等离子清洗技术被广泛应用于电子、生物医药、珠宝制作、纺织等众多行业,由于各个行业的特殊性,需要针对行业需要,采用不同的设备及工艺。在电子封装行业中,使用等离子清洗技术,目的是增强焊线/焊球的焊接质量及芯片与环氧树脂塑封材料之间的粘结强度。为了更好地达到等离子清洗的效果,需要了解设备的工作原理与构造,根据封装工艺,设计可行的等离子清洗料盒及工艺。
在电子封装中,通常使用物理化学结合的方式进行等离子清洗,以去除在原材料制造、运输、前工序中残留的有机污染物及芯片焊盘和引线框架表面形成的氧化物。
图1 等离子清洗物理/化学反应原理示意图
等离子按激发频率分为射频与微波,其频率范围的划分如图3所示。目前在微电子行业广泛使用的为射频等离子体。
图2 等离子激发频率
在等离子清洗设备的使用过程中,需要根据清洗产品的不同,制定合理的清洗工艺,如射频功率、清洗时间、清洗温度、气流速度等,以达到最好的清洗效果。本文针对TO220产品的铝线键合工艺,设计适合于功率器件铝线键合的最佳等离子清洗工艺。
实验过程
等离子清洗参数设计
本实验采用射频激发的Ar/H2混合气体,可以应用在增强引线键合强度。清洗时间不宜过长,清洗时间过长的负面影响是Si3N4钝化层的晶粒呈现出针状和纤维状。因此,选用Ar与H2的混合气体。RF功率范围200~400 W,时间180~600 s,流速50~150 tor·s-1。
使用DOE方法设计了9组实验参数,如表1所示。
图片等离子清洗实验
等离子清洗效果除与等离子清洗设备的参数设置有关外,也与样品形状及样品的料盒有关。在料盒选择方面,一般选用镂空料盒(如图5所示),让尽可能多的等离子气体进入到料盒内部,并且不干扰等离子气体的流动方向与流动速度。一般选用铝合金材质,因为其具有良好的加工特性,同时质量轻,便于运输。玻璃和陶瓷材质虽然在等离子清洗工艺中使用效果更佳,但在工厂批量生产中不利于运输与操作。
等离子清洗用镂空料盒
拉力和剪切力测试
使用DAGE 4000进行样品的拉力测试,测试时在料盒内选取上中下各一条引线框架,每条引线框架上均匀选取10个测试点,每组等离子清洗参数条件下获得30个样本值。
等离子清洗参数
实验获得的焊线拉力的测试结果如图7所示。
由图7中可以看到,第5组样品的拉力测试值具有相对最小方差与最高Pp K值,其次是第4组样品;第9组样品虽然使用了最大功率、最长清洗时间与较大的气体清洗流量,但实验结果并不理想。
清洗功率与清洗时间超过理想的设定值时,一方面Si3N4钝化层的晶粒会呈现出针状和纤维状,另一方面,会激发焊料内的有机物挥发至气流中,并在等离子清洗过程中覆盖于芯片及引线框架表面,形成二次污染,从而影响焊接的强度。
拉力测试结果比较图
由此确定,适合于该料盒的铝线产品的等离子清洗参数应参考第5组设定参数。
放置空间对清洗效果的影响
样品在等离子清洗机腔体中的放置位置对等离子清洗效果也有明显影响。比较分别位于上中下三层的引线框架的引线拉力测试数据,结果如图8所示。
从图中可以看出,上层引线框架获得了更稳定的拉力测试结果。因为上层引线框架与气体接触得更充分。位于下层的引线框架,方差值偏差较大。因此,若想得到更好的等离子清洗效果,必须尽可能多地让引线框架暴露于等离子气体中,引线框架的上下间距不能过于紧密。
上中下层引线框架在9组等离子清洗实验中的方差比较结果
综上所述,等离子清洗有利于电子封装的可靠性,能增强焊线工艺的稳定性。在使用等离子清洗工艺时,需结合等离子清洗机腔体的结构,设计合适的料盒,合理摆放料盒在腔体内的位置。同时,根据清洗样品的不同,通过DOE实验能够找到最合适的清洗工艺,达到最好的清洗效果。此外,料盒中引线框架的最佳上下间距以及料盒在等离子清洗机腔体中的最佳摆放位置与数量,在本文实验中还未涉及,下一步将结合气体流动模型针对此问题进一步研究讨论。
