提高基板键合可靠性的等离子清洗工艺研究*

2017-07-20曾玉梅王康李宏艳

电子与封装 2017年7期

曾玉梅，王康，李宏艳,3

（1.河北诺亚人力资源开发有限公司，石家庄050035；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，石家庄050081；3.中华通讯系统有限责任公司河北分公司，石家庄050081）

曾玉梅1,2，王康2，李宏艳2,3

通过等离子轰击可以有效提高金丝键合的可靠性。氩气等离子清洗后，基板容易金丝键合，破坏性拉力测试后键合点留压点，键合力有明显提高。5880基板最优的清洗参数是功率200 W，清洗时间600 s，气体流量150 ml/min，并且等离子处理之后2 h内完成键合，效果最佳。

等离子；金丝键合；清洗参数

1 引言

当前微波集成电路正在朝着微型化、小型化方向发展，由于组装器件的密度越来越大，工作频率也越来越高，分布参数的影响也越来越大，对产品的可靠性要求也越来越高[1]，这对微电子制造工艺提出了新的挑战。

在微波电路组装过程中，通常采用引线键合的方式来实现芯片与芯片、芯片与基板的互连。随着微波组件工作频率越来越高，引线键合的互连密度越来越大，这对产品可靠性的要求越来越高[2]。

在微波电路的制作过程中，电路失效的主要原因为引线键合失效。据统计，微波电路约70%的产品失效均由引线键合失效引起[3]。这是因为在微波电路生产制作过程中，键合区不可避免地会受到各种污染，包括无机和有机残留物。如果不加以处理，直接进行引线键合操作，将会造成虚焊、脱焊、键合强度偏低等问题。有些键合虽然拉力测试值较大，但是拉脱处几乎不留焊点。这些都将导致电路长期可靠性没有保障。

等离子体是由正离子、负离子和自由电子等带电粒子和不带电的中性粒子如激发态的分子以及自由基组成的部分电离的气体，由于其正负电荷总是相等的，故称之为等离子体。一些非聚合性无机气体（Ar、N2、O2等）在高频低压下被激发，产生含有离子、激发态分子和自由基等多种活性粒子的等离子体。通过等离子轰击可以使基板和芯片表面的污染物解吸附，有效清除键合区的污染物，提高键合区表面化学能及浸润性，因此在引线键合前进行等离子清洗，可大大降低键合的失效率，提高产品可靠性。

2 工艺过程

在电镀Ni-Au（1 μm/4 μm）金属膜层的氧化铝陶瓷基板、电镀CuNiAu（10 μm/1 μm/0.2 μm）膜层的高频板（聚四氟乙烯玻璃纤维增强5880层压板，以下简称5880基板）等制作完成后，电路组装之前，基板表面不可避免地会引入有机污染物，这将导致后续引线键合过程中键合不上或键合引线拉力值减小，使得可靠性下降。等离子清洗可以通过离子轰击使基板和芯片表面的污染物杂质解吸附并去除杂质，使得引线键合拉力值提高，可靠性提高。基于等离子清洗的需求，确定本课题的研究内容为：（1）不同的工艺气体等离子清洗工艺研究；（2）不同的基板材质等离子清洗工艺研究。

2.1 实验准备

实验所用的设备、仪器及工具包括13.6 MHz等离子清洗机DQX-206C、West bond 7476E型手动键合机、COINNING延展率为1%～2.5%的25 μm金丝、Dage4000拉力测试仪、镊子、一次性无粉尘乳胶指套等。

2.2 不同工艺气体的等离子清洗工艺研究

实验方法：首先在清洗之前对两个载体进行键合拉力测试，然后对两个载体进行不同气体的等离子清洗，第一种为单独使用氩气进行清洗，第二种为先氧气清洗再进行氩气清洗。然后对清洗后的载体进行键合拉力测试。通过拉力值数据分析，最后确定等离子清洗的工艺气体，再进行验证实验。

先采用氩离子体轰击再进行氧离子轰击后，基板表面键合效果差，拉力测试基本不留焊点，工艺气体为氩气的实验结果见表1，工艺气体为氧气和氩气的实验结果见表2。

对以上实验进行二次验证，实验结果重复性较好，实验得出以下结论：

（1）氩气等离子清洗后，基板容易键合，进行破坏性拉力测试后金丝从根部拉断，键合力有明显提高；

（2）先氧离子后氩离子清洗后，基板不易键合，破坏性拉力测试后键合区没有键残留痕迹，键合力没有明显提高。

表1 工艺气体为氩气的实验结果（拉力值/g.f）*

表2 工艺气体为氧气/氩气的实验结果（拉力值/g.f）*

综上所述，氩气等离子清洗是通过氩离子轰击被清洗基板表面，将污染物（主要是氧化物）剥离清洗件表面，更利于金-金热超声键合过程中金属键的形成，提高键合可靠性和键合一致性。

2.3 不同基板材质等离子清洗工艺研究

实验方法：实验生产中主要用到的基板是薄膜陶瓷基板和5880基板，首先通过前期摸索确定等离子清洗的工艺参数范围，在清洗之前对每个载体进行键合拉力测试，然后对每种载体进行不同工艺参数的等离子清洗，再对清洗后的载体进行键合拉力测试。通过拉力值数据分析，确定等离子清洗的工艺参数，最后进行验证实验。

表3 氧化铝基板等离子清洗因素水平表

表4 氧化铝基板等离子清洗实验结果表

从表4中可以得出以下结论：

（1）清洗功率为200 W时，键合拉力值增长率最大；

（2）清洗时间为900 s时，键合拉力值增长率最大；

（3）气体流量为100 ml/min时，键合拉力值增长率最大。

对表4的最佳实验结果进行优化实验验证，如表5所示。

表5 验证实验结果表（实验组合方案）

清洗时间增加后，键合拉力均值小幅度下降；减小气体流量至80 ml/min，键合拉力均值明显降低。故最优的参数组合为A2B3C1。

采用以上实验方法和过程对5880基板进行实验，获得5880基板的等离子清洗最佳参数为功率200 W，清洗时间600 s，气体流量150 ml/min。

2.4 等离子清洗的时效性工艺研究

对表面Au层的氧化铝陶瓷基板和5880基板进行等离子清洗处理前后以及存放时间对键合力的影响进行监控，对每个阶段的十组测试结果取平均值，实验结果如表6所示。

表6 等离子清洗的时效性结果（拉力值/g.f）*

*清洗参数：功率300 W；清洗时间：600 s；氩气流量：100 ml/min。

通过表6可以看出，经过等离子处理之后2 h内，键合拉力值提高较大，且拉力值稳定，3 h时键合拉力值有所降低，4 h及以后键合拉力值降低很多。所以等离子处理后的2 h内是最佳的存放时间范围。

3 结论

通过对键合前基板进行等离子清洗工艺参数的摸索和实验，确定了电镀Au膜层的陶瓷基板和5880基板的最佳清洗参数，同时获得基板清洗后的最佳键合存放时间范围，为提高微组装中金丝键合强度和产品可靠性提供一定的参考。

[1]孙瑞婷.微组装技术中的金丝键合工艺研究[J].舰船电子对抗,2013,36(4):116-120.

[2]张国柱，杜海文，刘丽琴.等离子清洗技术[J]. Electromechanical Components,2001,12(4):31-34.

[3]师筱娜，柳国光，廖鑫.微波等离子清洗技术及应用[J]. Defense Manufacturing Technology,2012,6(3):40-42.

Research of Substrate Cleaning Process for Better Wire Bonding Reliability

ZENG Yumei1,2,WANG Kang2,LI Hongyan2,3
（1.Hebei Far-East Communication System Engineering Co.Ltd,Shijiazhuang 050035,China；2.China Electronics Technology Group Corporation No.54 Research Institute,Shijiazhuang 050081,China；3.China Communication System Co.,Ltd.Heber Branch,Shijiazhuang 050081,China）

Wiring bonding reliability can be effectively improved by plasma cleaning.In the paper,the surface of substrate presents better wire bonding performance after cleaned by Ar plasma and the bonder remains after pulling test.The best parameters for 5880 substrate include 200 W ultrasonic power,600 s cleaning time and 150 ml/min gas flow.Wire binding within 2 hours after cleaning achieves the bestperformance.

plasma;wire bonding;cleaning parameters