别对两种外壳表面进行水滴角试验。如图3所示，分别是外壳1和外壳2在水滴至外壳表面后，液体与陶瓷接触瞬间的接触角（0s）和达到平衡时的照片，可以看出外壳1表面的水初始接触角为61.5°，平衡时浸润，平衡时接触角几乎为0°；而外壳2表面的水浸润效果一般。这可能是由于表面经过处理后，表面的憎水基增多，亲水基减少，导致水在处理后的外壳表面浸润性能降低随后，对两种外壳进行等离子清洗试验。等离子清洗后如图4所示，外壳1瞬间浸润，外壳2初始接触角依旧很大，但平衡时已经几乎完全浸润。这是由于等离子清洗使陶瓷表面的残留脏污减少，提升了水在陶瓷表面的浸润性能。但仍无法完全改变处理后外壳表面不易浸润的问题。

环氧树脂在两种表面状态陶瓷外壳上的扩散状态
由于水仅能在一定程度上表征底部填充胶在外壳上的浸润性能，因此为了进一步确认不同处理的外壳表面状态对底部填充的影响，采用底部填充胶作为接触角测试用液体，进行接触角试验。如图5所示，分别是外壳1和外壳2在环氧树脂滴至外壳表面后，液体与陶瓷接触瞬间的接触角（0s）和达到平衡时的照片，可以看出外壳1表面的液体初始接触角较小，最终浸润状态接触角近似平角；而外壳2表面的水浸润效果一般，初始接触角较大，达到平衡后没有实现完全铺展。这可能是由于表面经过处理后，表面与环氧的亲和力降低，导致环氧树脂胶在处理后的外壳表面浸润性能降低。

由于等离子清洗可以改善陶瓷外壳表面状态，增强其润湿性能，增加环氧树脂的流动型。随后，对两种外壳进行等离子清洗试验。等离子清洗后，如图6所示，外壳1初始接触角小于未清洗之前。外壳2初始接触角略有减小，但平衡时已经几乎完全浸润。这说明等离子清洗对于两种外壳表面的浸润性有所改善，但仍无法改变外壳处理带来的浸润问题。

由表3可知，等离子清洗对于外壳表面的浸润性有所提升，外壳1和外壳2在等离子清洗后的终态浸润角均小于清洗前，说明等离子清洗后外壳的浸润效果有所提升。

从表3可知，未清洗时外壳2的接触角从50.2°至完全浸润的44.1°，均远大于外壳1；等离子清洗后，外壳2的浸润终态接触角大于外壳1。这说明外壳1的浸润性要好于外壳2，更加说明了外壳2的表面处理对环氧树脂胶的浸润存在不良影响，等离子清洗也无法完全优化浸润性。

表 3 25 ℃ 下的接触角结果