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在集成電路或LED的封裝領域中,引線鍵合作為一種成熟的金屬互連技術占據著重要的市場地位,這是一種使用細金屬線作為鍵合絲,利用熱量、壓力和超聲波能量使鍵合絲與焊盤緊密焊合,實現芯片與基板間的電氣互連和芯片間的信號傳遞.隨著電子封裝的集成化和高性能化發展,鍵合絲的線徑、焊盤尺寸和引線間距逐漸縮小,這導致鍵合焊點處所受熱應力、機械應力和電應力程度急劇增加,從而引發一系列服役可靠性問題.在多種引線鍵合失效模式中,較為常見是由于熱失配引起的循環拉力或剪切力導致的鍵合界面斷裂,因此提高鍵合絲與焊盤間的結合力是提升引線鍵合服役可靠性的關鍵。

研究發現除了鍵合絲材料和鍵合工藝參數等對鍵合界面結合力有影響以外,鍵合時焊盤表面的清潔度也起到至關重要的作用.在焊接過程中,鍵合絲熔化形成空氣自由球(free air ball,FAB)并與焊盤表面接觸形成金屬間化合物(IMC),從而形成有效和可靠的鍵合點.如果焊盤表面發生氧化或存在污染顆粒,則會阻礙焊球和焊盤間的原子擴散,從而降低鍵合強度甚至形成虛焊和脫焊焊點。

實際生產中為了在引線鍵合時得到清潔的表面,一般會對焊盤進行清洗處理,等離子清洗作為干法清洗中的一種,因具有環保、高效和無損傷等優點,逐漸在工業中得到大范圍應用.

本文針對IC芯片引線鍵合結構,分析了等離子清洗對焊盤表面污染顆粒的清潔效果以及對鍵合界面結合力的影響,同時對由表面微顆粒所引起的鍵合失效焊點進行了失效分析,為等離子清洗工藝的發展提供技術參考。

等離子清洗對焊盤表面和鍵合強度的影響

未處理和處理后焊盤表面的水滴接觸角,如圖1所示,計算得到接觸角分別為96°和12.6°。等離子清洗后接觸角減小了86.9%,結果表明等離子清洗可以有效提高鍵合表面的親水性并降低焊盤表面張力,這有利于FAB的鋪展并形成良好的鍵合界面.等離子清洗過程中高能粒子在物理轟擊作用或化學反應作用下,可以有效清除樣品表面的氧化層,從而暴露出潔凈的鋁原子表面。除此以外,等離子處理還可以改變表面官能團狀態,從而提高鍵合表面自由能，經過等離子清洗后形成高極性化學基團,如C=C/O和C-OH鍵,這有利于提升鍵合界面粘附性。

圖1 等離子清洗前后接觸角

對未處理和處理后焊盤表面污染顆粒進行觀察,如圖2所示,等離子處理前后污染顆粒和剪切力統計,如圖4所示.從圖3(a)可以看出,未經過等離子清洗的焊盤表面分布大量白色顆粒狀污染物,平均粒徑約為0.5μm.在經過等離子清洗后,焊盤表面顆粒狀污染物數量明顯減少見圖2(b).為了得到準確的顆粒狀污染物數量分布數據,對每組所有樣品進行測試并統計分析見圖4(a),結果顯示未處理和處理后每個焊盤表面平均污染顆粒數量分別為18.7±9.9和3.7±1.6個,即處理后污染顆粒數量下降了80%,這表明等離子清洗可以有效減少焊盤表面污染顆粒數量.焊盤表面的顆粒污染可能來自于焊盤制備或塑封過程中引入的膠體殘留,也可能來自于烘烤過程中產生的揮發性氣體沉積.另外,產線的空氣中漂浮的灰塵也可能是污染物來源,等離子清洗過程中高能Ar+在濺射作用下,可以將這些固體顆粒分解為CO2,CO和H2O等氣體,然后被真空泵抽離焊盤表面。

圖2 等離子清洗前后焊盤表面污染顆粒

為了研究等離子清洗對焊點剪切力的影響,對未處理和處理后鍵公點進行焊球剪切測試,統計結果見圖3(b)，平均剪切力分別為165.6±5.9和179.3±3.9mN,表明等離子清洗處理后焊球剪切力和穩定性均有所提升:結合接觸角和污染顆粒統計結果可以推測,焊球剪切力的提升得益于界面表面張力的減小和污染顆粒數量的下降。

圖3 等離子清洗前后污染顆粒和剪切力統計

等離子清洗參數對鍵合強度的影響

對不同參數等離子清洗后的樣品(B-E組)進行焊球剪切力測試,統計結果如圖4所示.B-E組的測試結果分別為167.6±11.8、164.6±11.8、174.4±8.8和171.5±12.7mN.對比4組結果可以看出當功率從300W提升至400W后,對鍵合點剪切力的影響較小.但當處理時間由25s提高至50s后,剪切力分別提升了約4%.結果表明,300W功率足以提供有效的清潔能力,而適當增加處理時間可以更加徹底地清除表面污染,最終提高了鍵合界面結合力。

圖4 不同等離子清洗工藝參數下鍵合點剪切力統計

本文使用統計的方法研究了等離子清洗對焊盤表面污染顆粒數量的影響,發現經等離子清洗后每個焊盤表面平均污染顆粒數量由18.7±9.9下降至3.7±1.6個,同時鍵合焊點剪切力由165.6±5.9提升至179.3±3.9mN,這些數據表明等離子清洗可以有效減少焊盤表面污染顆粒數量并提升鍵合強度.