在集成电路或LED的封装领域中,引线键合作为一种成熟的金属互连技术占据着重要的市场地位,这是一种使用细金属线作为键合丝,利用热量、压力和超声波能量使键合丝与焊盘紧密焊合,实现芯片与基板间的电气互连和芯片间的信号传递.随着电子封装的集成化和高性能化发展,键合丝的线径、焊盘尺寸和引线间距逐渐缩小,这导致键合焊点处所受热应力、机械应力和电应力程度急剧增加,从而引发一系列服役可靠性问题.在多种引线键合失效模式中,较为常见是由于热失配引起的循环拉力或剪切力导致的键合界面断裂,因此提高键合丝与焊盘间的结合力是提升引线键合服役可靠性的关键。

研究发现除了键合丝材料和键合工艺参数等对键合界面结合力有影响以外,键合时焊盘表面的清洁度也起到至关重要的作用.在焊接过程中,键合丝熔化形成空气自由球(free air ball,FAB)并与焊盘表面接触形成金属间化合物(IMC),从而形成有效和可靠的键合点.如果焊盘表面发生氧化或存在污染颗粒,则会阻碍焊球和焊盘间的原子扩散,从而降低键合强度甚至形成虚焊和脱焊焊点。

实际生产中为了在引线键合时得到清洁的表面,一般会对焊盘进行清洗处理,等离子清洗作为干法清洗中的一种,因具有环保、高效和无损伤等优点,逐渐在工业中得到大范围应用.

本文针对IC芯片引线键合结构,分析了等离子清洗对焊盘表面污染颗粒的清洁效果以及对键合界面结合力的影响,同时对由表面微颗粒所引起的键合失效焊点进行了失效分析,为等离子清洗工艺的发展提供技术参考。

等离子清洗对焊盘表面和键合强度的影响

未处理和处理后焊盘表面的水滴接触角,如图1所示,计算得到接触角分别为96°和12.6°。等离子清洗后接触角减小了86.9%,结果表明等离子清洗可以有效提高键合表面的亲水性并降低焊盘表面张力,这有利于FAB的铺展并形成良好的键合界面.等离子清洗过程中高能粒子在物理轰击作用或化学反应作用下,可以有效清除样品表面的氧化层,从而暴露出洁净的铝原子表面。除此以外,等离子处理还可以改变表面官能团状态,从而提高键合表面自由能，经过等离子清洗后形成高极性化学基团,如C=C/O和C-OH键,这有利于提升键合界面粘附性。

图1 等离子清洗前后接触角

对未处理和处理后焊盘表面污染颗粒进行观察,如图2所示,等离子处理前后污染颗粒和剪切力统计,如图4所示.从图3(a)可以看出,未经过等离子清洗的焊盘表面分布大量白色颗粒状污染物,平均粒径约为0.5μm.在经过等离子清洗后,焊盘表面颗粒状污染物数量明显减少见图2(b).为了得到准确的颗粒状污染物数量分布数据,对每组所有样品进行测试并统计分析见图4(a),结果显示未处理和处理后每个焊盘表面平均污染颗粒数量分别为18.7±9.9和3.7±1.6个,即处理后污染颗粒数量下降了80%,这表明等离子清洗可以有效减少焊盘表面污染颗粒数量.焊盘表面的颗粒污染可能来自于焊盘制备或塑封过程中引入的胶体残留,也可能来自于烘烤过程中产生的挥发性气体沉积.另外,产线的空气中漂浮的灰尘也可能是污染物来源,等离子清洗过程中高能Ar+在溅射作用下,可以将这些固体颗粒分解为CO2,CO和H2O等气体,然后被真空泵抽离焊盘表面。

图2 等离子清洗前后焊盘表面污染颗粒

为了研究等离子清洗对焊点剪切力的影响,对未处理和处理后键公点进行焊球剪切测试,统计结果见图3(b)，平均剪切力分别为165.6±5.9和179.3±3.9mN,表明等离子清洗处理后焊球剪切力和稳定性均有所提升:结合接触角和污染颗粒统计结果可以推测,焊球剪切力的提升得益于界面表面张力的减小和污染颗粒数量的下降。

图3 等离子清洗前后污染颗粒和剪切力统计

等离子清洗参数对键合强度的影响

对不同参数等离子清洗后的样品(B-E组)进行焊球剪切力测试,统计结果如图4所示.B-E组的测试结果分别为167.6±11.8、164.6±11.8、174.4±8.8和171.5±12.7mN.对比4组结果可以看出当功率从300W提升至400W后,对键合点剪切力的影响较小.但当处理时间由25s提高至50s后,剪切力分别提升了约4%.结果表明,300W功率足以提供有效的清洁能力,而适当增加处理时间可以更加彻底地清除表面污染,最终提高了键合界面结合力。

图4 不同等离子清洗工艺参数下键合点剪切力统计

本文使用统计的方法研究了等离子清洗对焊盘表面污染颗粒数量的影响,发现经等离子清洗后每个焊盘表面平均污染颗粒数量由18.7±9.9下降至3.7±1.6个,同时键合焊点剪切力由165.6±5.9提升至179.3±3.9mN,这些数据表明等离子清洗可以有效减少焊盘表面污染颗粒数量并提升键合强度.