plasma-cleaning等离子清洗在封装行业的应用

1等离子清洗在半导体先进封装领域中的应用PlasmaApplicationinAdvancedSemiconductorPackaging&Assembly目录TABLEOFCONTENT„等离子基础„等离子清洗原理和分类„微波等离子清洗在封装工艺领域应用„微波等离子应用实例„PlasmaFinish公司产品„用户应用实例2什么是等离子体?PlasmaBasics„定义1:“包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的物质聚集状态。金佑民，樊友三，“低温等离子体物理基础”，大学出版社，1983年„定义2:“等离子体是由大量带电粒子组成的非凝聚系统。”国家自然科学基金委，“等离子体物理学发展战略调研报告”，1994年3等离子体（Plasma）-物质第四态热量电能紫外光可见光(激光)99%等离子体PlasmaParticleselectronsionsneutralsradicalsexcitedparticlesphotons等离子体分子动力模型KineticModelofaDischargeCompany7等离子应用概览OverviewofPlasmaapplications激活、改性Activation/Modification清洗、刻蚀Cleaning/Etching镀膜Coating/PECVD表面激活Activation改善亲水性Hydrophiling改善疏水性Hydrophobing清除有机沾污Removingoforganics等离子刻蚀Plasmaetching有机生物兼容性Biokompatibility非黏着性Nonsticking剥离Stripping等离子打孔Plasmadrilling表面钝化Passivation改善生物兼容性Biokompatibility阻挡层Barrierlayers防刮防护Scratchingprotection等离子体清洗的机理Plasmacleaningprinciple„等离子体中活性粒子的“活化作用”达到去除物体表面污渍的目的‟无机气体被激发为等离子态‟气相物质被吸附在固体表面‟被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子‟产物分子解析形成气相‟反应残余物脱离表面8等离子体清洗分类Plasmacleaningclassifications„物理反应机制‟活性粒子轰击待清洗表面，使污染物脱离表面最终被真空泵吸走；‟优点：本身不发生化学反应，清洁表面不会留下任何的氧化物，可以保持被清洗物的化学纯净性，腐蚀作用各向异性‟缺点：对表面产生了很大的损害，会产生很大的热效应，对被清洗表面的各种不同物质选择性差„化学反应机制‟各种活性的粒子和污染物反应生成易挥发性的物质，再由真空泵吸走挥发性的物质‟优点：清洗速度较高、选择性好、对清除有机污染物比较有效‟缺点：可能会在表面产生氧化物9物理和化学等离子清洗方式比较Comparisonphysicalvs.chemicalplasmacleaningprocesses10“物理溅射Ar+Ar+CxHy基板有机残留“化学反应”O2O2CO2HO2有机残留基板常用等离子激发频率和实现方式Excitationfrequency11常用的等离子体激发频率有三种：•40kHz超声等离子体，•13.56MHz射频等离子体，•2.45GHz微波等离子体超声等离子体-物理反应，射频等离子体-物理反应+化学反应，微波等离子体-化学反应超声等离子体清洗对被清洁表面产生的影响最大，实际半导体生产应用中大多采用射频等离子体清洗和微波等离子体清洗激发频率与等离子密度的关系InfluenceofExcitationFrequencyonPlasmaDensitync121100100001E+061E+081E+101E+121E+141234567Excitationfrequency激发频率Electrons/cm3每平方厘米电子数量nc=1,2425x10-821E+0610k100k1M10M100M1G10G13,56MHz2,45GHz40kHz不同频率下等离子体密度微波激发等离子无自偏压NoselfbiasvoltageforMWplasma135001000Excitationfrequency振动频率[V][Hz]SelfBiasVoltage自偏压RF13,56MHzMW2,45GHz微波等离子在封装工艺中的应用Surfacetreatmentinadvancedpackaging14TopSide:顶部DieAttachment粘片WireBonding焊线Encapsulation包装BackSide:背部BallGridArray球阵列(SolderBumps)15微波等离子清洗在封装工艺中作用Surfacetreatmentinadvancedpackaging•防止包封分层Preventingmolddelamination•提高焊线质量Improvingyieldofwirebonding•增加键合强度Increasingbondingstrengths•提高可靠性,尤其是有多I/O’s接口的高级封装Improvingreliability,especiallyforadvancedpackageswithseveralhundredI/O´s•提高产量Higheryield•节约成本Costsavings16封装工艺对等离子清洗的要求Processkeyrequirementsforplasmacleaning•对封闭式料盒内的基板清洗Substratecleaninginsideofclosedmagazine无需附加处理noadditionalhandling•与自动装配线兼容Compatibletoautomatedassemblylines上料简易simpleandeasyloading•工艺一致性好，无料盒间差异Uniformtreatmentacrossmagazines•低温工艺，不分解银粘合剂Nodegradationofsilveradhesive•产能高Highthroughput•有益环境Enviro-friendly17PlasmaFinish的对应技术优势PlasmaFinishKnowHowI•SuperiorMicrowavetechnology先进微波技术•Electrode-freeplasmagenerationandhigherdensityofradicalsmakesuniformIn-Magazinetreatmentpossible无电极等离子发生器和高密度自由基使料盒内部清洗处理达到高度一致性•Customizeddesignofplasmareactor定制等离子反映器•Gasthroughputandpumpingspeed气体输入和泵速的控制•Plasmauniformity,afterglowoperation-离子密度高，一致性好•AUTOLINEcompatible在线兼容•Optimizedprocessingconditions优化加工条件微波等离子清洗优势MWPlasmacleaningadvantages„清洗效率高Highcleaningefficiency„低温操作Lowoperatingtemperature„可渗透到细小的角落Penetratesmallcrevices„无需干燥处理Nodryingnecessary„无残留Noresidueofcleaningagent„使用材料范围广Forallmaterials„使用成本低Lowoperatingcost„节省废物处理费用Lowtonodisposalcost1819低压微波等离子产生LowpressureMWplasmaelectromagneticpowerO2O+e2+-O+O..O2*dissociationexcitationionisation,O*O3highenergyproductsPLASMA电磁能量分解电离高能量化合物激发20微波等离子化学清洗应用机理MWPlasmaChemical“Cleaning”nCxHynCO2+ny/2H2OnCxHyCH4+C2H6O2H2对有机沾污（碳氢化合物）的氧化去除OxidationofHydrocarbonsPageNo.21CCCCCCCCHFormationofpolargroupsfewsecondsCOCCCCCCOOOHOHOHFormationofvolatileproductsfewminutesCCCCCCCCCOOHOOnCxHynCO2+ny/2H2OO222气态反应化合物GaseousreactionproductsO2CO2CO/(N)2H2HO2Hreactiontime(s)ioncurrent(A)50-20-1001020304010-910-810-7Oplasma2J.Friedrichet.al.水滴实验：清洗前后接触角的比较-清洗与活化Contactangletestofwater•清洗前Before接触角:~56°Contactangle表面能量:38mN/mSurfaceEnergy23•清洗后After接触角:~7°Contactangle表面能量:66mN/mSurfaceenergy注：大多数有机污染物表现为疏水性效果示例1：引线键合拉力和失效模式改善Example：Wirebondingforceandfailuremodeimprovement241524FGBondpad(Au)（Au)焊接区FR4orBTsubstrateaccordingtoMIL-STD883D3Bondpad(Al)(Al)焊接区ICFailuremodes:失败模块１balllift(orlift-off1stbond)球上升2neckbreak颈破裂3midspanbreak中间破裂4heelbreak跟部破裂5leadlift(orlift-off2ndbond)效果示例1：引线键合拉力和失效模式改善Example：Wirebondingforceandfailuremodeimprovement25020406080100uncleanedplasmacleanedNeckbreakMidspanbreakHeelbreakLeadliftSource:EVERLIGHT,Taiwan来源：台湾EVERLIGHTFailureCharacteristicsin%化学反应清洗具有最大焊球剪切强度ChemicalcleaningcontributetoMaxshearstrength“研究表明，经过化学反应机制清洗（Ar/H2，激发频率为2.45GHz）的样品具有最大的焊球剪切强度。值得注意的是，经过物理反应机制等离子体清洗的焊盘的焊球剪切强度比未经过清洗的焊盘的强度要低。出现这种现象的原因是在清洗过程中溅射粒子再沉积在焊盘表面造成了“二次污染”引自：《微电子封装中等离子体清洗及其应用》。聂磊，蔡坚，贾松良，王水弟清华大学微电子学研究所2627效果示例2：清洗后的玻璃表面炭离子覆盖Example:Carboncoverageonglassafterplasmacleaning010020030040002040carboncoverage[ng/cm2]time[s]28效果示例3：不同清洗方式后聚亚安酯和钢表面粘合力比较Example:LAPshearcomparisonaftervar.cleaningxxxxx氧气等离子氢气等离子金刚砂打磨超声清洗(acetone)丙酮1020305101520lapshearstrengthPUR-steel[MPa]C1s/Fe2pintensityquotientJ.Friedrichet.al.29PF低压等离子系统腔体结构Constructionoflowpressureplasmasystem1:真空腔VacuumC