Plasma清洗在Flip睠hip工藝中的重要作用

陳天虎　姚澤鑫　李鍵城??

摘要：隨著半導體芯片封裝技術的發展，倒裝芯片封裝技術，其杰出的電氣和熱性能，高I/O引腳數，以及其封裝集成較高的優勢，使其在芯片封裝行業中得到了快速的發展。芯片的高密度引腳封裝也其對封裝可靠性也提出了更高的要求，而在FlipChip工藝過程中基板上的污染物和氧化物是導致封裝中基板與芯片Bump鍵合失效的主要因素。為使芯片與基板能達到有效的鍵合，在Bond之前將基板進行plasma清洗，以提高其鍵合的可靠性。通過介紹plasma清洗原理、過程，以及水滴角，推力測試等實驗，論證了在FlipChip Bond之前對基板進行plasma清洗能有效的提高產品鍵合的可靠性。

關鍵詞：plasma；FlipChip；推力測試；水滴角；鍵合

隨著現代電子制造技術的發展，Flip–Chip Bond封裝技術得到了廣泛的應用，但問題也隨之而來，因前端工藝的需要，生產過程中避免不了在基板上殘留一些有機物或其他污染物，而且在烘烤工藝中也會使基板pad金手指鍍金層下的Ni元素上移到表面。如不能有效的去除這些污染物，會使隨后在Flip–Chip Bond工藝中導致芯片上Bump與基板pad鍵合不佳、分層，甚至出現鍵合焊接不上（漏焊，少焊）的情況。而傳統清洗工藝中的濕法清洗如CFC清洗、ODS 類清洗等因環境、成本的限制以及現代電子組裝技術、精密機械制造的進一步發展，對清洗技術提出更的要求。相對于傳統的濕法清洗，干法清洗特別是以等離子清洗技術為主的清洗技術在這些方面有較大優勢。

1 Plasma清洗原理

通常物質以固態、液態、氣態3種狀態存在，而Plasma是物質存在于3種物質狀態之外的另一種狀態，及在一些特殊的情況下物質原子內的電子脫離原子核的吸引，使物質呈為正負帶電粒子狀態。它的清洗原理就是在一組電極施以射頻電壓，區域內的氣體被電極之間形成的高頻交變電場激蕩下，形成等離子體。活性等離子對被清洗物進行物理撞擊或化學反應作用，使被清洗物表面物質變成粒子和氣態物質，然后在經過抽真空排出，以達到清洗目的。

Plasma清洗過程中與材料表面產生的反應主要有兩種方式，一種是靠等離子對被清洗件表面作純物理撞擊作用。常用的氣體有不活潑氣體如氬氣（Ar）、氮氣（N2）等。另一種則是靠等離子中的自由基來做化學反應，常用的活潑氣體有氫氣（H2）、氧氣（O2）等。

a）圖示1，表示氬氣（Ar）等離子體以純物理撞擊方式來打破有機物的化學鍵并使表面污染物脫離基板。研究表明在壓力較低時，離子的能量越高，因而在物理撞擊時，離子的能量越高，撞擊作用越強，所以若要以物理反應為主時，應在較小壓力下來進行反應，這樣清洗效果較好。

方程式為：Ar + e→Ar+ + 2e Ar+ + CxHy

b） 圖示2 表示活性氣體O2在電離情況下，其等離子體里的高活性自由基與材料表面做化學反應，且在壓力較高時，對自由基的產生較有利，所以若要以化學反應為主時，應選擇在高壓下進行反應。

方程式為：O2 + e → 2O + e

（CH2）n + 3/2nO2 → nCO2 + nH2O

2 實驗驗證

在選取氧氣和氬氣作為plasma清洗條件時，綜合考慮產品元件，以及氧氣plasma清洗過程中容易在清洗元件表面產生新的氧化物，造成二次污染，而氬氣等離子清洗的機理是通過粒子動能產生的物理清洗且氬氣是惰性氣體，在等離子清洗中不會與產品元器件發生化學反應，可以保持元件表面的化學純凈性，不會造成二次污染。所以以下實驗只選用單一氣體氬氣作為plasma清洗的工藝氣體。

2.1 水滴角

實驗方案：本實驗通過對未清洗，傳統（超聲波+電子氟化液）濕清洗、plasma清洗的三種狀態下的基板分別進行水滴角測試，對水滴角大小來判定清洗效果。

實驗條件：10等級無塵室，傳統清洗與plasma清洗分別在清洗后30分鐘進行水滴角測量。

實驗設備：運用PhoenixPico/Nano型號的接觸角測定儀進行水滴角大小進行測定。

實驗材料：基于AL2O3的陶瓷基板。

實驗結果：

從圖3和表1的實驗數據顯示未清洗基板水滴角最大，其次是傳統清洗，水滴角最小的是經過plasma清洗后的基板，表明plasma清洗效果明顯優于傳統清洗的效果。

2.2 鍵合后推力 test 驗證

實驗方案：本實驗通過對所需Bond的基板在未清洗、傳統清洗、plasma清洗三種狀態的基板分別在進行Filp–Chip Bond，且在Bond后進行推力實驗，以及鍵合的狀態進行比較分析來判斷清洗方式對鍵合的影響。

實驗條件：10等級無塵室，對三種狀態的基板 Filp–Chip Bond。

實驗設備：用型號Nordson DAGE（DAGESERIES4000PXY）多功能焊接強度測試儀進行推力測試；推力治具在受到持續加大的推力時芯片分離基板，測試儀記錄芯片分離時所用的最大推力。

實驗結果：

推力單位：克力（gf）

通過表2的實驗結果表明基板通過plasma清洗之后芯片上的Bump（Au）與基板上的pad之間的鍵合程度明顯優于未清洗和傳統清洗的基板。說明plasma清洗能有效的清除Bond pad上的污染物等，從而使Bump（Au）與Bond pad產生更多的鍵結使之得到充分的焊接。

2.3 比較分析芯片分離基板之后基板pad上的Bump狀態[HT]

將芯片分離之后觀察分析芯片上的Bump是否保留在基板Pad上，從而判定Bump（Au）與基板pad鍵合的有效性。通過試驗可以比較基板在三種狀態下分別進行FlipChip Bond，并對制品進行Push out測試，比較分析基板上保留的Bump數量。

測試結果：

（1）從圖6可以看出在基板未清洗狀態下，Bond后將芯片與基板分離，有較大部分Bump并沒有鍵合到基板pad上（少球率：（32/72）*100%=47%），雖然金球（Au）經FlipChip Bond后芯片bump已變形但是在少球的基板pad上并沒有Bump的殘留物，未得到有效鍵合，此狀態為失效。

（2） 從圖7顯示在基板傳統清洗狀態下并經。FlipChip Bond 后將芯片分離，任有部分Bump并沒有有效的鍵合到基板pad上（少球率：（10/72）*100%=13%}，雖然Bump經壓合后已變形且可以看出基板pad上有少量金球（Au）的殘留，但從前面的推力實驗可以看出其平均推力為：1363.78gf；而芯片Bump的最小剪切力大于72*19=1389gf此推力較低，其Bond鍵合可靠性較低。

（3） 基板在plasma清洗狀態下并經過Bond后將芯片分離，芯片上的Bump全部轉移到基板的Bond pad上（少球率：0%），芯片Bump與pad得到了充分的焊接，完全達到了倒裝工藝對產品焊接的要求，提高了鍵合的可靠性。

4 成分比較分析

將基板在未清洗、傳統清洗、plasma清洗三種狀態下，對基板pad的提取物進行成分分析，通過雜質的含量多少來判斷清洗的效果。

測試條件與設備：

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

測試結果：

a）在為進行清理的基板pad上提前物有較多的雜質且含量最高。

b）在進行傳統清洗之后基板pad上提取物雜質含量有所降低，但雜質種類任然較多，影響鍵合質量。

c）在進行plasma清洗之后基板pad上提取物雜質明顯得到了降低。

測試結果表明未清洗與傳統清洗中基板pad上的雜質含量明顯多于plasma清洗之后的雜質含量。而基板bond pad上雜質含量是影響基板與芯片bump鍵合質量的主要因素。

5 結論

本文驗證了plasma清洗在FlipChip Bond工藝中起的重要作用，通過對基板進行plasma清洗能夠有效的清除基板因前端工藝而殘留的雜質，從而在FlipChip Bond工藝中使芯片的Bump與基板上的Pad更能夠有效的鍵合，提高其鍵合的可靠性。而且相對于傳統濕法清洗工藝來說更為綠色環保，成本更低。

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