El procesamiento de plasma de empaquetado de semiconductores elimina contaminantes a nivel atómico, aumenta la energía de la superficie y mejora la unión interfacial en cada paso crítico del ensamblaje, desde la formación de TSV y la dispensación de relleno hasta la fijación de bolas de soldadura BGA y la unión de cables.
Por qué el embalaje avanzado tiene un problema de superficie
A medida que los dispositivos semiconductores se contraen y apilan, las interfaces entre materiales se convierten en el principal riesgo para la fiabilidad. Los circuitos integrados tridimensionales, los conjuntos de chips invertidos y las matrices de rejilla de bolas de alta densidad dependen de superficies limpias y de alta energía para mantenerse unidos bajo ciclos térmicos, estrés mecánico y años de funcionamiento.
Cuando esas superficies están contaminadas, las consecuencias son predecibles:
- Los residuos orgánicos y los óxidos nativos reducen la energía superficial y evitan que los adhesivos se adhieran correctamente.
- El sangrado de epoxi crea huecos en interfaces críticas.
- Los residuos dentro de las características con una relación de aspecto alta provocan delaminación, fatiga de la unión de soldadura y pérdida de rendimiento que aparece tarde en el proceso de ensamblaje.
La limpieza química tradicional trata la contaminación en masa, pero no puede llegar al interior de las características con una relación de aspecto alta. Tratamiento con plasma reemplaza eso con un único proceso seco que limpia, activa y modifica la morfología de la superficie sin contacto, sin químicos y sin dañar estructuras delicadas.
Limpieza de plasma TSV y limpieza de alta relación de aspecto
Las vías a través del silicio se encuentran entre los retos de limpieza más exigentes en la fabricación de semiconductores. El proceso de grabado que las crea deja residuos de fotorresistencia, capas de pasivación de fluorocarbono y contaminación orgánica en las paredes laterales. La química líquida no puede penetrar uniformemente en estas estructuras.
La limpieza por plasma TSV elimina los contaminantes orgánicos de las paredes laterales mediante mezclas de plasma de oxígeno o hidrógeno que reaccionan con los residuos y los convierten en subproductos volátiles que se eliminan de la cámara. El resultado es una superficie limpia y químicamente activa que permite que las capas de barrera y de semilla se adhieran uniformemente durante la deposición del metal.
La limpieza con una relación de aspecto alta evita una limpieza incompleta que genera fugas de corriente y circuitos abiertos, un problema de rendimiento que empeora a medida que aumentan las densidades de vías en arquitecturas de apilamiento 3D avanzadas.
Adherencia de relleno insuficiente y confiabilidad del chip invertido
El relleno capilar protege las protuberancias de soldadura de chip invertido de la tensión mecánica del ciclo térmico. Su eficacia depende de su humectación y flujo a través de la pasivación del chip y las superficies del sustrato. La baja energía superficial ralentiza el flujo, crea vacíos y deja áreas de la unión desprotegidas.
El tratamiento con plasma antes de la dispensación por debajo del nivel de llenado aumenta la energía de la superficie y crea una superficie hidrófila que acelera el flujo capilar y garantiza una cobertura sin huecos. Adherencia de relleno insuficiente Tanto la pasivación de la viruta como la del sustrato mejoran significativamente y, con ello, la uniformidad de la altura del filete.
En el caso de los materiales dieléctricos de baja k, que son particularmente propensos a la delaminación bajo estrés térmico, la adhesión debajo del relleno activada por plasma es la diferencia entre un paquete que pasa la calificación de ciclado térmico y uno que no.
Preparación de la superficie del marco conductor y unión de cables
En los encapsulados con marco de plomo, las superficies de cobre y níquel acumulan oxidación y residuos orgánicos durante la manipulación y el almacenamiento. Estos debilitan las uniones de los cables, interfieren con la adhesión del compuesto de moldeo y crean vías para la corrosión.
La preparación de la superficie del marco conductor con plasma elimina la oxidación mediante la reducción con plasma de hidrógeno y la contaminación orgánica mediante la química del plasma de oxígeno. La superficie resultante es limpia y químicamente activa, libre de los enlaces metálicos débiles que causan fallas en la unión de los cables.
Esto aumenta considerablemente la resistencia de la unión, reduce el sangrado de epoxi y mejora la hermeticidad general del paquete.
Fiabilidad de la unión BGA y preparación de la superficie
Los paquetes de matriz de bolas concentran una alta densidad de uniones soldadas en un área pequeña, cada una sujeta a tensión termomecánica cada vez que el dispositivo se calienta y se enfría. El óxido nativo en las almohadillas de cobre reduce la humectabilidad, crea vacíos y debilita las uniones soldadas.
La fiabilidad de la unión BGA mejora cuando la limpieza con plasma elimina la capa de óxido inmediatamente antes de la fijación de la bola de soldadura, dejando una superficie de cobre limpia que la soldadura humedece uniformemente. Los sustratos tratados con plasma muestran una mejora apreciable en la fuerza de cizallamiento-tracción y el rendimiento de los ciclos térmicos. En algunas configuraciones, el tratamiento con plasma reduce la dependencia de la química agresiva del fundente lo suficiente como para permitir un ensamblaje completamente sin fundente.
Confiabilidad entre procesos: con y sin plasma
| Paso del proceso | Sin plasma | Con plasma |
| Prellenado de TSV | Los residuos de fotorresistencia provocan huecos y circuitos abiertos. | Paredes laterales limpias, deposición uniforme de metal, sin huecos |
| Relleno insuficiente | Baja energía superficial, flujo deficiente, formación de vacíos | Alta energía superficial, flujo capilar rápido, sin huecos. |
| Accesorio de soldadura BGA | Óxido nativo, poca humectabilidad, juntas débiles. | Almohadillas de cobre limpias, uniones de soldadura fuertes y uniformes |
| Unión por cable | La oxidación y los residuos debilitan la fuerza de unión. | Superficie activa, mayor fuerza de adhesión, menor sangrado |
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¿Por qué los principales fabricantes de envases utilizan plasma?
El tratamiento con plasma ha pasado de ser una mejora opcional del proceso a un requisito de cualificación en las principales plantas de envasado de semiconductores. Keylink ha suministrado sistemas a importantes fabricantes nacionales de envases en todo el proceso de ensamblaje, desde la preparación a nivel de oblea hasta la pasivación final del envase.
Las razones son sencillas:
- El rendimiento mejora porque las superficies más limpias producen menos defectos en cada paso de unión.
- La confiabilidad mejora porque las interfaces más fuertes sobreviven a más ciclos térmicos.
- Los procesos de plasma seco reemplazan la limpieza química húmeda, eliminando la manipulación, la eliminación y la carga regulatoria.
La capacidad de integración vertical, desde sistemas atmosféricos independientes hasta configuraciones en línea totalmente automatizadas, permite que un mismo proveedor se encargue de la preparación de superficies en cada etapa, en lugar de requerir soluciones independientes para cada paso. Contacte con Keylink para hablar sobre soluciones de tratamiento con plasma para su aplicación de envasado avanzado.
