等离子技术与PCB集成电路

随着PCB集成电路的缩小，伴随而来的引线接合焊盘尺寸的减小造成对接合焊盘污染的敏感性增加。引线接合焊盘污染可能造成较差的接合焊盘抗拉强度和较差的接合强度均匀性。因此，在引线接合之前，从接合焊盘表面清除所有污染是特别重要的1,2,3,4,6。在引线接合之前准备焊盘的有效的、低成本的方法是使用射频驱动的低压等离子技术5,6。等离子技术的成功应用依赖工艺参数的优化，包括过程压力、等离子功率、时间和工艺气体类型。这里要讨论的是这些关键的等离子工艺参数及其对引线接合抗拉强度的影响。

等离子清洗技术

不是所有的等离子技术都是相同的，同样不是所有的PCB集成电路封装都是相同的，这使得对等离子技术和PCB集成电路封装的理解成为得到成功结果的关键。在为引线接合强度的改善开发一个成功的等离子清洗工艺中，重要的因素包括PCB基板材料、其化学与温度的敏感性、处理PCB基板的方法、产量和均匀性。理解这些要求可以最终定义等离子系统的工艺参数。

等离子工艺的目的是要是引线拉力强度最大，因而减少失效和提高合格率。在做到这一点的同时，又要尽量不影响封装生产线的产量。因此关键的是要通过审慎地选择工艺气体、操作压力、时间和等离子功率来优化等离子工艺。如果工艺条件选择不当，可能造成引线接合强度的改善有限，或者甚至降低引线接合强度。

图一、一个典型的等离子

典型的等离子的组成是，电子、离子、自由基和质子，从电磁辐射的应用以低压产生到气体容积中(图一)。有各种产生等离子的方法，但是首选方法是使用射频激励。高度吸收能量的非平衡等离子能够通过物理、化学和物理/化学方法达到表面清洗和表面激化，而不改变被清洗的材料的整体性质。选择性、各向异性、均匀性和清洁率是工艺参数选择的函数。工艺参数也决定工艺是否为物理的、化学的或者两种机制的结合。当用于清洁接合焊盘座时，每个都有显著的优点和缺点。工艺气体的选择、容室压力、应用功率和工艺时间都决定清洁机制及其效果。

等离子工艺参数

工艺气体：在一个物理过程中，在氩等离子中产生的离子以足够的能量辐射表面，去掉表面污物。正离子的氩原子将吸引到在等离子室的负向充电的电极板。这个电性吸引强制地将离子吸引到电极。由于离子撞击接合焊盘的表面，撞击力足以去除表面上的任何污垢。然后这污水通过真空泵排出。

辐射的优点是它不是一个化学反应，它清理零件表面不留下任何氧化物。离子是清除污物的重要元素，污物包括金属盐和其它不容易通过化学工艺去掉的无机污染物。最终的产品是一个完全由PCB基板材料构成的表面2,4,6。缺点包括有机PCB基板材料的可能过量腐蚀和污染物或PCB基板颗粒重新积聚在其它不希望的区域。不管怎样，这些缺点一般通过细调工艺参数相对容易控制。

化学工艺使用产生气相辐射的等离子来与样品表面上的化合物反应，通过随后从等离子系统泵出的产品形成气相。例如，有机污染物可以有效地用氧气等离子去掉，这里氧气辐射与污染物反应，产生二氧化碳、一氧化碳和水。清洁速度和更大的腐蚀选择性是等离子中化学清洗的优点，一般地说，化学反应清除有机污染物效果更好2,4,6。主要缺点是氧化物可能在PCB基板上形成，并且在许多引线接合应用中，氧化物可能是最不希望的2,4,6。正如在辐射情况中一样，这些缺点是通过适当选择工艺参数相对容易控制的。

压力：工艺容室压力是气流速度、产品排气率和泵速的函数。工艺气体的选择决定等离子清洗机制(物理、化学或物理/化学)，最终，气流速度和工艺压力状况。

物理工艺一般要求比化学工艺较低的压力。物理等离子清洗要求，在通过碰撞去激的减活作用之前，已激励的粒子碰撞PCB基板表面。如果工艺压力高，已激励的粒子在到达接合焊盘之前将与其它粒子经过很多次的碰撞，因此减低了清洁力。已激励的粒子在碰撞之前所运行的距离叫做该粒子的平均自由路程，它与压力成反比。平均自由路程 l 定义为： l = (kT/σ2P)。这里P和T是气体的压力与温度，k是一个常数，σ是气体分子的直径。图一显示氩的平均自由路程是压力的函数。物理工艺要求低压以利于平均自由路程达到最大，因而使碰撞冲击达到最大。可是，如果压力降低太多，将没有足够的活性反应组分在合理的时间内来清洁PCB基板。

图二、氩的平均自由路程，是压力的函数

化学工艺依赖产生气相辐射的等离子与PCB基板表面的化学反应，并使用较高压力。在化学反应的等离子工艺中使用较高的工艺压力是由于需要在PCB基板表面的活性反应组分的高度集中。由于较高的压力，化学工艺具有较快的清洁速度。

我们为在料盒中处理的PBGAPCB基板上接合焊盘的物理清洁，对作为引线结合抗拉强度函数的工艺压力作了评估1。对于高压力/高流量(140-160 mTorr,毫托，真空单位)条件，抗拉强度没有比未处理的PCB基板好多少(图三)。没有提高可能是由于高压而造成的短平均自由路程，因此减少到达PCB基板表面的已激化粒子的数量。低压/低流量(100 mTorr)条件也会造成较差的引线接合抗拉强度，因为低压造成活性反应组分的浓度不足。

图三、引线接合失效，由于接合焊盘表面准备差的结果

选择一个中等工艺压力(120 mTorr)得到引线接合抗拉强度提高20%。结果说明虽然一般压力状况是通过工艺气体选择定义的，但是操作压力的进一步细调对优化性能是关键的。

功率：等粒子功率通过增加等离子内的离子密度和离子能量来增加清洁速度。离子密度是单位体积的活性反应组分的数量。增加离子密度将增加清洁速度，因为活性反应组分的浓度相对更大。离子能量定义活性反应组分进行物理工作的能力。

我们为引线接合的改善进行了等离子工艺功率的评估。增加功率对引线接合的改善有显著的效果。例如，通过增加两个中一个因素的功率，引线接和抗拉强度翻倍。可是，如果增加功率太多，可能对PCB基板是有害的，并且对工艺也是无效的。

时间：一般来说，目标是要使工艺时间最短，以达到最大的封装生产线产量。工艺时间应该与功率、压力和气体类型平衡。对PBGA类PCB基板的作为引线接合强度函数的工艺压力与功率进行优化，评估工艺时间，结果证明了工艺时间的重要性。例如，一个短的等离子工艺时间得到相对于未处理PCB基板在引线接合强度上2%的提高，在工艺时间上另外增加28%，引线接合强度比未处理的PCB基板增加20%。较长的工艺运行时间不总是可以提供接合改善的结果。达到可接受的接合抗拉强度所需要的清洁时间依赖其它的工艺参数。

结论

在引线接合之前PCB基板的等离子清洁已证明在引线接合抗拉强度上重大增加，这是与未进行等离子清洁的PCB基板比较的。可是，该技术的成功应用要求不仅对PCB基板材料的理解，而且对关键等离子工艺参数的理解。工艺气体、压力、等离子功率和工艺时间必须认真选择。没有适当的优化，就不可能完全实现等离子清洁的优势。