تعمل معالجة البلازما لتغليف أشباه الموصلات على إزالة الملوثات على المستوى الذري، ورفع طاقة السطح، وتحسين الترابط البيني عبر كل خطوة تجميع حاسمة، بدءًا من تشكيل TSV وتوزيع الحشو السفلي وحتى ربط كرات اللحام BGA وربط الأسلاك.
لماذا تعاني التغليفات المتقدمة من مشكلة سطحية؟
مع تصغير حجم أجهزة أشباه الموصلات وتكديسها، تصبح نقاط التماس بين المواد هي الخطر الرئيسي على موثوقيتها. تعتمد الدوائر المتكاملة ثلاثية الأبعاد، وتجميعات الرقائق المقلوبة، ومصفوفات الكرات الشبكية عالية الكثافة، جميعها على أسطح نظيفة وعالية الطاقة للحفاظ على تماسكها في ظل دورات التغير الحراري والإجهاد الميكانيكي وسنوات من التشغيل.
عندما تتلوث تلك الأسطح، تكون العواقب متوقعة:
- تقلل المخلفات العضوية والأكاسيد الطبيعية من طاقة السطح وتمنع المواد اللاصقة من الالتصاق بشكل صحيح.
- يؤدي تسرب الإيبوكسي إلى خلق فراغات عند نقاط التماس الحرجة.
- تتسبب البقايا الموجودة داخل العناصر ذات النسبة العالية في حدوث انفصال الطبقات، وإجهاد وصلات اللحام، وفقدان الإنتاجية الذي يظهر في وقت متأخر من عملية التجميع.
تعالج عمليات التنظيف الكيميائي التقليدية التلوث بكميات كبيرة، لكنها لا تستطيع الوصول إلى الأجزاء الداخلية ذات النسبة العالية بين الطول والعرض. علاج البلازما يستبدل ذلك بعملية جافة واحدة تقوم بتنظيف وتنشيط وتعديل شكل السطح دون تلامس، ودون استخدام مواد كيميائية، ودون إتلاف الهياكل الدقيقة.
تنظيف البلازما بتقنية TSV والتنظيف بنسبة عرض إلى ارتفاع عالية
تُعدّ الثقوب الموصلة عبر السيليكون من أصعب تحديات التنظيف في صناعة أشباه الموصلات. فعملية الحفر التي تُنشئها تُخلّف رواسب من مادة مقاومة الضوء، وطبقات تخميل من الفلوروكربون، وملوثات عضوية على الجدران الجانبية. ولا تستطيع المواد الكيميائية السائلة الوصول إلى هذه البنى بشكل متجانس.
تزيل عملية تنظيف البلازما بتقنية TSV الملوثات العضوية من الجدران الجانبية باستخدام مزيج من بلازما الأكسجين أو الهيدروجين، حيث تتفاعل هذه الملوثات مع البقايا وتحولها إلى نواتج ثانوية متطايرة تُزال من الحجرة. والنتيجة هي سطح نظيف ونشط كيميائيًا، مما يسمح لطبقات الحاجز والطبقة الأساسية بالالتصاق بشكل متجانس أثناء ترسيب المعدن.
يمنع التنظيف بنسبة العرض إلى الارتفاع العالية التنظيف غير الكامل الذي يؤدي إلى تيار التسرب والدوائر المفتوحة، وهي مشكلة في الإنتاجية تزداد سوءًا مع زيادة كثافة الثقوب في بنى التراص ثلاثية الأبعاد المتقدمة.
قوة التصاق الحشوة السفلية وموثوقية رقاقة التوصيل المقلوب
تحمي طبقة التعبئة الشعرية نتوءات اللحام في تقنية رقاقة التوصيل المقلوب من الإجهاد الميكانيكي الناتج عن دورات التسخين والتبريد. وتعتمد فعاليتها على مدى ترطيبها وتدفقها عبر طبقة التخميل الخاصة بالرقاقة وأسطح الركيزة. يؤدي انخفاض طاقة السطح إلى إبطاء التدفق، وتكوين فراغات، وترك مناطق من الوصلة غير محمية.
تعمل معالجة البلازما قبل توزيع الحشو السفلي على رفع طاقة السطح وإنشاء سطح محب للماء مما يسرع التدفق الشعري ويضمن تغطية خالية من الفراغات. التصاق الحشوة السفلية يؤدي ذلك إلى تحسين كل من تخميل الرقاقة والركيزة بشكل كبير، كما يتحسن تجانس ارتفاع الحافة معه.
بالنسبة للمواد العازلة ذات ثابت العزل الكهربائي المنخفض، والتي تكون عرضة بشكل خاص للانفصال تحت الإجهاد الحراري، فإن الالتصاق السفلي المنشط بالبلازما هو الفرق بين عبوة تجتاز اختبار التأهيل للدورة الحرارية وأخرى لا تجتازه.
تحضير سطح إطار التوصيل وربط الأسلاك
في العبوات ذات الإطار الرصاصي، تتراكم الأكسدة والمخلفات العضوية على أسطح النحاس والنيكل أثناء المناولة والتخزين. يؤدي ذلك إلى إضعاف روابط الأسلاك، والتأثير على التصاق مركب التشكيل، وخلق مسارات للتآكل.
تُزيل عملية تحضير سطح إطار التوصيل بالبلازما الأكسدة من خلال اختزال بلازما الهيدروجين، وتُزيل التلوث العضوي من خلال تفاعلات بلازما الأكسجين. والنتيجة سطح نظيف ونشط كيميائياً، خالٍ من روابط المعادن الضعيفة التي تُسبب فشل توصيلات الأسلاك.
يؤدي ذلك إلى زيادة قوة الترابط بشكل ملحوظ، وتقليل تسرب الإيبوكسي، وتحسين إحكام إغلاق العبوة بشكل عام.
موثوقية ربط BGA وإعداد السطح
تُركّز حزم مصفوفة الشبكة الكروية كثافة عالية من وصلات اللحام في مساحة صغيرة، حيث تتعرض كل وصلة لإجهاد حراري ميكانيكي في كل مرة يسخن فيها الجهاز ويبرد. ويؤدي وجود طبقة أكسيد طبيعية على وسادات النحاس إلى تقليل قابلية التبلل، وتكوين فراغات، وإضعاف وصلات اللحام.
تتحسن موثوقية ربط BGA عند إزالة طبقة الأكسيد بواسطة التنظيف بالبلازما مباشرةً قبل وضع كرات اللحام، مما يترك سطحًا نحاسيًا نظيفًا يسهل ترطيب اللحام عليه بشكل متجانس. تُظهر الركائز المعالجة بالبلازما تحسنًا ملحوظًا في قوة القص والشد وأداء دورات التبريد والتسخين. في بعض التكوينات، يقلل المعالجة بالبلازما من الاعتماد على مواد التدفق الكيميائية القوية بما يكفي لتمكين التجميع بدون تدفق على الإطلاق.
موثوقية العمليات المتعددة: مع البلازما وبدونها
| خطوة العملية | بدون بلازما | مع البلازما |
| تعبئة مسبقة لـ TSV | تتسبب بقايا مادة مقاومة الضوء في حدوث فراغات ودوائر مفتوحة. | جدران جانبية نظيفة، ترسب معدني متجانس، بدون فراغات |
| الحشو السفلي | طاقة سطحية منخفضة، تدفق ضعيف، تشكل فراغات | طاقة سطحية عالية، تدفق شعري سريع، خالٍ من الفراغات |
| ملحق لحام BGA | أكسيد طبيعي، قابلية ترطيب ضعيفة، وصلات ضعيفة | وسادات نحاسية نظيفة، وصلات لحام قوية وموحدة |
| توصيل الأسلاك | يؤدي الأكسدة والمخلفات إلى إضعاف قوة الرابطة | سطح نشط، قوة ربط أعلى، تسرب أقل |
أنظمة البلازما الجوية لشركة Keylink، بما في ذلك PL-5050 و PL-5050P بفضل قدرتها على معالجة الأسطح بعرض يصل إلى 110 مم وتكوينات فوهات متعددة، تُعدّ هذه التقنية مناسبة تمامًا لتحضير أسطح إطارات التوصيل والركائز ووحدات BGA. أما بالنسبة للتطبيقات ذات الصلة بالتغليف، فيمكنكم الرجوع إلى موارد Keylink حول معالجة سطح البلازما لتغليف البولي إيثيلين يوضح كيف أن نفس التفعيل تنطبق هذه المبادئ على جميع أنواع المواد.
لماذا تستخدم كبرى شركات تصنيع التغليف تقنية البلازما؟
انتقلت معالجة البلازما من كونها تحسينًا اختياريًا للعملية إلى شرط أساسي للتأهيل في مرافق تغليف أشباه الموصلات الرائدة. وقد زودت شركة Keylink كبرى شركات تصنيع التغليف المحلية بأنظمة تغطي كامل عملية التجميع، بدءًا من تحضير الرقاقة وصولًا إلى التخميل النهائي للعبوة.
الأسباب واضحة:
- تتحسن نسبة الإنتاج لأن الأسطح الأنظف تنتج عيوبًا أقل في كل خطوة من خطوات الربط.
- تتحسن الموثوقية لأن الواجهات الأقوى تتحمل دورات حرارية أكثر.
- تحل عمليات البلازما الجافة محل التنظيف الكيميائي الرطب، مما يزيل أعباء المناولة والتخلص من النفايات والتنظيم.
تتيح إمكانية التكامل الرأسي، بدءًا من الأنظمة الجوية المستقلة وصولًا إلى التكوينات الآلية المتكاملة، لمورد واحد معالجة تحضير الأسطح في كل مرحلة، بدلًا من الحاجة إلى حلول منفصلة لكل خطوة. تواصل مع Keylink لمناقشة حلول معالجة البلازما لتطبيقات التغليف المتقدمة لديك.
