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在集成電路或LED的封裝領域中,引線鍵合作為一種成熟的金屬互連技術占據著重要的市場地位,這是一種使用細金屬線作為鍵合絲,利用熱量、壓力和超聲波能量使鍵合絲與焊盤緊密焊合,實現芯片與基板間的電氣互連和芯片間的信號傳遞。隨著電子封裝的集成化和高性能化發展,鍵合絲的線徑、焊盤尺寸和引線間距逐漸縮小,這導致鍵合焊點處所受熱應力、機械應力和電應力程度急劇增加,從而引發一系列服役可靠性問題.在多種引線鍵合失效模式中,較為常見是由于熱失配引起的循環拉力或剪切力導致的鍵合界面斷裂,因此提高鍵合絲與焊盤間的結合力是提升引線鍵合服役可靠性的關鍵。

研究發現除了鍵合絲材料和鍵合工藝參數等對鍵合界面結合力有影響以外,鍵合時焊盤表面的清潔度也起到至關重要的作用。在焊接過程中,鍵合絲熔化形成空氣自由球(free air ball,FAB)并與焊盤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.如果焊盤表面發生氧化或存在污染顆粒,則會阻礙焊球和焊盤間的原子擴散,從而降低鍵合強度甚至形成虛焊和脫焊焊點。

實際生產中為了在引線鍵合時得到清潔的表面,一般會對焊盤進行清洗處理,等離子清洗作為干法清洗中的一種,因具有環保、高效和無損傷等優點,逐漸在工業中得到大范圍應用。

等離子清洗對焊盤表面和引線鍵合強度的影響

為了研究等離子清洗對引線鍵合效果的影響,試驗時將樣品分為A~E共5組,其中A組未進行等離子處理直接鍵合,另外4組分別實施不同的等離子清洗功率和處理時間,具體參數見圖1.等離子清洗前后使用接觸角測試儀,進行水滴接觸角試驗以觀察焊盤表面親水性變化,使用激光共聚焦顯微鏡來檢測焊盤表面污染顆粒的尺寸和數量,其中每組樣品數量為8個,引線鍵合完成后對鍵合焊點進行剪切力試驗,每組樣品剪切數量為30個。

選取未進行等離子清洗的鍵合焊點樣品進行3次回流試驗和高溫存儲(24h,125℃)試驗,試驗后通過四探針檢測鍵合界面接觸電阻以甄別失效樣品并進行分析.首先對失效樣品進行金相制備,然后使用聚焦離子束(focusedionbeam,FIB)在鍵合絲和焊盤界面進行薄片加工,最后使用透射電子顯微鏡(transmissionelectronmicroscope,TEM)對界面進行高分辨微觀組織表征。

未清洗和清洗后焊盤表面的水滴接觸角,如圖2所示,計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.研究表明清洗過程中高能粒子在物理轟擊作用或化學反應作用下,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

對未清洗和等離子清洗后焊盤表面污染顆粒進行觀察,如圖3所示,等離子清洗前后污染顆粒和剪切力統計,如圖4所示.從圖3(a)可以看出,未經過等離子清洗的焊盤表面分布大量白色顆粒狀污染物,平均粒徑約為0.5μm.在經過等離子清洗后,焊盤表面顆粒狀污染物數量明顯減少見圖3(b).為了得到準確的顆粒狀污染物數量分布數據,對每組所有樣品進行測試并統計分析見圖4(a),結果顯示未處理和處理后每個焊盤表面平均污染顆粒數量分別為18.7±9.9和3.7±1.6個,即處理后污染顆粒數量下降了80%,這表明等離子清洗可以有效減少焊盤表面污染顆粒數量.焊盤表面的顆粒污染可能來自于焊盤制備或塑封過程中引入的膠體殘留,也可能來自于烘烤過程中產生的揮發性氣體沉積。另外,產線的空氣中漂浮的灰塵也可能是污染物來源,等離子處理過程中高能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表面。

圖3 等離子清洗前后焊盤表面污染顆粒

圖 4    等離子清洗前后污染顆粒和剪切力統計

為了研究等離子清洗對焊點剪切力的影響，對未清洗和等離子清洗后鍵合點進行焊球剪切測試,統計結果見圖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定性均有所提升.結合接觸角和污染顆粒統計結果可以推測,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量的下降.研究表明焊接強度受到界面接觸面積和界面IMC厚度(或互擴散層厚度)的影響,一方面表面張力的作用導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吸收鍵合時由加熱和超聲提供的能量,從而降低界面IMC的厚度(或互擴散層厚度),使焊接界面結合強度下降。