等离子体及其在微电子封装领域的应用

等离子体及其在微电子封装领域的应用

在微电子元件制造过程中, 封装是一个重要步骤。优良的封装技术可以提高微电子产品的寿命，可靠性和降低环境对产品性能的影响。在微电子封装工艺中，常见的问题是芯片粘接中的空隙, 引线键合中较低的键合强度, 塑料封装后的界面剥离等等。所有这些问题均与材料的表面特性有关。

未经表面处理的材料通常不具备符合粘结的物理和化学特性而需要表面活化。表面上沉积的污染物影响了表面粘结能力而需要表面清洗。等离子工艺提供了有效的表面清洗和活化方法。在保证整体材料性质不变的情况下，等离子工艺能够实现固体表面几个分子层的物理或化学改性。

等离子体介绍

等离子体是部分电离的电中性的气体,是常见的固态，液态，气态以外的第四态。等离子体由电子，离子，自由基，光子，及其它中性粒子组成。由于等离子体中电子, 离子和自由基等活泼粒子的存在, 因而很容易与固体表面发生反应。这种反应可分为物理溅射和化学反应。物理溅射是指等离子体中的正离子在电场中获得能量去撞击表面。这种碰撞能移去表面分子片段和原子，因而使污染物从表面去除。另一方面，物理溅射能够改变表面的微观形态，使表面在分子级范围内变得更加"粗糙"，从而改善表面的粘结性能。

等离子体表面化学清洗是通过等离子体自由基参与的化学反应来完成。因为等离子体产生的自由基具有很强的化学活性而降低了反应的活化能，从而有利于化学反应的进行。反应中产生的易挥发产物(主要是气体) 会脱离表面, 因而表面污染物被清除。反应的有效性, 即表面改性的有效性取决于等离子体气源, 等离子系统的组合, 及等离子工艺操作参数。

等离子体表面清洗及活化工艺具有诸多优点。主要表现为:

1. 等离子工艺是有利于环境保护的工艺。等离子清洗过程中仅使用微量气体，没有污染物排放。

2. 等离子清洗工艺成本较低, 容易使用。可以处理拥有各种表面的材料, 并具有良好的均匀性和重复性。

3. 维护及保养费用较低。

4. 适合于高级封装及其它需要表面改性的工艺。

随着电子电路集成化的提高, 芯片尺寸变得越来越小, 表面清洗的要求越来越高。等离子体表面清洗工艺已经成为最好的选择之一。

等离子体应用

集成电路封装工艺包括芯片粘结, 引线键合及塑料封装。由于表面氧化物和有机污染物的存在, 导致了不完全有效的芯片粘结, 不良的引线键合强度, 以及封装后微电子装置中的剥离现象。所有形式的表面污染降低了集成电路封装中的可靠性和产率.

等离子体清洗可应用于芯片粘结工艺之前。等离子清洗和活化后的表面将改善芯片的粘结能力并减少可能产生的空隙。这种良好的粘结性能改善了封装的热消散能力。当共晶焊锡在芯片粘结中被用作粘结材料时, 表面的氧化会影响芯片粘结。等离子工艺能有效去除表面的金属氧化物, 从而确保无空隙的芯片粘结。

金属焊盘上污染物的存在会降低引线的键合能力。在高级封装工业中, 日益缩小的焊盘限制了键合表面尺寸, 从而增加对无污染表面的要求。在引线键合之前, 等离子体被用于去除焊盘上的污染物和氧化物, 增加键合可靠性和能力。研究发现, 经等离子体清洗后的表面, 引线键合力平均增加24.3%。

在BGA封装中, 由于封装化合物和各种材料界面之间存在不良的粘结能力, 易于产生界面剥离。通过增加BGA产品的表面能, 等离子体工艺能极大地改善材料界面的粘结能力,

从而降低或消除界面剥离。实验证明, 当等离子体应用于表面清洗, 塑料封装后的界面剥离现象会极大地减少, 因而封装的可靠性极大地增加。

在覆晶封装工艺中, 很大的挑战来自于覆晶填料工艺, 尤其在设计中应用大尺寸芯片, 微小间隙, 和高密度焊球阵列的覆晶封装。已经证实, 等离子体处理能够增加表面能, 促进粘结, 减少空隙, 平衡填料边缘高度, 增加虹吸速度和降低界面剥离。

等离子体清洗工艺也可应用于印刷电路板制造中的除污和凹蚀,和聚四氟乙烯的表面活化。多层印刷电路板上的机械钻孔创造了树脂残余物。这种钻污粘附在微孔壁上, 影响了敷镀金属的效果。为了确保可靠的电接触, 钻孔以后在内层孔壁上的钻污必须被去除。对具有高纵横比微孔的多层板结构, 由于高性能材料的使用以及湿法化学工艺中的毛细管效应的存在, 传统的化学方法并不有效。相反, 等离子体工艺能有效地去除在标准的和高纵横比的板材上的环氧树脂，高Tg混合物, 混合材料和其它树脂残余物。

另外，双面和多层聚四氟乙烯穿孔板的表面活化对增加表面的粘结性能是必需的。化学工艺不适合处理混合在同一块面板中的聚四氟乙烯和其它树脂。然而单一的等离子工艺能改变聚四氟乙烯表面和去除树脂残余物, 有效地清洗孔壁为化学电镀或直接敷镀金属作准备。

综合上文，我们得出，未经表面处理的材料通常不具备符合粘结的物理和化学特性而需要表面活化, 在保证整体材料性质不变的情况下, 等离子工艺能够实现固体表面几个分子层的物理或化学改性；等离子表面改性技术能够广泛地应用于芯片粘结, 引线键合, 塑料封装, 和印刷电路板制造工艺中。

资料整理——东莞市铭润精密模具加工厂