WB工艺技术

WB工艺报告一、IC封装发展趋势1.1芯片封装工艺1.2芯片与封装的互连1.3微电子封装和PCB板之间的互连1.4封装密度正愈来愈高二、IC封装工艺2.1等离子清洗工艺2.2WB工艺2.3推拉力测试一、IC封装发展趋势1.1芯片封装工艺从逐个管芯封装到出现了圆片级封装，即先将圆片划片成小管芯，再逐个封装成器件，到在圆片上完成封装划片后就成器件。1.2芯片与封装的互连从引线键合（WB）向倒装焊（FC）转变。1.3微电子封装和PCB板之间的互连已由通孔插装(PTH)为主转为表面贴装（SMT）为主。1.4封装密度正愈来愈高封装密度的提高有三方面：（1）硅片的封装效率=硅芯片面积/封装所占印制板面积=Sd/Sp不断提高；（2）封装的高度不断降低；（3）引线节距不断缩小；引线布置从封装的两侧发展到封装的四周，到封装的底面。这样使单位封装体积的硅密度和引线密度都大大提高。2.1等离子清洗工艺2.1.1等离子定义等离子体是部分电离的气体，是物质常见的固体、液体、气态以外的第四态。等离子体由电子、离子、自由基、光子以及其他中性粒子组成。2.1.2等离子清洗机理主要是依靠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。就反应机理来看，等离子体清洗通常包括以下过程：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。以下是等离子清洗与传统湿法化学清洗比较：二、IC封装工艺等离子体清洗技术的最大特点是不分处理对象的基材类型，均可进行处理，对金属、半导体、氧化物和大多数高分子材料，如聚丙烯、聚脂、聚酰亚胺、聚氯乙烷、环氧、甚至聚四氟乙烯等都能很好地处理，并可实现整体和局部以及复杂结构的清洗。正确的等离子体清洗不会在表面产生损伤层，表面质量得到保证；由于是在真空中进行，不污染环境，保证清洗表面不被二次污染。2.1.2.1等离子清洗分类等离子体与固体表面发生反应可以分为物理反应（离子轰击）和化学反应。物理反应机制是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；化学反应机制是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。（1）物理反应主要是利用等离子体（如Ar）里的离子作纯物理的撞击，把材料表面的原子或附着材料表面的原子打掉，由于离子在压力较低时的平均自由程较长，有得能量的累积，因而在物理撞击时，离子的能量越高，越是有的作撞击，所以若要以物理反应为主时，就必须控制较低的压力下来进行反应，这样清洗效果较好。（2）化学反应在化学反应里常用的气体有氢气（H2）、氧气（O2）、甲烷（CF4）等，这些气体在电浆内反应成高活性的自由基，这些自由基会进一步与材料表面作反应。其反应机理主要是利用等离子体里的自由基来与材料表面做化学反应，在压力较高时，对自由基的产生较有利，所以若要以化学反应为主时，就必须控制较高的压力来近进行反应。例如氧气等离子体形成过程如下：2.1.2.2等离子种类（1）低温及高温等离子体等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体两类，在等离子体中，不同微粒的温度实际上是不同的，所具有的温度是与微粒的动能即运动速度质量有关，把等离子体中存在的离子的温度用Ti表示，电子的温度用Te表示，而原子、分子或原子团等中性粒子的温度用Tn表示，对于Te大大高于Ti和Tn的场合，即低压体气的场合，此时气体的压力只有几百个帕斯卡，当采用直流电压或高频电压做电场时，由于电子本身的质量很小，在电池中容易得到加快，从而可获得平均可达数电子伏特的高能量，对于电子，此能量的对应温度为几万度（K），而弟子由于质量较大，很难被电场加速，因此温度仅几千度。由于气体粒子温度较低（具有低温特性），因此把这种等离子体称为低温等离子体。当气体处于高压状态并从外界获得大量能量时，粒子之间的相互碰撞频率大大增加，各种微粒的温度基本相同，即Te基本与Ti及Tn相同，我们把这种条件下得到的等离子体称为高温等离子体，太阳就是自己界中的高温等离子体。由于高温等离子体对物体表面的作用过于强烈，因此在实际应用中很少使用，目前投入使用的只有低温等离子体。（2）活泼气体和不活泼气体等离子体活泼气体和不活泼气体等离子体，根据产生等离子体时应用的气体的化学性质不同，可分为不活泼气体等离子体和活泼气体等离子体两类，不活泼气体如氩气（Ar）、氮气（N2）、氟化氮（NF3）、四氟化碳（CF4）等，活泼气体如氧气（O2）、氢气（H2）等，不同类型的气体在清洗过程中的反应机理是不同的，活泼气体的等离子体具有更强的化学反应活性。2.1.2.3等离子体与物体表面的作用在等离子体中，除了气体分子、离子和电子外，还存在受到能量激励状态的电中性的原子或者原子团（又称自由基），以及等离子体发射出的光线，其中波的长短、能量的高低在等离子体和物质表面相互作用时有着重要作用。（1）原子团等自由基与物质表面的反应由于这些自由基呈电中性，存在寿命较长，而且在等离子体中的数量多于离子，因此自由基在等离子体中发挥着重要作用，自由基的作用主要表现在化学反应过程中能量传递的“活化”作用，处于激发状态的自由基具有较高的能量，因此易与物质表面分子结合时形成新的自由基，新形成的自由基同样处于不稳定的高能量状态，很可能发生分解反应，再变成较小分子的同时生成新的自由基，这种反应过程还可能继续进行下去，最后分解成水、二氧化碳之类的简单分子。在另一些情况下，自由基与物质表面分子结合的同时，会释放出大量的结合能，这种能量又成为引发新的表面反应推动力，从而引发物质表面上的物质发生化学反应而被除去。（2）电子与物体表面的作用一方面电子对物质表面的撞击作用，可以促使吸附在物质表面的气体分子发生分解和解析，另一方面大量的电子撞击有利引起化学反应。出于电子质量极小，因此比离子的移动速度要快得多，当进行等离子处理时，电子要比离子更早到达物质表面，并使表面带有负电荷，这有利于引发进一步反应。（3）离子与物质表面的作用通常指的是带正电荷的阳离子的作用，阳离子有加速度冲向带负电荷表面的倾向，此时是物质表面获得相当大的动能，足以撞击去除表面上附着的颗粒性物质，我们把这种现象成为溅射现象，而通过离子的冲击作用可极大促进物体表面化学反应发生的几率。（4）紫外线与物体表面的作用紫外线具有很强的光能，可使附着在物体表面的物质的分子键发生断裂而分解，而且紫外线具有很强的穿透能力，可透过物质表面深达数微米而产生反应作用。2.1.3等离子清洗应用在微电子封装的生产过程中，由于指印、助焊剂、各种交叉污染、自然氧化等，器件和材料表面会形成各种沾污，这些沾污会明显地影响封装生产过程中的相关工艺质量。使用等离子体清洗可以很容易清除掉生产过程中所形成的这些分子水平的污染，保证工件表面原子与即将附着材料的原子之间紧密接触，从而有效地提高引线键合强度，改善芯片粘接质量，减少封装漏气率，提高元器件的性能、成品率和可靠性。国内某单位在铝丝键合前采用等离子体清洗后，键合成品率提高10％，键合强度一致性也有提高。在微电子封装中，等离子体清洗工艺的选择取决于后续工艺对材料表面的要求、材料表面的原有特征、化学组成以及污染物的性质等。通常应用于等离子体清洗的气体有氩气、氧气、氢气、四氟化碳及其混合气体等。（1）等离子体清洗铝键合区集成电路键合区质量对微电子器件的可靠性起到非常重要的作用，封装作为器件和电子系统之间的唯一连接，键合区必须无污染物和具有良好的键合特性。污染物（如氧化物和有机残渣）会严重削弱键合区的粘接性能，而传统的湿法清洗对键合区的污染物去除不彻底或者不能去除。研究表明，采用等离子体清洗能够有效去除键合区的表面沾污物，提高键合区的粘接性。Y.F.Chong在研究中采用Ar/H2（激发频率13.56MHz）等离子体清洗键合区。等离子态气体和污染物反应生成挥发性的气体（如CO2和H2O），然后由真空系统吸走这些气体。清洗后采用俄歇电子能谱（AES）、X光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）对键合区表面进行检测，检测结果表明氧化物沾污的含量大大降低，但是对键合区周围的钝化层也造成了很大的损伤。（2）等离子体清洗对基板焊盘的影响引线键合是基板和芯片之间的主要连接方式之一，在微电子封装中，基板和芯片之间有大量的引线键合。除了引线丝质量、超声能量、时间、压力和温度对引线键合产生影响外，基板上焊盘的表面特性对其也有重要的影响。基板焊盘上的污染物（如氧化物和碳氢化合物）会降低表面质量和明显地降低引线键合的成功率，弥散于空间中的污染含量达到1g/m3就会极大地影响引线键合的强度。因此在引线键合前清洗焊盘表面是十分重要的。(3)等离子体清洗铜引线框架引线框架封装仍是目前封装的主流，铜合金由于具有良好的导热性能、电性能、加工性能以及较低的价格被用作主要的引线框架材料。但是铜的氧化物和其他的一些污染物会造成模塑料与铜引线框架分层，降低器件的可靠性，进而影响到芯片粘接和引线键合的质量。因此保持引线框架的清洁是保证封装可靠性重要的一步。试验结果表明，氧化时间的增长会降低拉力。氧化物厚度的增长也会降低引线键合区上键合丝的拉力。当引线框架经过预氧化和等离子体清洗后，拉力得到了大幅度的提高，尤其是经过Ar等离子体清洗2.5min的样品提高更加明显。上述结果的一个可能的解释是，氩等离子体溅射增加了表面的微小粗糙度，从而使机械性能增强和增大了化学反应的表面积。可用原子力显微镜（AFM）观察表明的形貌和微粗糙度。经过氩等离子体清洗，短时间清洗后表面非常明显地变粗糙了，长时间的清洗后表面变得光滑。而采用氩氢等离子体清洗，表面的形貌不发生变化，并且时间不对其产生影响，这可以解释为什么氩氢等离子体清洗对拉力没有显著的影响。(4)陶瓷封装电镀前等离子体清洗陶瓷封装中通常使用金属浆料印制线作键合区、盖板密封区。在这些材料的表面电镀Ni、Au前采用等离子体清洗，可去掉有机物沾污，明显提高镀层质量。2.1.4结论湿法清洗虽然在现有的微电子封装生产中占据主要地位，但是其带来的环境以及原料消耗问题不容忽视。而作为干法清洗中最有发展潜力的等离子体清洗，则具有不分材料类型均可进行清洗、清洗质量好、对环境污染小等优点。等离子体清洗技术在微电子封装中具有广泛的应用，主要用于去除表面污物和表面刻蚀等，工艺的选择取决于后序工艺对材料表面的要求、材料表面的原有特征、化学组成以及表面污染物性质。将等离子体清洗引入微电子封装中，能够显著改善封装质量和可靠性。但是采用不同的工艺，对键合特性、引线框架的性能等的影响有很大差异。例如，对铝键合区采用氩氢等离子体清洗一段时间后，键合区的粘接性能有明显提高，但是过长的时间也会对钝化层造成损害；对焊盘采用物理反应机制等离子体清洗会造成“二次污染”，反而降低了焊盘的表面特性；对铜引线框架采用两种不同机制的等离子清洗，拉力测试的结果有很大差异。因此，选择合适的清洗方式和清洗时间，对提高封装质量和可靠性是十分重要的。2.2WB工艺2.2.1WB定义引线键合是一项运用微细金属线以及通过热量、压力及超声波能的组合作用达到电气互连的技术。其亦是将两种金属材料（金线与键合衬垫表面）“亲密接触”的固相熔接技术。一旦两种金属紧密结合，将会产生电子的跨区迁移、共享以及不同原子的互相扩散，于是便形成了引线键合工艺的打点抑或连接点。2.2.2WB种类（1）热压焊接（TCB）利用微电弧使φ25~φ50um的Au丝端头熔化成球状,通过送丝压头将球状端头压焊在裸芯片电极面的引线端子,形成第1键合点；然后送丝压头提升，并向基板位置移动且在基板对应的导体端子上形成第2键合点，完成引线连接过程。（2）超声波焊接（USB)对Al丝施加超声波，对材料塑性变形产生的影响，类似于加热。超声波能量被Al中的位错选择性吸收，从而位错在其束缚位置解脱出来，致使Al丝在很低的外力下即可处于塑性变形状态。这种状态下变形的Al丝，可以使基板上蒸镀的Al膜表面上形成的氧化膜破坏，露出清洁的金属表面，偏于键合。（3）热超声焊接（TSB）利用超声机械振动带动丝与