等離子清洗技術被廣泛應用于電子、生物醫藥、珠寶制作、紡織等眾多行業,由于各個行業的特殊性,需要針對行業需要,采用不同的設備及工藝。在電子封裝行業中,使用等離子清洗技術,目的是增強焊線/焊球的焊接質量及芯片與環氧樹脂塑封材料之間的粘結強度。為了更好地達到等離子清洗的效果,需要了解設備的工作原理與構造,根據封裝工藝,設計可行的等離子清洗料盒及工藝。
在電子封裝中,通常使用物理化學結合的方式進行等離子清洗,以去除在原材料制造、運輸、前工序中殘留的有機污染物及芯片焊盤和引線框架表面形成的氧化物。
圖1 等離子清洗物理/化學反應原理示意圖
等離子按激發頻率分為射頻與微波,其頻率范圍的劃分如圖3所示。目前在微電子行業廣泛使用的為射頻等離子體。
圖2 等離子激發頻率
在等離子清洗設備的使用過程中,需要根據清洗產品的不同,制定合理的清洗工藝,如射頻功率、清洗時間、清洗溫度、氣流速度等,以達到最好的清洗效果。本文針對TO220產品的鋁線鍵合工藝,設計適合于功率器件鋁線鍵合的最佳等離子清洗工藝。
實驗過程
等離子清洗參數設計
本實驗采用射頻激發的Ar/H2混合氣體,可以應用在增強引線鍵合強度。清洗時間不宜過長,清洗時間過長的負面影響是Si3N4鈍化層的晶粒呈現出針狀和纖維狀。因此,選用Ar與H2的混合氣體。RF功率范圍200~400 W,時間180~600 s,流速50~150 tor·s-1。
使用DOE方法設計了9組實驗參數,如表1所示。
圖片等離子清洗實驗
等離子清洗效果除與等離子清洗設備的參數設置有關外,也與樣品形狀及樣品的料盒有關。在料盒選擇方面,一般選用鏤空料盒(如圖5所示),讓盡可能多的等離子氣體進入到料盒內部,并且不干擾等離子氣體的流動方向與流動速度。一般選用鋁合金材質,因為其具有良好的加工特性,同時質量輕,便于運輸。玻璃和陶瓷材質雖然在等離子清洗工藝中使用效果更佳,但在工廠批量生產中不利于運輸與操作。
等離子清洗用鏤空料盒
拉力和剪切力測試
使用DAGE 4000進行樣品的拉力測試,測試時在料盒內選取上中下各一條引線框架,每條引線框架上均勻選取10個測試點,每組等離子清洗參數條件下獲得30個樣本值。
等離子清洗參數
實驗獲得的焊線拉力的測試結果如圖7所示。
由圖7中可以看到,第5組樣品的拉力測試值具有相對最小方差與最高Pp K值,其次是第4組樣品;第9組樣品雖然使用了最大功率、最長清洗時間與較大的氣體清洗流量,但實驗結果并不理想。
清洗功率與清洗時間超過理想的設定值時,一方面Si3N4鈍化層的晶粒會呈現出針狀和纖維狀,另一方面,會激發焊料內的有機物揮發至氣流中,并在等離子清洗過程中覆蓋于芯片及引線框架表面,形成二次污染,從而影響焊接的強度。
拉力測試結果比較圖
由此確定,適合于該料盒的鋁線產品的等離子清洗參數應參考第5組設定參數。
放置空間對清洗效果的影響
樣品在等離子清洗機腔體中的放置位置對等離子清洗效果也有明顯影響。比較分別位于上中下三層的引線框架的引線拉力測試數據,結果如圖8所示。
從圖中可以看出,上層引線框架獲得了更穩定的拉力測試結果。因為上層引線框架與氣體接觸得更充分。位于下層的引線框架,方差值偏差較大。因此,若想得到更好的等離子清洗效果,必須盡可能多地讓引線框架暴露于等離子氣體中,引線框架的上下間距不能過于緊密。
上中下層引線框架在9組等離子清洗實驗中的方差比較結果
綜上所述,等離子清洗有利于電子封裝的可靠性,能增強焊線工藝的穩定性。在使用等離子清洗工藝時,需結合等離子清洗機腔體的結構,設計合適的料盒,合理擺放料盒在腔體內的位置。同時,根據清洗樣品的不同,通過DOE實驗能夠找到最合適的清洗工藝,達到最好的清洗效果。此外,料盒中引線框架的最佳上下間距以及料盒在等離子清洗機腔體中的最佳擺放位置與數量,在本文實驗中還未涉及,下一步將結合氣體流動模型針對此問題進一步研究討論。
