先进半导体及晶圆封装 | 如何去除有机污染物?等离子超净清洗提高表面附着力和良品率

发布时间: 2021年12月22日 浏览次数:715

 

超清洁度是任何微电子部件在任何开发阶段都必须满足的关键要求:从单个组件的制造过程、封装之前到最终的PCB组装。等离子技术成为半导体微电子领域最重要的表面处理工艺之一,其应用包括清洁、焊线改进、除渣、凸点粘附、剥离和蚀刻。本文就等离子清洗在半导体及晶圆封装进程中的应用做详细阐述。

 

 

在微电子封装领域,SIP、BGA、CSP组装技术使半导体器件向模块化、高集成化和小型化方向发展。但是这样的封装与组装工艺中,也存在致命问题:粘结填料处的有机污染物和电加热中形成的氧化膜导致精密元件的粘接强度降低和封装后树脂的灌封强度降低,直接影响到这些元件的组装水平和后续工艺。

 

为解决和改善这一问题,很多电子产品出产商都尝试过各种解决办法,最终经过大量测试验证,等离子清洗成为众多清洗工艺中最重要的表面精密处理方案,专为满足先进半导体封装组装 (ASPA)微机电 (MEMS) 组装晶圆级封装 (WLP) 的独特需求而设计。

 

△先进半导体封装 图源:Henkel

 

◆ 其他清洗工艺为何解决不了问题?

 

超声波、喷淋、蒸汽、喷砂、机械、化学、溶剂和热基清洁方法对电子组件存潜在有害影响,特别是在脆弱组件的情况下,例如与强酸和强碱有关的组件,在塑料上使用有机溶剂组件,或温度敏感组件的热方法。

 

另一方面,适当去除微米和亚微米污染物始终是一项艰巨的任务,因为它们与表面产生非常强的物理化学相互作用:共价键、离子键、范德华力、氢键、偶极-偶极和静电相互作用,或它们的组合。 

 

在考虑纯物理方法时,所有这些都是增加去除所需能量的因素,并且需要使用更强的溶剂,这反过来又增加了基材损坏的风险。此外,常规溶剂也可能会留下额外的残留物,并且在形状复杂的部件下是无效的。

 

 

◆ 为什么是等离子?

等离子体是一种高能级的不稳定聚集态的称谓。通过能量的输入,材料由固态和液态转变为气态。通过放电作用将额外的能量注入气体中,然后产生等离子体状态。能量的输入允许电子脱离其原子轨道,并可以破坏化学键以形成自由电子、离子和分子。这一过程的结果被认为是物质存在的除固、液、气之外的第四种状态

 

在特定条件下,等离子体放电的特点是“热”自由电子与定义气体温度的其余重物质(原子、离子、分子和自由基)之间缺乏热平衡。由于与“热”自由电子的相互作用,这使得可以在室温下引发高能化学反应。因此,等离子体工艺是存在于微电子元件的不同制造步骤中,包括光刻胶残留物的最终精细去除。另一方面,等离子体处理方法也用于增加表面润湿性,从而显著改善倒装芯片封装过程中的底部填充 。类似地,等离子放电用于在灌封和封装之前激活印刷电路板。此外,它们还可用于金触点的脱氧以改善引线接合。

 

△图源:东信高科

 

 

◆ 等离子超净清洗

 

等离子清洗是一种在超净水平下有效去除有机污染物的有利方法。除其他特点外,它代表了一种非常温和、无溶剂和室温的过程,用于从脆弱的表面去除表面污染物。由于产生的物种的高反应性和能量,等离子体工艺可以涵盖各种应用,因为无机表面的溅射到有机材料的软等离子体功能化。有规律地传递能量和等离子体相互作用强度的等离子体特性(例如,电子能量分布、离子能量分布、停留时间)由压力、等离子体气体组合和注入功率控制。

△图源:Plasmatreat.

由于高反应性,氧气是用于等离子体清洁的首选气体之一。对于这种气体,等离子体清洁过程中涉及的机制如下:

  1. 等离子体激发总是涉及以足够高的能量发射紫外线照片,以在不影响无机系统的情况下诱导污染物(不稳定)的有机边界碎裂。低能离子轰击引起类似的效果。

  2. 加入等离子体放电的O 2分子解离并导致产生带电(例如 O 、O 、O +、O +)和活化物质。这些被激活的物质是分子或原子,它们在高能等离子体环境中被提升到更高的量子态水平,并且对步骤 1 中生成的分子碎片具有很强的反应性。

  3. 分子碎片和等离子体物质之间的反应导致形成具有相当高蒸气压的低分子量有机部分,其能够被泵送到大气中

     

 

等离子清洗工艺旨在与污染层发生反应而不影响下面的薄膜。这使得有必要选择合适的气体组合、等离子体条件和合适的等离子体反应器配置。在实际应用中,考虑到生产成本和实际稳定性,一般采用纯ADC(压缩空气)、O2、N2,而氩气仅用于某些特殊场合。这是通过氧自由基在等离子体中的运动使表面亲水。当形成该亲水性基团时,等离子体氧自由基与基底表面的碳结合,形成CO2,从而去除有机物。

△该图显示了应用于 ASIC 系统时等离子清洁性能的一个示例,该系统在沟槽内出现大量未知有机残留物。顶部的图像对应于未处理和处理的区域,而底部的图像显示了不同等离子体处理阶段的效果。图源:ALTER TECHNOLOGY

 

◆ 等离子清洗设备

大气等离子表面处理设备:用喷枪形式产生等离子体,将喷枪对准需要处理的表面,通过空气/O2/H2/Ar/N2等不同气体,可以有效清除表面蜡、油渍、油脂,有机溶剂、碳氢分子,硅氧树脂等表面污染。

 

真空等离子清洗设备 图源:广东达因特智能科技有限公司

△等离子喷枪 图源:东莞市耀天电气科技有限公司

 

真空等离子表面处理设备:通过向真空室中通入空气/O2/H2/Ar/N2等气体,清除材料表面残留的蜡、油渍、油脂,有机溶剂、碳氢分子,硅氧树脂等表面污染。

 

△图源:诚峰智造

真空等离子处理后效果展示 图源:北京欧倍尔科学仪器有限公司 

 

◆ 半导体封装

随着封装尺寸的减小和先进材料使用的增加,先进集成电路制造中的高可靠性和良率愈加重要。通过使用合适的等离子体处理可以改善或克服许多制造挑战,包括改善芯片附着、增加引线键合强度、消除倒装芯片底部填充空隙以及减少封装分层。

 

☑ 芯片贴装:基板的等离子清洗通过表面活化提高芯片贴装环氧树脂的附着力,从而改善芯片和基板之间的粘合。更好的键合可改善散热。此外,等离子处理可去除金属表面的氧化,以确保无空隙的芯片附着。当共晶焊料用作芯片键合的粘合剂材料时,氧化会对芯片连接产生不利影响。

 

△图源:Bdtronic

 

☑ 引线键合:气体等离子技术可用于在引线键合之前对焊盘进行等离子清洁,以提高键合强度和产量。粘合强度差和良率低通常是由于上游污染源或先进封装中材料的选择造成的。

 

☑ 底部填充:底部填充工艺之前的等离子体表面处理已被证明可以提高底部填充芯吸速度、增加圆角高度和均匀性、减少空洞并提高底部填充粘合力。这些改进的机制包括表面能和表面化学成分的变化。

 

☑ 封装和成型:等离子加工通过增加基材表面能来提高成型化合物的附着力。改进的粘附增加了封装的可靠性。

 

☑ MEMS:加速度计、翻滚传感器和气囊展开传感器等 MEMS 设备在制造过程中需要进行先进的等离子体处理,以提高设备产量和长期可靠性。典型的等离子体应用包括设备清洁、光刻胶除渣、光刻胶和苯并环丁烯 (BCB) 等材料的剥离、蚀刻重新分配线和去除污染物。其他应用包括表面清洁和粗糙化;化学键活化以提高可粘合性;以及增加液体流过晶片表面的润湿性和均匀性。

 

△离子清洗与MEMS的关系, MEMS传感器及部显微放大 图源:普乐斯

 

◆ 晶圆级封装等离子处理

 

 

随着半导体器件制造商进一步缩小封装器件的尺寸并提高其可靠性,等离子处理越来越多地用于晶圆级封装过程中的高级应用。等离子清洗处理系统能够处理多种晶圆尺寸和高吞吐量的自动化处理。

 

☑ 晶圆清洗:等离子清洗传统上用于去除在晶圆级器件制造过程中产生的污染物,或在上游组装过程中产生的污染物。在任何一种情况下,清洁产品以去除氟、氧化物或金属等污染物都会显著提高集成电路的产量、可靠性和性能。

 

☑ WLP的除渣:光刻胶残留物有时会在显影、加工和光刻胶剥离后残留。在进一步的后处理之前,等离子处理可以均匀地去除晶片整个表面上的少量抗蚀剂。

 

☑ WLP的剥离和蚀刻:干式等离子体处理是对包括光刻胶、氧化物、氮化物和电介质在内的材料进行体剥离和蚀刻的有效方法。可以实现超过每分钟 1 微米的蚀刻速率,且均匀度大于 95%。剥离和蚀刻工艺可应用于晶圆级封装、MEMS 制造和磁盘驱动器加工。

 

☑ 晶圆预处理:等离子处理去除污染和氧化,以提高可靠性和键合良率。等离子体还会使晶片钝化层微粗糙化,以提高晶片钝化层和 BCB 之间的附着力。

 

△图源:Keylinktech

 

☑ BCB和UBM 粘附:等离子处理会改变晶片原始钝化层的形貌和润湿性,以促进粘附。聚合物,例如苯并环丁烯 (BCB) 和 UBM,被分配在晶片上,并作为再分配层的电介质。等离子处理会改变晶片原始钝化层的形貌和润湿性,以促进粘附。

 

☑  电介质图案化:形成再分布层的典型方法包括使用典型的光刻方法对电介质再分布材料进行图案化。等离子处理是一种可行的电介质图案化替代方法,可以避免使用典型的湿法处理方法。

 

☑  WLP 的通孔清洁:在晶圆中形成的用于堆叠芯片应用的小通孔通常会在通孔形成过程中留下残留物。优化的等离子体配置可以有效地处理通孔而不会损坏晶片表面。

 

☑  凸点附着力:等离子清洗可以提高凸点附着力并增加凸点剪切强度。晶片表面的等离子清洗提高了凸块附着力,并已被证明可以显著提高凸块剪切强度。凸点材料包括不同成分的焊料和金钉。

 

△中道晶圆级封装技术 图源:华进半导体

 

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