Влияние плазменной обработки позолоченных корпусов полупроводниковых изделий на прочность сварных соединений

УДК 621.3.049

ВЛИЯНИЕ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ ПОЗОЛОЧЕННЫХ КОРПУСОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ НА ПРОЧНОСТЬ СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

А.А. Стоянов, В.В. Побединский, Л.Н. Владимирова, Н.В. Рогозин, С.И. Рембеза

Рассмотрены процесс плазменной обработки в среде инертного газа (Ar) позолоченных металлокерамических корпусов интегральных микросхем (ИМС) и его влияние на чистоту обрабатываемой поверхности, а также на прочность внутренних сварных соединений

Ключевые слова: плазменная обработка, металлокерамические корпуса ИМС, анализ состояния поверхности, прочность соединений

Введение. В производстве микросхем в настоящее время широко используются плазменные технологии, в основе которых лежат процессы, происходящие в низкотемпературной неравновесной плазме. Данные процессы используются для очистки и активации поверхности подложек, травления рабочих слоев различной природы, удаления резиста. Применение плазменных технологий позволяет повысить производительность труда, дает возможность автоматизировать

производство микросхем. Хотя физические процессы, происходящие в плазме и при ее воздействии на поверхности подложек, до конца не исследованы, обработка в плазме весьма перспективна на различных этапах изготовления изделий электронной техники [1].

Качество сборочных операций в производстве полупроводниковых изделий (ППИ) существенно зависит от подготовки поверхности металла корпуса, заключающееся в получении микрорельефа с малой высотой микронеровностей. Установлено, что структура и морфология поверхности исходного металла и его покрытия претерпевают существенные изменения на разных технологических операциях изготовления корпуса ППИ.

Формирование надежных контактов к позолоченным корпусам осуществляется соответствующей их подготовкой к сборочным операциям. Установлено [2] влияние обработки золотых пленок корпусов ППИ лазерным

Стоянов Андрей Анатольевич - ВГТУ, аспирант, тел. 89081349269

Побединский Виталий Владимирович - НИИЭТ, инженер - технолог, тел. 89204043431

Владимирова Людмила Николаевна - ВГУ, канд. хим. наук, доцент, тел. 89204638013

Рогозин Никита Владимирович - НИИЭТ, инженер -технолог I категории, тел. 89507592155 Рембеза Станислав Иванович - ВГТУ, д-р физ.-мат. наук, профессор, тел. 2437695

излучением неодимового оптического квантового генератора (ОКГ) на механическую прочность и воспроизводимость микросварных соединений, выполненных ультразвуковой (УЗ) микросваркой алюминиевой проволокой. Повышение качества микросварных соединений происходит за счет десорбции органических загрязнений и естественной оксидации пленки с поверхности золотого покрытия. Оптимальная мощность лазерной обработки золотых пленок позволяет существенно стабилизировать процесс микросварки и улучшить параметры соединений алюминиевой проволоки с позолоченной траверсой корпуса.

Органические загрязнения и естественные оксидные пленки на поверхности соединяемых деталей как при пайке, так и при сварке влияют на процесс образования и развития физического контакта в зоне соединения.

Одним из методов подготовки позолоченных деталей к сборочным операциям является комплексное воздействие

ультрафиолетового (УФ) излучения с плотностью потока 1,2 • 10-2 Вт/см2 на длине волны 0,2537 мкм и озона (расход кислорода -0,8 л/мин) на поверхность золотых пленок. При облучении УФ излучением и озоном золотых пленок в течение 6 часов толщина поверхностных органических пленок уменьшается [3].

Целью работы является анализ влияния плазменной обработки позолоченного корпуса типа H16.48 - 2B на прочность микросварных соединений с алюминиевой проволкой. Плазменная обработка проводилась на производственной ВЧ-установке Nordson March АР-1000 в реакционно-разрядной камере с диодной системой возбуждения разряда. Источником питания служил ВЧ-генератор с рабочей частотой 13,56 МГц. В качестве

плазмообразующего газа применяли аргон (Ar) (рабочее давление 20 Па; мощность ВЧ 500 Вт).

Экспериментальные исследования

В соответствии с поставленной целью были выполнены несколько серий экспериментов:

1) Плазменная обработка позолоченных металлокерамических корпусов в указанном выше режиме и с использованием в качестве технологического газа (Ar) .

2) Анализ состояния поверхности траверс до и после плазменных обработок.

В процессе проведения экспериментов исследовали состояние поверхности корпусов и траверсов как до плазменной обработки в среде (Ar) так и после нее. Образцы были исследованы с помощью энергодисперсионного анализа на растровом электронном микроскопе Jeol JSM 6610A, «принцип работы которого основан на возбуждении характеристического

рентгеновского излучения атомов элементов, содержащихся в анализируемом образце, и регистрации вторичного флюоресцентного излучения полупроводниковым детектором

[4]».

Используя ZAF Method Standardless Quantitative Analysis были автоматически идентифицированы спектральные линии, соответствующие содержащимся в образце элементам (рис. 1 и 2), и определялись интенсивности этих линий [4], которые пропорциональны концентрации элементов (табл. 1).

ИМС может быть обусловлено загрязнением поверхности при их хранении.

я g

s

s ?

M с s < s s

С

Liii

Fitting Coefficient : 0.8663

Element (keV) Mass% Error% Atom% Mass%

Au M 2.121 97.57 2.77 70.99 98.0350

C K* 0.277 2.43 0.23 29.01 1.9650 Total 100.00 100.00

Рис. 1. Элементный состав поверхности позолоченных траверс корпуса до плазменной обработки в аргоне

Анализу подвергались контактные площадки металлокерамических корпусов. Наличие углерода на позолоченных корпусах

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00 10.00 keV

Fitting Coefficient : 0.8491

Element (keV) Mass% Error% Atom% Mass% Au M 2.121 100.00 3.18 100.00 100.0000 Total 100.00 100.00

Рис. 2. Элементный состав поверхности позолоченных траверс корпуса после плазменной обработки в аргоне

Таблица 1 Результаты энерго-дисперсионного анализа

Содержание элементов, %

Траверсы

позолоченного

металло- Au C

керамического

корпуса

до обработки 97,57 2,43

после

плазменной 100 0

обработки

Кроме удаления углерода с поверхности корпуса, увеличение прочности сварных соединений стало возможным во многом благодаря модификации обрабатываемой поверхности. С помощью атомно - силовой микроскопии был проведен анализ поверхности металлокерамического корпуса.

Анализ проводился на сканирующем зондовом микроскопе Solver P47H с использованием композитного кантилевера марки HA_NC ETALON с резонансной частотой 140 Гц и постоянной силой 3.5 Н/м. С помощью зондового микроскопа с точностью до долей нм, зафиксировали изменение особенностей рельефа, до и после плазменной обработки.

В табл. 2 показаны основные параметры шероховатости поверхности, как

обработанного, так и исходного образца. Статистические параметры, вычисленные из исходной дискретной функции - 2=2ХьУ1), где заданная на плоскости ХУ, Ыу - число точек по осям X, У. Площадь сканирования 5х5 мкм2.

Таблица 2 Основные параметры шероховатости поверхности

Коэффициент асимметрии для обработанного образца имеет положительную асимметрию распределения, что характеризует впадины на поверхности образца, в отличие от исходного, который имеет отрицательную асимметрию распределения, характерной особенностью которой являются пики на исследуемой поверхности.

Влияние плазменной обработки на прочность соединений А1 - Аи. От состояния приповерхностных слоев корпуса - на что решающее воздействие оказывает плазменная обработка - зависит во многом прочность формируемых на таких поверхностях сварных соединений.

Присоединение алюминиевой проволоки диаметром 35 мкм к позолоченным корпусам проводили на установке ультразвуковой сварки марки Н&К BJ - 820 методом «клин - клин» (внахлестку) инструментом фирмы SPT. Режимы микросварки «проволока - покрытие»

выбраны опытным путем, исходя из максимальной прочности соединений: время 20 мс; давление инструмента 35 сН; мощность 32 единицы по шкале генератора установки УЗС. На данных режимах было разварено 30 соединений и проведена оценка их прочности на установке контроля Dage 4000 PXY с картриджем ^Р - 100).

Полученные данные для корпуса Н16.48 - 2В представлены в табл. 3. Сравнительные данные по прочности сварных соединений до и после плазменной обработки свидетельствуют о возрастании абсолютной величины максимальной прочности соединений после плазменной обработки исследуемых корпусов.

Таблица 3 Максимальная прочность сварных соединений

Условное № Максимальная

обозначение п/п прочность

корпуса соединения, сН

до после

обработки обработ ки

1 12,3 14,5

2 12,7 14,8

3 11,9 14,4

4 12,1 14,7

5 11,8 14,5

H16.48 - 2B 6 12,5 14,2

7 12,0 13,8

8 12,8 14,6

9 12,1 14,5

10 12,6 14,7

Среднее ~ 12,3 ~ 14,5

значение

Таким образом, анализируя полученные спектральные характеристики, можно сделать вывод о том, что процесс плазменной обработки металлокерамического корпуса способствует удалению с поверхности корпуса углерода, а это приводит к повышению степени чистоты этой поверхности. Плазменная обработка поверхности корпусов в среде аргона повышает максимальную прочность

алюминиевых проволочных выводов с позолоченной контактной площадкой корпуса ~ на 18 %.

Заключение. На основе анализа полученных результатов можно сделать следующие основные выводы:

1. В процессе плазменной обработки

Параметры Исходный Обрабо-

поверхности образец танный образец

Размах высот, нм 621,876 416,469

Ten point height (шероховатость

поверхности по выбранным пяти 309,894 204,85

максимальным

высотам и

впадинам), нм

Средняя арифметическая 64,4935 51,7091

шероховатость, нм

Средняя квадратичная 82,7937 63,487

шероховатость, нм

Коэффициент асимметрии, нм -0,253438 0,159987

позолоченного металлокерамического корпуса в среде аргона с его поверхности удаляется углерод, что способствует повышению степени чистоты этой поверхности.

2. Плазменная обработка поверхности позолоченных корпусов ИМС в среде (Аг) повышает максимальную прочность

алюминиевых проволочных выводов с позолоченной контактной площадкой корпуса ~ на 18 % вследствие улучшения адгезионных характеристик модифицированной плазмой поверхности.

Литература

1. Нономура, М. Технология обработки поверхностей плазмой для установки корпусов флип - чип

[Текст] / М. Нономура // Компоненты и технологии. -2008. - № 12. - с. 148 - 152.

2. Мужиченко, О.Г. Влияние лазерной обработки тонких пленок на качество ультразвуковой микросварки [Текст] / О.Г. Мужиченко, В.М. Колешко, А.И. Дударчик //Электронная техника. Сер.7. Технология, организация производства и оборудование. - 1982. - Вып. 6. - с. 3 - 5.

3. Мужиченко, О.Г. Влияние ультрафиолетового облучения тонких пленок на качество ультразвуковой микросварки [Текст] / О.Г. Мужиченко, В.М. Колешко, А.И. Дударчик //Электронная техника. Сер.7. Технология, организация производства и оборудование. - 1987. - Вып. 2. - с. 56 - 59.

4. Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis [Text] / Сканирующая электронная микроскопия / Goldstein J./Голдстейн Дж. / Kluwer Academic/Plenum Publishers., 2003. - 361 с.

Воронежский государственный технический университет

ОАО «Научно-исследовательский институт электронной техники», г. Воронеж Воронежский государственный университет

PLASMA TREATMENT INFLUENCE ON RELIABILITY OF WIRE BONDS IN GOLDEN

PLATED MICROELECTRONIC DEVICES

A.A. Stoyanov, V.V. Pobedinsky, L.N. Vladimirova, N.V. Rogozin, S.I. Rembeza

It is shown plasma treatment process of golden plated integrated circuit (IC) packages in inert gas atmosphere (Ar) and its influence on reliability of wire bonds and processing surface purity

Key words: plasma treatment, metal - ceramic IC packages, surface condition analysis, reliability of wire bonds