等离子清洗在引线框架封装工艺中的应用

高晓伟，刘彦利

(中国电子科技集团公司第二研究所,山西 太原 030024)

0 引言

随着IC制造技术的发展，传统的封装形式已经不能够满足现阶段集成电路对于高性能、高集成度、高可靠性的要求[1]。随着电路框架结构尺寸的逐渐缩小，芯片集成与封装工艺的不断提高，对于高质量芯片的需求也在不断提高，然而在整个封装工艺过程中存在的污染物一直困扰着科研人员，从利于环保，清洁均匀性等因素方面考虑可采用单片的在线式等离子清洗工艺[2]。同时近几年随着国家对于芯片自主可控的重视，芯片质量、可靠性等关键因素显的格外重要。

1 等离子清洗

1.1 等离子清洗原理

本文以射频电容耦合所产生的等离子体为基础，通过外部施加的高频电场产生加速作用引起气体电离。辉光放电所形成的等离子体中有电子、正离子、亚稳态的分子和原子等[3]。

当等离子体与被清洗物体表面相互作用时，一方面利用等离子体或者是等离子激活的化学活性物质与材料表面污物进行化学反应，如用等离子体中的活性氧与材料表面的有机物进行氧化反应[4]。等离子体与材料表面有机污物作用，把有机污物分解为二氧化碳、水等排出。

另一方面利用等离子的高能粒子对污物轰击等物理作用，如用活性氩等离子体清洗物件表面污物，轰击使其形成挥发性污物被真空泵排出。

在实际生产中使用化学和物理方法同时进行清洗，其清洗速率通常比单独使用物理清洗或化学清洗快。在引线框架封装工艺中，可采用氩气与氢气混合的物理化学清洗方法，但考虑到氢气的易爆性，需严格控制混合气体中氢气的含量[5]。

1.2 在线等离子清洗机

本研究中采用在线式等离子清洗设备进行工艺试验。该设备为低温低压射频等离子清洗设备，其原理是基于真空状态下，利用射频源激发形成的高压交变电场将工艺气体震荡成等离子体，与有机污染物及微颗粒污染物反应或者碰撞，从而形成挥发性物质，最后由真空泵将这些挥发性物质排出去，从而达到表面清洁活化的目的。最大特点是可实现整体和局部以及复杂结构的清洗，同时该设备实现了引线框架的自动传输清洗，两托盘相互交换接送料又提高了生产效率，单个引线框架清洗实现了对整体及局部位置的剥离式清洗，又无废液，污染源产生[6]。在线式等离子清洗设备结构如图1所示，在线等离子清洗工艺流程如图2所示。

图1 在线等离子清洗机

图2 等离子清洗工艺流程

2 引线框架封装工艺

在封装行业的整个产业链中，封装与测试芯片是走向市场化的最后一个工艺环节，因此封装与测试工艺的好坏直接决定了芯片质量可靠性及使用寿命，也对产品的市场占有率有很大的影响。从某种意义上讲封装是制造产业与市场需求之间的纽带，只有封装好才能成为终端产品。经过多年来封装行业的不断研究与发展，引线框架的封装工艺也发生了很大的变化，但其大致可分为以下几个步骤。

1) 晶圆制造、切割：制造所需的晶圆，将加工完成的晶圆上一颗颗晶粒切割分离。

2) 点胶，黏晶：在晶粒座预定粘结晶粒的位置上点上银胶，经过切割的晶圆上的晶粒一颗颗的放在已点银胶的晶座上。

3) 焊线：目的是将晶粒上的接点以极细的金线连接到导线架上引脚。

4) 封胶、检测：给芯片包覆外壳。

5) 印字：注明产品规格，制造者。

6) 剪切成型。

封装工艺直接影响引线框架芯片产品的成品率，而在整个封装工艺环节中出现问题的最大来源就是芯片与引线框架上的颗粒污染物、氧化物及环氧树脂等污染物。如何去除这些污染物一直是人们关注的问题。等离子清洗工艺为这些问题提供了经济有效且无环境污染的解决方案，针对这些不同污染物出现环节的不同，在不同的工序前可增加不同的等离子清洗工艺，因可能会导致产品报废，所以选择合适的等离子清洗工艺在引线框架封装中是非常重要的，其应用一般分布在点胶前，引线键合前，塑封前等[7]。

3 等离子清洗实验

3.1 实验材料

采用封装领域广泛使用的引线框架为试验材料，如图3所示。

图3 引线框架示意图

3.2 清洗实验

本次试验采用芬兰产的THETA型号接触角测试仪对实验材料进行水滴角的测量。

1) 在材料未进行等离子清洗前，对材料表面进行水滴角的测量，测得的接触角为88度左右，材料表面滴水测得角度如图4所示。

图4 清洗前接触角实验结果

2) 在线等离子清洗机实验时候采用的功率为300W，真空度为100 Pa，工艺气体选择氩氢混合气，流量为10 ml/min，清洗时间为20 s。材料经过等离子清洗后，测得的接触角为20度以下。清洗后材料表面滴水测得的角度如题5所示。

图5 清洗后接触角实验结果

通过接触角实验清洗前后测试结果可知，经过在线式等离子机清洗后，引线框架上的接触角由未清洗前的88度降低到了清洗后的20度以下，这说明通过在线等离子机清洗能够有效去除框架表面的各种污染物，从而提高焊线的强度，去除封装芯片时候出现的分层现象。

4 结语

通过对在线式等离子清洗机以及引线框架封装工艺的分析研究，得到在线等离子清洗机可实现单片式引线框架的干净清洗；通过对等离子清洗前后引线框架水滴角对比试验的分析与研究，清洗后的引线框架水滴角会发生明显的减小，能有效地去除其表面的污染物及颗粒物，对于提高引线键合的强度和降低封装时候的分层现象有明显的效果，从而对于提高芯片本身的质量和使用寿命提供了相应的参考依据，可推动封装产业更加快速的发展。