IC封装一方面起着安装、固定、密封、保护芯片及增强电热性能等方面的作用,另一方面它通过芯片上的接点用导线连接到封装外壳的引脚上,这些引脚又通过印刷电路板上的导线与其他器件相连接,从而实现内部芯片与外部电路的连接。同时芯片必须与外界隔离,以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。

IC封装技术已经历了好几代的变迁,从DIP、QFP、PGA、BGA到CSP再到MCM,多达几十种,适用频率越来越高,耐温性能越来越强,引脚数越来越多,引脚间距减小,重量减小,可靠性提高,技术指标一代比一代先进,包括芯片面积与封装面积之比越来越接近于1,使用更加方便等等。IC封装产品之一结构见图1。

图1 某IC封装产品结构图

IC封装工艺中存在的问题

IC封装形式千差万别,且不断发展变化,但其生产过程大致可分为晶圆切割、芯片置放装架、内引线键合、密封固化等十几个阶段,只有封装达到要求的才能投入实际应用,成为终端产品。IC封装中存在的问题主要包括焊接分层、虚焊或打线强度不够,导致这些问题的罪魁祸首就是引线框架及芯片表面存在的污染物,主要有微颗粒污染、氧化层、有机物残留等,这些存在的污染物使铜引线在芯片和框架基板间的打线焊接不完全或存在虚焊。

IC封装等离子清洗设备原理及应用

等离子体

等离子体是由离子、电子、自由激进分子、光子以及中性粒子组成的正离子和电子密度大致相等的电离气体,整体呈电中性。

等离子清洗设备原理

等离子清洗是等离子体对样片的表面进行处理,使样品表面的污染物被去除,还可以提高其表面活性。针对不同的污染物,可以采用不同的清洗工艺,根据所产生的等离子体种类不同,等离子清洗分为化学清洗、物理清洗及物理化学清洗。

放电形成的等离子体中包括电子、正离子、亚稳态的分子和原子等,当等离子体与被清洗的物体表面相互接触时,一方面利用等离子或等离子激活的化学活性物质与材料表面污物进行化学反应,如用等离子体中的活性氧与材料表面的有机物进行氧化反应。图2分别是氧等离子体和氢等离子体清洗过程原理图,图2(a)表示氧等离子体与材料表面有机污物作用,把有机污物分解为二氧化碳等。图2(b)表示氢等离子与表面氧化物作用,把氧化物还原并生成水等。

图2 等离子体化学清洗示意图

另一方面利用等离子的高能粒子对污物轰击等物理作用,如用活性氩等离子体清洗钢铁表面污物,轰击使其形成挥发性污物被真空泵排出,如图3所示。

图3 氩等离子体清洗物理作用示意图

等离子体清洗工艺在IC封装行业中的应用主要在以下几个方面:

1) 点胶装片前

工件上如果存在污染物,在工件上点的银胶就生成圆球状,大大降低与芯片的粘结性,采用等离子清洗可以增加工件表面的亲水性,可以提高点胶的成功率,同时还能够节省银胶使用量,降低了生产成本。

2) 引线键合前

封装芯片在引线框架工件上粘贴后,必须要经过高温固化。假如工件上面存在污染物,这些污染物会导致引线与芯片及工件之间焊接效果差或黏附性差,影响工件的键合强度。等离子体清洗工艺运用在引线键合前,会明显提高其表面活性,从而提高工件的键合强度及键合引线的拉力均匀性。

3）底部填充前

等离子清洗的主要目的是改善基板表面的粗糙度,清除污染和杂质,为底部填充过程提供一个干净的环境,同时随着基板表面粗糙度的改善,胶液的流动性会更好。

随着国内封装芯片集成度的不断增加，芯片引脚数持续增多，引脚间距持续减小，芯片与基板上的有机和无机污染物必将制约着IC封装行业的发展，而现有的清洗均匀、一致性好、可操控性强及具有方向性选择处理的等离子清洗工艺应用于IC封装工艺中,能够有效解决封装过程中由于污染物存在所导致的各种问题，提高封装质量及产品性能。