Plasma清洗在Flip睠hip工艺中的重要作用

陈天虎　姚泽鑫　李键城��

摘要：随着半导体芯片封装技术的发展，倒装芯片封装技术，其杰出的电气和热性能，高I/O引脚数，以及其封装集成较高的优势，使其在芯片封装行业中得到了快速的发展。芯片的高密度引脚封装也其对封装可靠性也提出了更高的要求，而在FlipChip工艺过程中基板上的污染物和氧化物是导致封装中基板与芯片Bump键合失效的主要因素。为使芯片与基板能达到有效的键合，在Bond之前将基板进行plasma清洗，以提高其键合的可靠性。通过介绍plasma清洗原理、过程，以及水滴角，推力测试等实验，论证了在FlipChip Bond之前对基板进行plasma清洗能有效的提高产品键合的可靠性。

关键词：plasma；FlipChip；推力测试；水滴角；键合

随着现代电子制造技术的发展，Flip–Chip Bond封装技术得到了广泛的应用，但问题也随之而来，因前端工艺的需要，生产过程中避免不了在基板上残留一些有机物或其他污染物，而且在烘烤工艺中也会使基板pad金手指镀金层下的Ni元素上移到表面。如不能有效的去除这些污染物，会使随后在Flip–Chip Bond工艺中导致芯片上Bump与基板pad键合不佳、分层，甚至出现键合焊接不上（漏焊，少焊）的情况。而傳统清洗工艺中的湿法清洗如CFC清洗、ODS 类清洗等因环境、成本的限制以及现代电子组装技术、精密机械制造的进一步发展，对清洗技术提出更的要求。相对于传统的湿法清洗，干法清洗特别是以等离子清洗技术为主的清洗技术在这些方面有较大优势。

1 Plasma清洗原理

通常物质以固态、液态、气态3种状态存在，而Plasma是物质存在于3种物质状态之外的另一种状态，及在一些特殊的情况下物质原子内的电子脱离原子核的吸引，使物质呈为正负带电粒子状态。它的清洗原理就是在一组电极施以射频电压，区域内的气体被电极之间形成的高频交变电场激荡下，形成等离子体。活性等离子对被清洗物进行物理撞击或化学反应作用，使被清洗物表面物质变成粒子和气态物质，然后在经过抽真空排出，以达到清洗目的。

Plasma清洗过程中与材料表面产生的反应主要有两种方式，一种是靠等离子对被清洗件表面作纯物理撞击作用。常用的气体有不活泼气体如氩气（Ar）、氮气（N2）等。另一种则是靠等离子中的自由基来做化学反应，常用的活泼气体有氢气（H2）、氧气（O2）等。

a）图示1，表示氩气（Ar）等离子体以纯物理撞击方式来打破有机物的化学键并使表面污染物脱离基板。研究表明在压力较低时，离子的能量越高，因而在物理撞击时，离子的能量越高，撞击作用越强，所以若要以物理反应为主时，应在较小压力下来进行反应，这样清洗效果较好。

方程式为：Ar + e→Ar+ + 2e Ar+ + CxHy

b） 图示2 表示活性气体O2在电离情况下，其等离子体里的高活性自由基与材料表面做化学反应，且在压力较高时，对自由基的产生较有利，所以若要以化学反应为主时，应选择在高压下进行反应。

方程式为：O2 + e → 2O + e

（CH2）n + 3/2nO2 → nCO2 + nH2O

2 实验验证

在选取氧气和氩气作为plasma清洗条件时，综合考虑产品元件，以及氧气plasma清洗过程中容易在清洗元件表面产生新的氧化物，造成二次污染，而氩气等离子清洗的机理是通过粒子动能产生的物理清洗且氩气是惰性气体，在等离子清洗中不会与产品元器件发生化学反应，可以保持元件表面的化学纯净性，不会造成二次污染。所以以下实验只选用单一气体氩气作为plasma清洗的工艺气体。

2.1 水滴角

实验方案：本实验通过对未清洗，传统（超声波+电子氟化液）湿清洗、plasma清洗的三种状态下的基板分别进行水滴角测试，对水滴角大小来判定清洗效果。

实验条件：10等级无尘室，传统清洗与plasma清洗分别在清洗后30分钟进行水滴角测量。

实验设备：运用PhoenixPico/Nano型号的接触角测定仪进行水滴角大小进行测定。

实验材料：基于AL2O3的陶瓷基板。

实验结果：

从图3和表1的实验数据显示未清洗基板水滴角最大，其次是传统清洗，水滴角最小的是经过plasma清洗后的基板，表明plasma清洗效果明显优于传统清洗的效果。

2.2 键合后推力 test 验证

实验方案：本实验通过对所需Bond的基板在未清洗、传统清洗、plasma清洗三种状态的基板分别在进行Filp–Chip Bond，且在Bond后进行推力实验，以及键合的状态进行比较分析来判断清洗方式对键合的影响。

实验条件：10等级无尘室，对三种状态的基板 Filp–Chip Bond。

实验设备：用型号Nordson DAGE（DAGESERIES4000PXY）多功能焊接强度测试仪进行推力测试；推力治具在受到持续加大的推力时芯片分离基板，测试仪记录芯片分离时所用的最大推力。

实验结果：

推力单位：克力（gf）

通过表2的实验结果表明基板通过plasma清洗之后芯片上的Bump（Au）与基板上的pad之间的键合程度明显优于未清洗和传统清洗的基板。说明plasma清洗能有效的清除Bond pad上的污染物等，从而使Bump（Au）与Bond pad产生更多的键结使之得到充分的焊接。

2.3 比较分析芯片分离基板之后基板pad上的Bump状态[HT]

将芯片分离之后观察分析芯片上的Bump是否保留在基板Pad上，从而判定Bump（Au）与基板pad键合的有效性。通过试验可以比较基板在三种状态下分别进行FlipChip Bond，并对制品进行Push out测试，比较分析基板上保留的Bump数量。

测试结果：

（1）从图6可以看出在基板未清洗状态下，Bond后将芯片与基板分离，有较大部分Bump并没有键合到基板pad上（少球率：（32/72）*100%=47%），虽然金球（Au）经FlipChip Bond后芯片bump已变形但是在少球的基板pad上并没有Bump的残留物，未得到有效键合，此状态为失效。

（2） 从图7显示在基板传统清洗状态下并经。FlipChip Bond 后将芯片分离，任有部分Bump并没有有效的键合到基板pad上（少球率：（10/72）*100%=13%}，虽然Bump经压合后已变形且可以看出基板pad上有少量金球（Au）的残留，但从前面的推力实驗可以看出其平均推力为：1363.78gf；而芯片Bump的最小剪切力大于72*19=1389gf此推力较低，其Bond键合可靠性较低。

（3） 基板在plasma清洗状态下并经过Bond后将芯片分离，芯片上的Bump全部转移到基板的Bond pad上（少球率：0%），芯片Bump与pad得到了充分的焊接，完全达到了倒装工艺对产品焊接的要求，提高了键合的可靠性。

4 成分比较分析

将基板在未清洗、传统清洗、plasma清洗三种状态下，对基板pad的提取物进行成分分析，通过杂质的含量多少来判断清洗的效果。

测试条件与设备：

Model 2100 Trift II TOFSIMS （Physical Electronics，USA） TOFSIMS Analysis Conditions：

Primary lon Beam：Gallium LMIG （bunched）

Primary Beam Energy：15KeV

Test region：100*100（um2）200*200（um2）

Charge Neutralization：used

测试结果：

a）在为进行清理的基板pad上提前物有较多的杂质且含量最高。

b）在进行传统清洗之后基板pad上提取物杂质含量有所降低，但杂质种类任然较多，影响键合质量。

c）在进行plasma清洗之后基板pad上提取物杂质明显得到了降低。

测试结果表明未清洗与传统清洗中基板pad上的杂质含量明显多于plasma清洗之后的杂质含量。而基板bond pad上杂质含量是影响基板与芯片bump键合质量的主要因素。

5 结论

本文验证了plasma清洗在FlipChip Bond工艺中起的重要作用，通过对基板进行plasma清洗能够有效的清除基板因前端工艺而残留的杂质，从而在FlipChip Bond工艺中使芯片的Bump与基板上的Pad更能够有效的键合，提高其键合的可靠性。而且相对于传统湿法清洗工艺来说更为绿色环保，成本更低。

参考文献：

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[2]马腾才.等离子体物理原理[M].合肥市：中国科学技术大学出版社，1988：1232.

[3]张国柱，杜海文，刘丽琴，等.离子清洗技术[J].机电元件，2001，21（4）：3134.