在线式等离子清洗在封装中的应用

刘 畅，马 斌，马 良

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原 030024)

在我国IC产业链中IC封装业是第一支柱产业，随着IC器件尺寸不断缩小和运算速度的不断提高，封装技术已成为极为关键的技术。封装工艺好坏影响着产品的质量及成本。未来集成电路技术的特征尺寸、芯片面积、芯片包含的晶体管数，以及其发展轨迹，都要求IC封装技术朝微型化、低成本化、定制化、绿色环保化、封装设计早期协同化的方向发展。引线框架是一种借助于键合金丝实现芯片内部电路引出端与外引线的电气连接的芯片载体，是形成电气回路的关键结构件，它起到了和外部导线连接的桥梁作用，绝大部分的半导体集成块中都需要使用引线框架，是电子信息产业中重要的基础材料。在IC封装工艺中存在的污染物是影响其发展的重要因素，如何解决掉这方面的问题一直困扰着人们。在线式等离子清洗技术是一种无任何环境污染的干式清洗方式，即可解决这一问题。

1 IC封装基本原理

IC封装一方面起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用，另一方面它通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上，这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接，从而实现内部芯片与外部电路的连接。同时芯片必须与外界隔离，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。

IC封装技术已经历了好几代的变迁，从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM，多达几十种，适用频率越来越高，耐温性能越来越强，引脚数越来越多，引脚间距减小，重量减小，可靠性提高，技术指标一代比一代先进，包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1，使用更加方便等等。IC封装产品之一结构见图1。

图1 IC封装产品之一结构图

2 IC封装工艺流程

在IC封装工艺中封装好才能成为终端产品，从而投入实际应用。IC封装工艺分为前段工艺、中段工艺及后段工艺，IC封装工艺经过不断地发展产生了很大的变化，其前段可分为以下几个个步骤：

荩贴片：使用保护膜和金属框架将硅片固定切割成单个芯片前的硅片；

荩划片：将硅片切割成单个芯片并对其进行检测；

荩装片：在引线框架上的相应位置点上银胶或绝缘胶，并从划片贴膜上将切割好的芯片取下，粘接在引线框架固定位置上；

荩键合：用金线将芯片上引线孔和框架衬垫上的引脚连接，连接芯片与外部电路；

荩塑封：塑封元件的线路。加强元件的物理特性，保护元件免受外力损坏；

荩后固化：对塑封材料固化，使其有足够的硬度和强度经过整个封装过程。

3 等离子清洗原理及设备

3.1 等离子体

等离子体是由离子、电子、自由激进分子、光子以及中性粒子组成的正离子和电子密度大致相等的电离气体，整体呈电中性。

3.2 清洗原理

等离子清洗是等离子体对样片的表面进行处理，使样品表面的污染物被去除，还可以提高其表面活性。针对不同的污染物，可以采用不同的清洗工艺，根据所产生的等离子体种类不同，等离子清洗分为化学清洗、物理清洗及物理化学清洗。

3.3 在线式等离子清洗设备

等离子清洗设备的原理是在真空下，然后利用交流电场使工艺气体成为等离子体，并与有机污染物及微颗粒污染物反应或碰撞形成挥发性物质，由工作气体流及真空泵将这些挥发性物质清除出去，从而使工件达到表面清洁活化。等离子清洗是剥离式清洗，等离子清洗的特点是清洗之后对环境无污染。在线式等离子清洗设备是在成熟的等离子体清洗工艺技术和设备制造基础上，增加上下料、物料传输等自动化功能。针对IC封装中引线框架上点胶装片、芯片键合及塑封等工艺前清洗，大大提高粘接及键合强度等性能的同时，避免人为因素长时间接触引线框架而导致的二次污染以及腔体式批量清洗时间长有可能造成的芯片损伤。图2为在线等离子清洗设备结构。

图2 等离子清洗设备结构示意图

3.4 主要结构

3.4.1 上下料系统

料盒从上料台上自动运动至料盒夹中，通过料盒夹取机构将料盒夹至工作位。料片推杆机构通过料片夹将料片夹至反应仓移动仓底。下料时通过相反过程，将料片送回至料盒。即料盒对料盒的模式，避免人工接触。推料及夹取料片均采用光纤传感器进行检测，避免空流程及卡料。在推料过程中可检测料片数量。图3为上下料结构图。

图3 上下料结构图

3.4.2 物料传输系统

料片被夹取至反应仓移动仓底后，仓底通过直线定位系统移动至反应仓盖正下方，利用真空提升系统将仓底与仓盖闭合进行射频等离子清洗，同时另外一个移动仓底进行上料流程。清洗结束后，两个移动仓底交换位置，反复进行，直至清洗流程结束。每个托盘可放置4片料片，并可以避免静电在运动中产生。图4为物料传输系统。

图4 物料传输系统

3.4.3 真空提升系统

射频等离子清洗发生部位。仓体利用干式真空泵进行抽真空，真空规进行真空检测。当真空度达到要求后，充工艺气体，并振荡成等离子态进行清洗。清洗后仓体充入压缩空气气进行净化和平衡。图5为真空提升系统结构图。

图5 真空提升系统

4 等离子清洗在LED封装工艺中的应用

等离子清洗是种无污染剥离式清洗。在使用等离子清洗时,不同芯片的清洗工艺有很大区别，如金属芯片表面为防止被氧化则不能用氧气清洗。等离子清洗工艺在LED封装中的应用大致可分为：

（1）点胶装片前：基板上点银胶时如果存在污染物，则银胶就容易成圆球状，降低芯片粘结度。在这里采用等离子清洗可以增大工件表面粗糙度，从而有利于银胶点胶的成功。同时还可节省银胶的使用量，降低成本。

（2）引线键合前：芯片在引线框架基板上粘贴后，要经过高温使之固化。如果芯片表面存在污染物，就会影响引线与芯片及基板间的焊接效果，使键合不完全或粘附性差，强度低。在引线键合前运用等离子清洗，会显著提高其表面活性提高键合强度及键合引线的拉力均匀性。

（3）塑封固化前：污染物的存在还会导致注环氧树脂过程中气泡的形成，气泡会使芯片容易在温度变化中损坏，降低芯片的使用寿命。等离子清洗会使芯片与基板更加紧密的和胶体相结合，减少气泡的形成，同时也可以显著提高元件的特性。

对芯片进行接触角测试，得出未进行等离子清洗的样品接触角大约为39°～65°；而已进行过化学等离子清洗的芯片的接触角大约为15°～20°；对芯片进行物理反应等离子体清洗过后其接触角为20°～27°。说明对封装中的芯片进行等离子的表面处理是有一定效果的。以下为等离子清洗前后铜引线框架用接触角检测仪进行检测的接触角对比，图中清洗前接触角范围在46°～50°，清洗后接触角范围在14°～24°，满足芯片表面处理需求。

图6 等离子清洗前后工件表面接触角对比

5 结束语

当今集成电路工艺水平按照摩尔定律飞速发展，微电子制造技术成为代表先进制造技术的前沿技术，也是衡量一个国家制造水平和关系国家安全的重要标准。随着IC芯片集成度的增加，芯片引脚数增多，引脚间距减小，芯片与基板上的颗粒污染物、氧化物及环氧树脂等污染物必将很大程度上制约着IC封装行业的飞速发展，而有利于环保、清洗均匀性好、重复性好、可控性强、具有三维处理能力及方向性选择处理的在线式等离子清洗工艺应用到IC封装工艺中，必将推动IC封装行业更加快速的发展。

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