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在集成電路或LED的封裝領(lǐng)域中,引線鍵合作為一種成熟的金屬互連技術(shù)占據(jù)著重要的市場(chǎng)地位,這是一種使用細(xì)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(pán)緊密焊合,實(shí)現(xiàn)芯片與基板間的電氣互連和芯片間的信號(hào)傳遞。隨著電子封裝的集成化和高性能化發(fā)展,鍵合絲的線徑、焊盤(pán)尺寸和引線間距逐漸縮小,這導(dǎo)致鍵合焊點(diǎn)處所受熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力和電應(yīng)力程度急劇增加,從而引發(fā)一系列服役可靠性問(wèn)題.在多種引線鍵合失效模式中,較為常見(jiàn)是由于熱失配引起的循環(huán)拉力或剪切力導(dǎo)致的鍵合界面斷裂,因此提高鍵合絲與焊盤(pán)間的結(jié)合力是提升引線鍵合服役可靠性的關(guān)鍵。

研究發(fā)現(xiàn)除了鍵合絲材料和鍵合工藝參數(shù)等對(duì)鍵合界面結(jié)合力有影響以外,鍵合時(shí)焊盤(pán)表面的清潔度也起到至關(guān)重要的作用。在焊接過(guò)程中,鍵合絲熔化形成空氣自由球(free air ball,FAB)并與焊盤(pán)表面接觸形成金屬間化合物(inter metallic compound,IMC),從而形成有效和可靠的鍵合點(diǎn).如果焊盤(pán)表面發(fā)生氧化或存在污染顆粒,則會(huì)阻礙焊球和焊盤(pán)間的原子擴(kuò)散,從而降低鍵合強(qiáng)度甚至形成虛焊和脫焊焊點(diǎn)。

實(shí)際生產(chǎn)中為了在引線鍵合時(shí)得到清潔的表面,一般會(huì)對(duì)焊盤(pán)進(jìn)行清洗處理,等離子清洗作為干法清洗中的一種,因具有環(huán)保、高效和無(wú)損傷等優(yōu)點(diǎn),逐漸在工業(yè)中得到大范圍應(yīng)用。

等離子清洗對(duì)焊盤(pán)表面和引線鍵合強(qiáng)度的影響

為了研究等離子清洗對(duì)引線鍵合效果的影響,試驗(yàn)時(shí)將樣品分為A~E共5組,其中A組未進(jìn)行等離子處理直接鍵合,另外4組分別實(shí)施不同的等離子清洗功率和處理時(shí)間,具體參數(shù)見(jiàn)圖1.等離子清洗前后使用接觸角測(cè)試儀,進(jìn)行水滴接觸角試驗(yàn)以觀察焊盤(pán)表面親水性變化,使用激光共聚焦顯微鏡來(lái)檢測(cè)焊盤(pán)表面污染顆粒的尺寸和數(shù)量,其中每組樣品數(shù)量為8個(gè),引線鍵合完成后對(duì)鍵合焊點(diǎn)進(jìn)行剪切力試驗(yàn),每組樣品剪切數(shù)量為30個(gè)。

選取未進(jìn)行等離子清洗的鍵合焊點(diǎn)樣品進(jìn)行3次回流試驗(yàn)和高溫存儲(chǔ)(24h,125℃)試驗(yàn),試驗(yàn)后通過(guò)四探針檢測(cè)鍵合界面接觸電阻以甄別失效樣品并進(jìn)行分析.首先對(duì)失效樣品進(jìn)行金相制備,然后使用聚焦離子束(focusedionbeam,FIB)在鍵合絲和焊盤(pán)界面進(jìn)行薄片加工,最后使用透射電子顯微鏡(transmissionelectronmicroscope,TEM)對(duì)界面進(jìn)行高分辨微觀組織表征。

未清洗和清洗后焊盤(pán)表面的水滴接觸角,如圖2所示,計(jì)算得到接觸角分別為96°和12.6°.等離子處理后接觸角減小了86.9%,結(jié)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(pán)表面張力,這有利于FAB的鋪展并形成良好的鍵合界面.研究表明清洗過(guò)程中高能粒子在物理轟擊作用或化學(xué)反應(yīng)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。

圖 2    等離子清洗前后接觸角

對(duì)未清洗和等離子清洗后焊盤(pán)表面污染顆粒進(jìn)行觀察,如圖3所示,等離子清洗前后污染顆粒和剪切力統(tǒng)計(jì),如圖4所示.從圖3(a)可以看出,未經(jīng)過(guò)等離子清洗的焊盤(pán)表面分布大量白色顆粒狀污染物,平均粒徑約為0.5μm.在經(jīng)過(guò)等離子清洗后,焊盤(pán)表面顆粒狀污染物數(shù)量明顯減少見(jiàn)圖3(b).為了得到準(zhǔn)確的顆粒狀污染物數(shù)量分布數(shù)據(jù),對(duì)每組所有樣品進(jìn)行測(cè)試并統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)圖4(a),結(jié)果顯示未處理和處理后每個(gè)焊盤(pán)表面平均污染顆粒數(shù)量分別為18.7±9.9和3.7±1.6個(gè),即處理后污染顆粒數(shù)量下降了80%,這表明等離子清洗可以有效減少焊盤(pán)表面污染顆粒數(shù)量.焊盤(pán)表面的顆粒污染可能來(lái)自于焊盤(pán)制備或塑封過(guò)程中引入的膠體殘留,也可能來(lái)自于烘烤過(guò)程中產(chǎn)生的揮發(fā)性氣體沉積。另外,產(chǎn)線的空氣中漂浮的灰塵也可能是污染物來(lái)源,等離子處理過(guò)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(pán)表面。

圖3 等離子清洗前后焊盤(pán)表面污染顆粒

圖 4    等離子清洗前后污染顆粒和剪切力統(tǒng)計(jì)

為了研究等離子清洗對(duì)焊點(diǎn)剪切力的影響，對(duì)未清洗和等離子清洗后鍵合點(diǎn)進(jìn)行焊球剪切測(cè)試,統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖4(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(wěn)定性均有所提升.結(jié)合接觸角和污染顆粒統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以推測(cè),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(shù)量的下降.研究表明焊接強(qiáng)度受到界面接觸面積和界面IMC厚度(或互擴(kuò)散層厚度)的影響,一方面表面張力的作用導(dǎo)致界面接觸面積減小,另一方面污染顆粒和氧化膜的存在會(huì)吸收鍵合時(shí)由加熱和超聲提供的能量,從而降低界面IMC的厚度(或互擴(kuò)散層厚度),使焊接界面結(jié)合強(qiáng)度下降。