厚膜混合集成电路中等离子清洗工艺的实用化研究

冯枫郑莉邓林

陕西华经微电子股份有限公司陕西省西安市 710065

摘要：本文通过四组不同的等离子工艺气体的分组清洗试验，分别在引线键合前对键合区进行等离子清洗，通过工艺参数的确定及分组试验，使等离子清洗达到最佳效果，以提高产品引线键合强度，减少键合的失效率，从而提高产品的可靠性。

关键词：混合集成电路；等离子清洗；引线键合；键合强度

引言

在厚膜混合集成电路的生产制造过程中为减少因焊盘污染而造成的键合虚焊、脱焊等问题，在产品引线键合前对键合区进行清洗以有效清除键合区表面的污染物，提高产品的键合强度。本文就四组等离子工艺气体对不同的材料表面进行清洗试验，结合微波等离子清洗机的特点，确定清洗工艺参数，使等离子清洗达到实用化。

一、等离子清洗的原理

等离子清洗的原理是等离子清洗时高能电子碰撞反应气体分子，使之离解或电离，利用产生的多种粒子轰击被清洗表面或与被清洗表面发生化学反应，从而有效清除被清洗表面的有机污染物或改善表面状态。等离子体清洗通常包括以下过程:

a、无机气体被激发为等离子态；

b、气相物质被吸附在固体表面；

c、被吸附基团与固体表面分子反应生成产物分子；

d、产物分子解析形成气相；

e、反应残余物脱离表面。

二、等离子清洗关键工艺参数的确定

等离子清洗工艺的目的是要提高引线键合强度，减少键合失效和提高产品可靠性。因此要通过审慎地选择工艺气体、容室压力、功率和清洗时间等关键的清洗工艺参数来优化等离子清洗工艺。

2.1 工艺气体的确定

一般在等离子清洗中，可把产生等离子体的气体分为两类，一类为惰性气体的等离子体（如Ar、N₂等）；另一类为反应性气体的等离子体（如O₂、H₂等）。结合各种气体的不同性质，根据待清洗表面材料特性、所附着的污染物以及污染程度，我们拟选用产生等离子体的气体是氩气（Ar）、氧气（O₂）和3%氢氩混合气体（H₂/ Ar）。

2.2 容室压力的确定

通过增加或降低容室压力来进行试验。首先增加压力为（150Pa），通过清洗及键合强度试验，发现键合强度并没有提高。降低压力为（100Pa）时，发现键合强度没有提高反而变差。选择一个中间压力（120Pa）时，再进行试验，发现键合强度较清洗前有明显提升，最终确定的参数就为120Pa。

2.3 功率的确定

等离子功率通过增加等离子内的离子密度和离子能量来增加清洁速度。功率的确定与待清洗表面的污染程度也有关系。通过试验，我们进行了等离子工艺功率的评估。增加功率对引线键合的改善有显著的效果，但是增加功率不能太多，如采用氩气进行清洗时功率不能过大，否则可能会损伤基板。

2.4 清洗时间

我们采用相同的工艺气体、容室压力以及功率，通过增加清洗时间来试验。结果表明无论那种机制的等离子清洗，引线键合强度都有提高，如以氢氩混合气体为例，在工艺时间上增加10%，引线键合强度比未增加前提高8%，但是由于氢气的特性，清洗时间也不能过长，否则会造成断路，从而影响电性能。

经过理论与试验验证最终确定了所使用的微波等离子机的关键清洗参数。

三、等离子清洗工艺试验

3.1 成膜基片清洗及破坏性拉力验证试验

将样片分为四组，分别进行清洗前后的对比试验。为了确保试验中试验结果的一致性，所有样片均采用同一批次的成膜基片，且键合的工艺参数不变，清洗参数采用确定好的工艺参数。

表1 各样片的工艺状态及清洗方案

分组

样

片号

基片

材料

成膜工艺

清洗工艺气体

印刷钯

银导体

印刷金导体

印刷

电阻

Ar

O₂

Ar

+

O₂

Ar

+

3%H₂

陶瓷

第

一

组

1

√

5

√

9

√

13

√

第

二

组

2

√

6

√

10

√

14

√

第

三

组

3

√

7

√

11

√

15

√

第

四

组

4

√

8

√

12

√

16

√

(1) 试验结果

a. 试验数据

表2 Ar清洗含银钯导体的试验数据

片号

是否清洗

平均值

（g）

增长率

（%）

最大值

（g）

最小值

（g）

失效模式

A

B

C

1

否

是

10.065

10.726

6.57

11.769

13.159

8.128

8.236

31

27

5

15

24

18

5

否

是

10.194

10.619

4.17

11.928

12.928

8.128

8.589

33

3

13

24

14

9

否

是

10.152

10.829

6.67

11.959

12.342

8.682

9.063

24

22

6

12

30

26

13

否

是

10.326

10.916

5.71

12.631

13.159

8.236

9.102

36

33

5

10

19

17

表3 O₂清洗金导体的试验数据

片号

是否清洗

平均值

（g）

增长率

（%）

最大值

（g）

最小值

（g）

失效模式

A

B

C

2

否

是

9.208

11.092

20.46

11.941

12.2

6.117

8.22

23

19

7

15

30

26

6

否

是

9.329

10.78

15.55

12.306

12.8

7.317

7.31

30

25

6

15

24

20

10

否

是

9.558

11.596

21.32

11.523

12.300

7.450

9.303

27

24

9

13

24

23

14

否

是

9.098

12.013

32.04

11.589

13.45

8.202

8.24

28

23

10

15

22

表4 Ar+O₂清洗金导体的试验数据

片号

是否清洗

平均值

（g）

增长率

（%）

最大值

（g）

最小值

（g）

失效模式

A

B

C

3

否

是

11.394

12.073

5.96

12.967

13.798

9.063

10.161

26

24

6

13

28

23

7

否

是

11.504

12.376

7.58

13.2

13.795

9.8

10.946

29

18

8

23

19

11

否

是

11.628

12.239

5.25

13.081

13.7

9.657

10.0

23

22

13

20

24

18

15

否

是

11.038

11.663

5.66

12.9

13.334

8.7

10.477

25

24

10

16

25

20

表5 Ar+3%H₂清洗含银钯导体的试验数据

片号

是否清洗

平均值

（g）

增长率

（%）

最大值

（g）

最小值

（g）

失效模式

A

B

C

4

否

是

9.294

11.182

20.31

12.0

13.4

7.0

9.1

29

24

10

18

21

18

8

否

是

9.262

11.843

27.87

11.7

13.5

7.0

9.6

27

23

9

17

24

20

12

否

是

11.896

12.047

1.27

12.084

13.339

9.956

10.557

28

27

7

13

25

20

16

否

是

10.917

12.884

18.02

12.659

13.2

8.782

9.7

36

32

8

15

16

13

注: 1）失效模式中各字母的含义

“A”表示从键合丝第一点的根部断开；“B”表示键合丝从中间断开

“C”表示从键合丝第二点的根部断开

2）每一试验片在清洗前后各压焊60根丝

b.试验结果

1）采用分组试验通过非破坏性拉力验证，四种方案键合强度均有明显增长。其中采用O₂清洗只有金导体的产品时，其键合强度比采用Ar+O₂混合气体清洗的键合强度增幅显著；采用Ar清洗含银钯导体的产品时，其键合强度没有采用Ar+3%H₂混合气体清洗的键合强度增幅大；

2）清洗后的产品100%进行镜检，发现颜色比清洗之前色泽度更好。采用Ar+O₂的混合气体清洗污染较为严重的表面时清洗效果比纯O₂更好；

3）等离子清洗后，通过非破坏性拉力试验，键合丝从中间点断开的比例较大，说明清洗改善了键合的失效模式；

4）通过清洗前后对1^#~8^#试验片电阻值的测量，发现阻值的变化很小，表明等离子清洗对成膜电阻没有影响；

结论

通过对等离子清洗关键工艺参数的确认，结合微波等离子机的清洗特性采用四组等离子工艺气体对不同的待清洗材料进行分组试验，总结出适合且有效的清洗工艺方法，让等离子清洗工艺实用化。在产品引线键合前进行等离子清洗，提高产品键合强度，给产品质量提供了强有力的工艺保证。

参考文献

［1］姚莉等离子清洗工艺在键合中的应用［J］混合微电子技术第14卷第3-4期 53-57

［2］张国柱等离子清洗技术［J］机电元件 2001年04期 31-34

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