Công nghệ xử lý plasma trong đóng gói bán dẫn loại bỏ các chất gây ô nhiễm ở cấp độ nguyên tử, nâng cao năng lượng bề mặt và cải thiện liên kết giao diện trong mọi bước lắp ráp quan trọng, từ tạo lỗ xuyên qua (TSV) và phân phối chất độn đến gắn bi hàn BGA và hàn dây dẫn.
Tại sao bao bì tiên tiến lại gặp vấn đề về bề mặt?
Khi các thiết bị bán dẫn thu nhỏ và xếp chồng lên nhau, các giao diện giữa các vật liệu trở thành rủi ro chính về độ tin cậy. Các mạch tích hợp ba chiều, các cụm chip lật và các mảng lưới bi mật độ cao đều phụ thuộc vào các bề mặt sạch, có năng lượng cao để giữ chặt với nhau dưới tác động của chu kỳ nhiệt, ứng suất cơ học và nhiều năm hoạt động.
Khi những bề mặt đó bị nhiễm bẩn, hậu quả là điều khó tránh khỏi:
- Các chất cặn hữu cơ và oxit tự nhiên làm giảm năng lượng bề mặt và ngăn cản chất kết dính liên kết đúng cách.
- Sự rò rỉ epoxy tạo ra các lỗ hổng tại các vị trí giao diện quan trọng.
- Các chất cặn bám bên trong các chi tiết có tỷ lệ chiều cao trên chiều rộng lớn gây ra hiện tượng tách lớp, mỏi mối hàn và giảm năng suất, những vấn đề này chỉ xuất hiện muộn trong quá trình lắp ráp.
Phương pháp làm sạch bằng hóa chất truyền thống xử lý được các chất bẩn lớn nhưng không thể làm sạch bên trong các chi tiết có tỷ lệ chiều cao/chiều rộng lớn. Xử lý huyết tương Phương pháp này thay thế quy trình đó bằng một quy trình khô duy nhất giúp làm sạch, kích hoạt và điều chỉnh hình thái bề mặt mà không cần tiếp xúc, không sử dụng hóa chất và không làm hư hại các cấu trúc mỏng manh.
Làm sạch bằng plasma TSV và làm sạch có tỷ lệ khung hình cao
Việc làm sạch các lỗ xuyên silicon là một trong những thách thức khó khăn nhất trong sản xuất chất bán dẫn. Quá trình khắc tạo ra chúng để lại cặn chất cản quang, lớp thụ động hóa fluorocarbon và chất ô nhiễm hữu cơ trên thành bên. Hóa chất dạng lỏng không thể tiếp cận đồng đều vào các cấu trúc này.
Quá trình làm sạch bằng plasma TSV loại bỏ các chất gây ô nhiễm hữu cơ khỏi thành bên bằng cách sử dụng hỗn hợp plasma oxy hoặc hydro phản ứng với cặn bẩn và chuyển hóa chúng thành các sản phẩm phụ dễ bay hơi được loại bỏ khỏi buồng. Kết quả là một bề mặt sạch, hoạt tính hóa học, cho phép các lớp chắn và lớp mầm bám dính đồng đều trong quá trình lắng đọng kim loại.
Việc làm sạch với tỷ lệ chiều cao trên chiều rộng cao giúp ngăn ngừa việc làm sạch không hoàn toàn, dẫn đến dòng rò và mạch hở, một vấn đề về năng suất sẽ trở nên tồi tệ hơn khi mật độ lỗ xuyên tăng lên trong các kiến trúc xếp chồng 3D tiên tiến.
Độ bám dính của lớp trám dưới và độ tin cậy của chip lật
Lớp keo lót mao dẫn bảo vệ các mối hàn lật chip khỏi ứng suất cơ học của chu kỳ nhiệt. Hiệu quả của nó phụ thuộc vào khả năng thấm ướt và chảy đều trên bề mặt lớp thụ động hóa của chip và chất nền. Năng lượng bề mặt thấp làm chậm dòng chảy, tạo ra các khoảng trống và để lại những vùng của mối hàn không được bảo vệ.
Xử lý bằng plasma trước khi bơm chất làm đầy giúp tăng năng lượng bề mặt và tạo ra bề mặt ưa nước, đẩy nhanh dòng chảy mao dẫn và đảm bảo độ phủ kín không có khoảng trống. Độ bám dính của chất trám dưới Cả khả năng thụ động hóa chip và chất nền đều được cải thiện đáng kể, và độ đồng đều về chiều cao mối hàn cũng được cải thiện theo đó.
Đối với các vật liệu điện môi có hằng số điện môi thấp (low-k), vốn đặc biệt dễ bị bong tróc dưới tác động nhiệt, việc tăng độ bám dính của lớp keo lót được kích hoạt bằng plasma chính là yếu tố quyết định giữa một sản phẩm đạt tiêu chuẩn kiểm định chu kỳ nhiệt và một sản phẩm không đạt tiêu chuẩn.
Chuẩn bị bề mặt khung dẫn và hàn dây
Trong các bao bì khung chì, bề mặt đồng và niken tích tụ quá trình oxy hóa và cặn hữu cơ trong quá trình xử lý và bảo quản. Điều này làm suy yếu các mối nối dây, cản trở sự bám dính của hợp chất đúc và tạo ra các đường dẫn cho sự ăn mòn.
Quá trình chuẩn bị bề mặt khung chì bằng plasma loại bỏ quá trình oxy hóa thông qua khử plasma hydro và loại bỏ ô nhiễm hữu cơ thông qua hóa học plasma oxy. Bề mặt thu được sạch sẽ và hoạt tính hóa học cao, không còn các liên kết kim loại yếu gây ra hiện tượng đứt dây dẫn.
Điều này giúp tăng cường độ bám dính một cách rõ rệt, giảm hiện tượng rò rỉ epoxy và cải thiện độ kín tổng thể của bao bì.
Độ tin cậy của quá trình hàn BGA và chuẩn bị bề mặt
Các gói linh kiện dạng lưới bi (ball grid array) tập trung mật độ mối hàn cao vào một khu vực nhỏ, mỗi mối hàn đều chịu ứng suất nhiệt cơ học mỗi khi thiết bị nóng lên và nguội đi. Lớp oxit tự nhiên trên các tấm đồng làm giảm khả năng thấm ướt, tạo ra các lỗ rỗng và làm suy yếu các mối hàn.
Độ tin cậy của quá trình hàn BGA được cải thiện khi làm sạch bằng plasma loại bỏ lớp oxit ngay trước khi gắn bi hàn, tạo ra bề mặt đồng sạch giúp chất hàn bám dính đồng đều. Các chất nền được xử lý bằng plasma cho thấy sự cải thiện đáng kể về lực kéo cắt và hiệu suất chu kỳ nhiệt. Trong một số cấu hình, xử lý bằng plasma làm giảm sự phụ thuộc vào hóa chất trợ hàn mạnh đến mức cho phép lắp ráp hoàn toàn không cần trợ hàn.
Độ tin cậy giữa các quy trình: Có và không có plasma
| Bước quy trình | Không có Plasma | Với Plasma |
| TSV pre-fill | Cặn chất cản quang gây ra các lỗ hổng và mạch hở. | Thành vách sạch, lớp kim loại lắng đọng đồng đều, không có lỗ rỗng. |
| Chất độn dưới | Năng lượng bề mặt thấp, dòng chảy kém, hình thành lỗ rỗng | Năng lượng bề mặt cao, dòng chảy mao dẫn nhanh, không có khoảng trống |
| Mối hàn BGA | Lớp oxit tự nhiên, khả năng thấm ướt kém, mối nối yếu | Các điểm tiếp xúc bằng đồng sạch, mối hàn chắc chắn và đồng đều. |
| Nối dây | Quá trình oxy hóa và cặn bẩn làm suy yếu độ bền liên kết. | Bề mặt hoạt tính, độ bám dính cao hơn, ít bị lem mực. |
Các hệ thống plasma khí quyển của Keylink, bao gồm PL-5050 Và PL-5050P Với chiều rộng xử lý lên đến 110mm và nhiều cấu hình vòi phun, chúng rất phù hợp cho việc chuẩn bị bề mặt khung dẫn, chất nền và BGA trực tuyến. Đối với các ứng dụng liền kề với bao bì, nguồn tài nguyên của Keylink về... Xử lý bề mặt bằng plasma cho bao bì PE minh họa cách thức tương tự kích hoạt Các nguyên tắc này áp dụng cho mọi loại vật liệu.
Vì sao các nhà sản xuất bao bì hàng đầu sử dụng plasma?
Xử lý plasma đã chuyển từ việc chỉ là một tùy chọn nâng cao quy trình sang một yêu cầu bắt buộc để đạt tiêu chuẩn chất lượng tại các cơ sở đóng gói bán dẫn hàng đầu. Keylink đã cung cấp hệ thống cho các nhà sản xuất đóng gói hàng đầu trong nước trên toàn bộ quy trình lắp ráp, từ khâu chuẩn bị ở cấp độ wafer đến khâu thụ động hóa gói cuối cùng.
Lý do rất đơn giản:
- Năng suất được cải thiện vì bề mặt sạch hơn tạo ra ít khuyết tật hơn ở mỗi bước liên kết.
- Độ tin cậy được cải thiện vì các giao diện bền hơn có thể chịu được nhiều chu kỳ nhiệt hơn.
- Các quy trình plasma khô thay thế việc làm sạch bằng hóa chất ướt, loại bỏ các khâu xử lý, thải bỏ và gánh nặng về quy định.
Khả năng tích hợp theo chiều dọc, từ các hệ thống xử lý khí quyển độc lập đến các cấu hình tự động hoàn toàn tích hợp trong dây chuyền sản xuất, có nghĩa là cùng một nhà cung cấp có thể giải quyết khâu chuẩn bị bề mặt ở mọi giai đoạn thay vì cần các giải pháp riêng biệt cho từng bước. Liên hệ với Keylink để thảo luận về các giải pháp xử lý plasma cho ứng dụng đóng gói tiên tiến của bạn.
