Die Plasmabehandlung von Halbleitergehäusen entfernt Verunreinigungen auf atomarer Ebene, erhöht die Oberflächenenergie und verbessert die Grenzflächenhaftung in jedem kritischen Montageschritt, von der TSV-Bildung und dem Underfill-Auftragen bis hin zur BGA-Lötkugelbefestigung und Drahtbondierung.
Warum fortschrittliche Verpackungen ein Oberflächenproblem haben
Mit der Miniaturisierung und Stapelung von Halbleiterbauelementen werden die Grenzflächen zwischen den Materialien zum Hauptrisiko für die Zuverlässigkeit. Dreidimensionale integrierte Schaltungen (ICs), Flip-Chip-Baugruppen und hochdichte Ball-Grid-Arrays (BGAs) sind allesamt auf saubere, hochenergetische Oberflächen angewiesen, um unter Temperaturwechseln, mechanischer Belastung und jahrelangem Betrieb stabil zu bleiben.
Wenn diese Oberflächen kontaminiert sind, sind die Folgen vorhersehbar:
- Organische Rückstände und natürliche Oxide verringern die Oberflächenenergie und verhindern eine ordnungsgemäße Haftung der Klebstoffe.
- Durch das Ausbluten des Epoxidharzes entstehen Hohlräume an kritischen Grenzflächen.
- Rückstände in Strukturen mit hohem Aspektverhältnis verursachen Delaminationen, Lötstellenermüdung und Ertragsverluste, die sich erst spät im Montageprozess bemerkbar machen.
Herkömmliche chemische Reinigungsmittel beseitigen grobe Verschmutzungen, können aber nicht in Strukturen mit hohem Aspektverhältnis eindringen. Plasmabehandlung wird durch einen einzigen Trockenprozess ersetzt, der die Oberflächenmorphologie berührungslos, ohne Chemikalien und ohne Beschädigung empfindlicher Strukturen reinigt, aktiviert und modifiziert.
TSV-Plasmareinigung und Reinigung mit hohem Aspektverhältnis
Durchkontaktierungen zählen zu den anspruchsvollsten Reinigungsherausforderungen in der Halbleiterfertigung. Der Ätzprozess, der sie erzeugt, hinterlässt Fotolackreste, Fluorkohlenstoff-Passivierungsschichten und organische Verunreinigungen an den Seitenwänden. Flüssige Reinigungsmittel können diese Strukturen nicht gleichmäßig erreichen.
Die TSV-Plasmareinigung entfernt organische Verunreinigungen von den Seitenwänden mithilfe von Sauerstoff- oder Wasserstoffplasma-Gemischen. Diese reagieren mit den Rückständen und wandeln sie in flüchtige Nebenprodukte um, die aus der Kammer entfernt werden. Das Ergebnis ist eine saubere, chemisch aktive Oberfläche, die eine gleichmäßige Haftung von Barriere- und Keimschichten während der Metallabscheidung ermöglicht.
Eine Reinigung mit hohem Aspektverhältnis verhindert eine unvollständige Reinigung, die zu Leckströmen und offenen Stromkreisen führt – ein Ausbeuteproblem, das sich mit zunehmender Via-Dichte in fortschrittlichen 3D-Stapelarchitekturen noch verschärft.
Haftung des Unterfüllmaterials und Zuverlässigkeit von Flip-Chips
Kapillarunterfüllung schützt Flip-Chip-Lötstellen vor der mechanischen Belastung durch Temperaturwechsel. Ihre Wirksamkeit hängt davon ab, wie gut sie die Chippassivierung und die Substratoberfläche benetzt und darüber fließt. Eine geringe Oberflächenenergie verlangsamt den Fluss, führt zu Hohlräumen und lässt Bereiche der Lötstelle ungeschützt.
Durch die Plasmabehandlung vor dem Underfill-Dispensing wird die Oberflächenenergie erhöht und eine hydrophile Oberfläche erzeugt, die den Kapillarfluss beschleunigt und eine blasenfreie Abdeckung gewährleistet. Haftung des Unterfüllmaterials Sowohl die Chippassivierung als auch das Substrat werden deutlich verbessert, und auch die Gleichmäßigkeit der Abrundungshöhe verbessert sich dadurch.
Bei dielektrischen Materialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante, die unter thermischer Belastung besonders anfällig für Delamination sind, ist die plasmaaktivierte Haftung des Unterfüllmaterials der entscheidende Unterschied zwischen einem Gehäuse, das die thermische Zyklusprüfung besteht, und einem, das sie nicht besteht.
Oberflächenvorbereitung und Drahtbonden des Leadframes
Bei Gehäusen mit Leadframes lagern sich während der Handhabung und Lagerung Oxidationsrückstände und organische Ablagerungen auf Kupfer- und Nickeloberflächen ab. Diese schwächen die Drahtverbindungen, beeinträchtigen die Haftung der Vergussmasse und schaffen Korrosionswege.
Die Oberflächenvorbereitung von Leadframes mittels Plasma entfernt Oxidationen durch Wasserstoffplasma-Reduktion und organische Verunreinigungen durch Sauerstoffplasma-Chemie. Die resultierende Oberfläche ist sauber und chemisch aktiv und frei von schwachen Metallbindungen, die zu Drahtbondfehlern führen.
Dadurch wird die Haftfestigkeit messbar erhöht, das Ausbluten des Epoxidharzes reduziert und die Gesamtdichtigkeit der Verpackung verbessert.
Zuverlässigkeit der BGA-Verbindung und Oberflächenvorbereitung
Ball-Grid-Array-Gehäuse konzentrieren eine hohe Dichte an Lötstellen auf kleinem Raum, die bei jedem Erhitzen und Abkühlen des Bauteils thermomechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Natürliches Oxid auf den Kupferpads verringert die Benetzbarkeit, erzeugt Hohlräume und schwächt die Lötstellen.
Die Zuverlässigkeit von BGA-Verbindungen verbessert sich, wenn die Oxidschicht unmittelbar vor dem Aufbringen der Lötperlen durch Plasmareinigung entfernt wird. Dadurch entsteht eine saubere Kupferoberfläche, die eine gleichmäßige Benetzung mit Lot gewährleistet. Plasmabehandelte Substrate weisen messbare Verbesserungen hinsichtlich Scherzugfestigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit auf. In manchen Konfigurationen reduziert die Plasmabehandlung die Abhängigkeit von aggressiven Flussmitteln so weit, dass eine vollständig flussmittelfreie Montage möglich wird.
Prozessübergreifende Zuverlässigkeit: Mit und ohne Plasma
| Prozessschritt | Ohne Plasma | Mit Plasma |
| TSV-Vorfüllung | Fotolackrückstände verursachen Hohlräume und Unterbrechungen. | Saubere Seitenwände, gleichmäßige Metallabscheidung, keine Lufteinschlüsse |
| Unterfüllung | Niedrige Oberflächenenergie, schlechte Strömung, Hohlraumbildung | Hohe Oberflächenenergie, schneller Kapillarfluss, porenfrei |
| BGA-Lötanschluss | Natürliches Oxid, schlechte Benetzbarkeit, schwache Verbindungen | Saubere Kupferpads, starke, gleichmäßige Lötverbindungen |
| Drahtbonden | Oxidation und Rückstände schwächen die Bindungsstärke | Aktive Oberfläche, höhere Haftfestigkeit, geringeres Ausbluten |
Die atmosphärischen Plasmasysteme von Keylink, einschließlich der PL-5050 Und PL-5050P Mit Behandlungsbreiten bis zu 110 mm und verschiedenen Düsenkonfigurationen eignen sie sich hervorragend für die Inline-Oberflächenvorbereitung von Leadframes, Substraten und BGAs. Für Anwendungen im Bereich Packaging bietet Keylink entsprechende Ressourcen. Plasma-Oberflächenbehandlung für PE-Verpackungen veranschaulicht, wie dasselbe Aktivierung Die Prinzipien gelten für alle Materialarten.
Warum führende Verpackungshersteller Plasma einsetzen
Die Plasmabehandlung hat sich von einer optionalen Prozessoptimierung zu einer Qualifizierungsvoraussetzung bei führenden Halbleiterverpackungsanlagen entwickelt. Keylink liefert Systeme an führende inländische Verpackungshersteller entlang des gesamten Montageprozesses, von der Wafer-Präparation bis zur finalen Gehäusepassivierung.
Die Gründe sind einleuchtend:
- Die Ausbeute verbessert sich, weil sauberere Oberflächen bei jedem Verbindungsschritt weniger Defekte erzeugen.
- Die Zuverlässigkeit verbessert sich, weil stärkere Grenzflächen mehr Temperaturzyklen überstehen.
- Trockenplasmaverfahren ersetzen die Nasschemie-Reinigung und beseitigen so den Aufwand für Handhabung, Entsorgung und Regulierung.
Die vertikale Integrationsfähigkeit, von eigenständigen Atmosphärensystemen bis hin zu vollautomatisierten Inline-Konfigurationen, ermöglicht es, die Oberflächenvorbereitung in jeder Phase aus einer Hand anzubieten, anstatt für jeden Schritt separate Lösungen zu benötigen. Kontaktieren Sie Keylink, um Plasmabehandlungslösungen für Ihre fortschrittliche Verpackungsanwendung zu besprechen.
