О влиянии плазменной обработки поверхности на качество электронных модулей

Если в производственном процессе (крупносерийном или мелкосерийном) существует операция присоединения выводов технологией ультразвуковой микросварки, то основными параметрами данной операции являются прочность соединения и его повторяемость. Необходимо, чтобы средняя величина прочности соединения на отрыв и на сдвиг соответствовала эталонным значениям, а ее отклонение от среднего значения находилось в допустимом диапазоне.
Прочность соединения и его повторяемость напрямую зависят от типа (материала) поверхности и проводника, диаметра привариваемого проводника, выбранных режимов сварки и чистоты поверхности. О последнем параметре производители нередко забывают или относят его к менее важным. Однако в реальности наличие загрязнений поверхности или включений некоторых материалов напрямую влияет как на прочность сварного соединения, так и на повторяемость его от сварки к сварке, от модуля к модулю. На поверхности контактных площадок часто остаются различные включения и загрязнения, а также следы органических материалов (остатки фоторезиста, жиры и масла).
На рисунке 1 показан часто возникающий из-за наличия загрязнений дефект — отслоение приваренного контактного вывода типа «шарик», еще чаще такую ситуацию можно наблюдать в соединении типа «клин», т.к. там площадь контакта меньше. Из-за наличия включений и загрязнений сварка может не произойти, что создаст проблемы на автоматизированной линии сборки.
Если в устройствах используются золотые контактные площадки, то (помимо наличия на них загрязнений и органики) сложности в ультразвуковой сварке довольно часто возникают из-за миграции подслоя никеля через тонкий слой золота. Таким образом, на поверхности появляются островки никеля, которые или препятствуют, или вовсе исключают возможность сварочного соединения, или же ведут к его вырождению.

Рис. 1. Отслоение контактного вывода

Проблема вырождения уже образованного сварного соединения напрямую связана с чистотой контактных площадок. Так, например, наличие газовых включений в приповерхностном слое (чаще всего пустот или соединений фтора) приводит к вырождению и разрушению соединения со временем и к более быстрым поломкам при наличии термических напряжений.
Еще одной важной проблемой микросварки являются поверхности из материалов, легко окисляемых на воздухе (алюминий и медь). Окислы не дают образовываться прочному сварному соединению или сварке вообще. Чтобы избежать этих проблем и повысить качество, надежность и повторяемость сварных соединений, рекомендуется использовать плазменную обработку поверхностей перед началом создания проволочных выводов. Плазменная обработка проводит чистку и модификацию поверхности, что позволяет вносить локальные изменения в свойства обрабатываемой поверхности (гидрофильность, адгезионные характеристики, химический состав и т.д.) при сохранении неизменными объемных свойств. Основными плазмообразующими средами в данном случае служат Ar, O₂, NO, NH₃, их смеси и воздух.
Наиболее часто для решения названных проблем используют плазменную обработку в среде Ar, O₂ и их смеси. Обработка поверхности в плазме чистого кислорода или воздуха приводит к удалению органических материалов (остатков фоторезиста, жиров и масел). Однако необходимо помнить, что обработка поверхностей, активных по отношению к кислороду, может привести к их деструктуризации и разрушению. К таким поверхностям относятся незащищенные медь, серебро и алюминий, легко окисляющиеся на воздухе и с катастрофической скоростью разрушающиеся в плазме кислорода. Обработка в плазме аргона позволяет удалить с поверхности крупные загрязнения и повысить ее шероховатость, что повышает качество образуемого интерметаллического соединения при ультразвуковой сварке. Но почти для всех материалов имеет смысл использовать смесь аргона и кислорода. При правильно подобранном составе смеси плазменную обработку на её основе можно использовать и для коррозионно-активных материалов. В этом случае происходит частичное стравливание поверхности и еще большее повышение её шероховатости (см. рис. 2), не говоря об очистке, что положительно влияет на сварное соединение, в частности, соединение типа «шарик».

Рис. 2. Образование интерметаллического соединения «золото-алюминий» после обработки кристалла в плазме Ar/O2 (90%/10%)

На рисунке 2 показан результат плазменной обработки алюминиевой контактной площадки перед созданием проволочного соединения, что приводит к повышению качества ультразвуковой приварки шариковых выводов. При плазменной обработке деформируется слой алюминия, окисный слой повреждается, повышается шероховатость поверхности, и в данном месте образуется интерметаллическое соединение алюминия с золотом. Полученное соединение отличается повышенным усилием на сдвиг или отрыв.
В результате предварительной плазменной обработки удается:
– исключить неприварку или подъем сварного соединения;
– увеличить минимальное значение прочности сварного соединения: меньше слабых сварок;
– повысить среднее значение прочности сварки;
– уменьшить параметры сварки (обычно задаваемая мощность ультразвукового воздействия на 10% меньше без ухудшения качества сварки, что более характерно для сварки методом «клин»);
– повышение надежности сварки.
Например, на QFN-кристалле (см. рис. 3), посаженном на серебропроводящий клей, необходимо было разварить 32 вывода 25 мкм проволокой на контактную площадку (контактная площадка представляет собой слой Ni/Pd/Au на медной основе). Ниже приведены данные испытаний усилия на отрыв проволочных соединений с кристалла без плазменной обработки и после обработки плазмой Ar/O₂ (90%/10%) в установке AP1000 компании March Plasma (см. рис. 4). Так, без предварительной плазменной обработки среднее значение усилия на отрыв составляет 3,89 гр, а после плазменной обработки среднее усилие составило 10,00 гр.

Рис. 3. Пример создания выводов для QFN-кристалла на рамке

Рис. 4. Зависимость прочности сварного соединения при тесте на отрыв без плазменной обработки и после нее

Другим примером может служить предварительная плазменная обработка светодиодных модулей, осуществляемая на одном из российских предприятий, перед созданием выводных соединений с кристалла на контактную площадку. Поскольку контактные площадки выполнены из меди, покрытой слоем серебра, использовать плазменную очистку кислородом не представляется возможным. Основной упор делается на плазменную очистку в аргоне. Довольно перспективной является очистка в смеси плазмы аргона с добавлением кислорода. Результаты измерения проверки прочности сварки на отрыв и на сдвиг показаны в таблице 1. Плазменная обработка проводилась на оборудовании Flex-Trak-CD фирмы March Plasma в течение трех минут при мощности ВЧ-сигнала в 250 Вт и рабочем давлении 210 мТорр.

Создание проволочных выводов не является единственно важной проблемой в процессе производства электронного модуля. Проблемой является также нанесение адгезива на микросхему перед посадкой кристалла, нанесение его вокруг «перевернутого» кристалла (flip-chip) или нанесение заливочного компаунда, будь то герметизация корпусов или нанесение люминофора на сборку светодиода перед последующим созданием оптической линзы. Адгезивы и заливочные компаунды характеризуются вязкостью и сцепляемостью с поверхностью. В зависимости от типа и качества поверхности растекание и заполнение адгезивов и компаундов будет различным.
Самым простым и часто используемым является нанесение капли проводящего клея на контактную поверхность (см. рис. 5), на которую затем размещается кристалл. В этом случае часто можно наблюдать, как клей не растекается по предложенному ему объему (окно под кристалл), а застывает каплей, и после установки кристалла происходит неравномерное растекание под ним клея. После проведения цикла отверждения клей отслаивается от соединяемых поверхностей (см. рис. 6) или растрескивается (см. рис. 7).

Рис. 5. Нанесение адгезива на контактную поверхность

Рис. 6. Отслоение клея от склеиваемых поверхностей

Рис. 7. Растрескивание клея

Более сложным в исполнении является заполнение адгезивом пространства под «перевернутым» кристаллом (см. рис. 8). В этом случае часто возникают проблемы, связанные с неравномерностью высоты заливки, что приводит к повреждению интегральной схемы, или же возникают проблемы, связанные с образованием большого количества пустот и воздушных пузырей из-за плохого затекания под кристалл.
Основным и наиболее важным результатом плазменной обработки является увеличение степени смачивания поверхности. Степень смачивания определяется углом смачивания — чем он больше, тем меньше степень смачивания данной поверхности.

Рис. 8. Пример заполнения адгезивом пространства под кристаллом типа flip-chip

Угол смачивания (или краевой угол смачивания) — это угол, образованный касательными плоскостями к межфазным поверхностям, ограничивающим смачивающую жидкость, а вершина угла лежит на линии раздела трёх фаз. Угол измеряется методом лежащей капли. Чем меньше угол смачивания, тем лучше растекается адгезив по поверхности.
Проблемы растрескивания и отслоения отвержденного компаунда, неравномерность высоты заливки и наличие пустот и воздуха в затекшем компаунде связаны с плохим смачиванием поверхности. Предварительная обработка в плазме Ar/O₂ (90%/10%) очищает и повышает энергию поверхности. В этом случае увеличивается степень смачивания и происходит более качественное сцепление адгезива с обработанными поверхностями и его затекание в зазоры, что уменьшает тенденцию к отслоению. Плазма очищает и химически активирует поверхность, это приводит к уменьшению пустот и лучшей заливке в среднем на 4%. Время затекания адгезива под кристалл без плазменной обработки составляет 40 с, а после плазменной обработки — около 13 с. Заполнение адгезивом с боков и затекание под кристалл получается более однородным. Высота заливки адгезивом без предварительной плазменной обработки составляет менее 5% от высоты кристалла, а после плазменной обработки — более 40%, и она одинакова по всей обработанной поверхности.
Плазменная обработка поверхностей, контактирующих с адгезивом, увеличивает степень их смачивания. Поверхность от гидрофобного состояния переходит к гидрофильному, повышается ее энергия, уменьшается угол смачивания и увеличивается сила контакта. Высокая степень смачивания очень важна на многих этапах производства электронных устройств. На рисунке 9 представлены результаты статистических испытаний измерения угла смачивания серебросодержащего клея для разных типоразмеров кристаллов в зависимости от времени обработки в плазме Ar/O₂ (90%/10%), при мощности ВЧ-сигнала в 250 Вт и давлении в 200 мТорр. На рисунке видно, что плазменная обработка всех типов кристаллов в течение шести минут увеличивает угол смачивания в разы.

Рис. 9. Зависимость угла смачивания от времени плазменной обработки для разных типов кристаллов

Образование свободных радикалов на поверхности благодаря обработке с помощью плазмы кислорода приводит к формированию химически активного поверхностного слоя. Образование поперечных связей — «сшивок» — происходит за счет обработки в плазме аргона, гелия или водорода. Обработка для образования свободных радикалов или «сшивок» занимает около 1—5 мин. Активация поверхности положительно влияет на прочность соединения, а поперечные связи позволяют решить проблему ухудшения пластичности и увеличения хрупкости светодиодного модуля. Ухудшение пластичности изделия связано с диффузией и последующим испарением пластификатора, входящего в состав кремнийорганического материала. Испарение пластификатора можно существенно уменьшить, если создать между цепями макромолекул поперечные связи, «сшивки», или, как говорят, «зашить полимер». Причем такое «зашивание» должно происходить только с поверхности для того, чтобы сохранить объемные свойства материала. Концентрация сшивок растет пропорционально времени плазменного воздействия, а глубина сшитого слоя зависит от параметров разряда.
Чистота поверхности жизненно важна и для хорошей адгезии тонких пленочных покрытий или мягкого припоя. Перед началом дальнейшей эксплуатации поверхность должна быть очищена от всех загрязнений (влаги, органики, кислорода, серы, хлора, фосфора и фтора). Загрязнение поверхности может влиять на адгезию во многих её аспектах. Оно снижает степень смачивания и может помешать растечься припою. Загрязнения могут привести к расслоению материала и началу пузырения припоя (эффекту попкорна) во время процесса оплавления, а также к образованию перемычек между контактами (см. рис. 10). Остаточные загрязнения ведут к коррозии и повышению термических и электрических напряжений готового прибора.
Довольно часто имеет место низкое качество заполнения кремнийорганическими материалами и последующее создание силиконовой линзы при производстве светодиодов (см. рис. 11). Если после проведения этой операции наблюдается отслоение заполненного материала от корпуса, уменьшение пластичности или увеличение со временем хрупкости изделия, то это говорит о недостаточной предварительной подготовке поверхности.

Рис. 10. Образование перемычки вследствие пузырения припоя (неравномерное растекание говорит о плохой адгезии)

Рис. 11. Структура светодиода

Все рассмотренные в статье проблемы решаются при проведении предварительной плазменной обработки поверхностей перед операциями. Для решения этих проблем предназначено оборудование компании March Plasma — высокопроизводительная полуавтоматическая система плазменной обработки AP1000 или автоматическая система плазменной обработки Flex-Trak CD (см. рис. 12).

Рис. 12. Установки плазменной обработки AP1000 и Flex-Trak-CD компании March Plasma

В статье было рассказано о преимуществах предварительной плазменной обработки поверхности, которая увеличивает прочность выводных соединений и исключает нарушения целостности сварного соединения при ультразвуковой сварке. Благодаря плазменной обработке поверхности повышается надежность, увеличивается степень смачивания и прочность контакта компонентов, соединяемых посредством адгезивов, и продлевается время жизни выпускаемых приборов.