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(inter metallic compound,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。

等离子清洗对焊盘表面和引线键合强度的影响

为了研究等离子清洗对引线键合效果的影响,试验时将样品分为A~E共5组,其中A组未进行等离子处理直接键合,另外4组分别实施不同的等离子清洗功率和处理时间,具体参数见图1.等离子清洗前后使用接触角测试仪,进行水滴接触角试验以观察焊盘表面亲水性变化,使用激光共聚焦显微镜来检测焊盘表面污染颗粒的尺寸和数量,其中每组样品数量为8个,引线键合完成后对键合焊点进行剪切力试验,每组样品剪切数量为30个。

选取未进行等离子清洗的键合焊点样品进行3次回流试验和高温存储(24h,125℃)试验,试验后通过四探针检测键合界面接触电阻以甄别失效样品并进行分析.首先对失效样品进行金相制备,然后使用聚焦离子束(focusedionbeam,FIB)在键合丝和焊盘界面进行薄片加工,最后使用透射电子显微镜(transmissionelectronmicroscope,TEM)对界面进行高分辨微观组织表征。

未清洗和清洗后焊盘表面的水滴接触角,如图2所示,计算得到接触角分别为96°和12.6°.等离子处理后接触角减小了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.研究表明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。

图 2    等离子清洗前后接触角

对未清洗和等离子清洗后焊盘表面污染颗粒进行观察,如图3所示,等离子清洗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3(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,等离子处理过程中高能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3 等离子清洗前后焊盘表面污染颗粒

图 4    等离子清洗前后污染颗粒和剪切力统计

为了研究等离子清洗对焊点剪切力的影响，对未清洗和等离子清洗后键合点进行焊球剪切测试,统计结果见图4(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.研究表明焊接强度受到界面接触面积和界面IMC厚度(或互扩散层厚度)的影响,一方面表面张力的作用导致界面接触面积减小,另一方面污染颗粒和氧化膜的存在会吸收键合时由加热和超声提供的能量,从而降低界面IMC的厚度(或互扩散层厚度),使焊接界面结合强度下降。