射频等离子体工艺、气体化学和电极结构对铜引线框氧化去除的影响

丹尼尔·奇尔、杜johnson Toh著

引线框表面氧化可导致成型后表面分层或线粘接问题。应用等离子体治疗已被证明是安全有效的解决这些问题的方法。然而，等离子体处理去除氧化物的有效性取决于配方参数、气体化学和电极配置的正确使用。

本文对铜引线框架进行了接触角测量、高倍光学检测和SEM-EDX等分析技术，以评估使用不同等离子气体化学和电极配置的影响。由此得出，Ar/H的使用₂对铜引线框架的氧化去除效果优于氩气化学。另一个结论是，铜引线框放置在地电极上比放置在动力电极上具有更高的氧化去除率。

简介

由于铜合金具有良好的热电性能、可制造性和低成本，是集成电路封装的主要衬底材料。但是，它与大气中的氧气具有非常高的亲和力，在组装过程中会引起氧化。在需要加热的制造过程中，铜表面氧化的风险增加，特别是在电线粘合步骤[1]中。在模后固化[2][3]期间，氧化会导致模具和金属表面之间的分层或粘结问题的可能性更高。最优的等离子体结构被用于去除铜表面的氧化物，可以将表面能量提高到原始值[4]的84%。将待处理的产品放置在接地电极上比放置在有动力电极上进行更各向同性的处理，后者提供了更各向异性的处理。与在地电极[5]上处理相比，使用动力电极会产生更高的表面温度，且处理均匀性较差。

在射频能量使工艺气体电离的过程中形成了包括离子、电子、自由基和光子在内的活性等离子体。离子会与目标表面发生物理碰撞，打破化学键并在溅射过程中释放表面材料。H₂等离子体中形成的自由基是一种良好的还原剂，能与氧化表面的氧原子反应生成水蒸气。它是一种有用的工艺气体，用于去除金属表面的氧化物。

方法

材料:测试了两种商用铜合金引线框架(裸铜和粗铜)。引线框架被暴露在模拟模具连接、胶水固化和线粘接步骤的温度下，然后被送往等离子体处理。这样做是为了模拟引线框架在典型的组装过程中会遇到的氧化。

等离子体设备:诺信MARCH等离子体系统使用13.56 MHz射频产生等离子体。这个设备有个H₂安全套件，允许使用高达100% H₂气体流量，但对本次评估预混合气体的95% Ar和5% H₂(Ar /小时₂)。带材直接放置在电极上，其结构被称为OTE (on - on - electrode)。这种结构被证明可以提供更好的均匀性，并将等离子体能量集中在引线框架的顶部表面，因为引线框架的背面平放在电极底座上，不暴露在等离子体中。采用600W射频功率、180s等离子体时间的工艺参数进行评价。变量是不同的电极结构和气体化学。

分析方法:采用SEM-EDX和接触角测角仪两种设备对铜引线框架表面进行分析。利用SEM-EDX分析了样品表面氧化物浓度，用测角仪分析了润湿性和表面能。

结果

接触角

• 粗铜比裸铜引线框架具有更高的CA
• 等离子体处理后表面CA读数较低
• Ar等离子体的CA比Ar/H高₂等离子体
• 如果使用Ar/H2化学材料，材料放在电源电极或地电极上，则没有显着差异

不同结构和材料的接触角结果。

SEM-EDX

• 等离子体处理后粗铜引线框架表面氧浓度高于裸铜引线框架
• 基于“增大化现实”技术/小时₂在通电电极上处理引线框时，等离子体的氧浓度比氩等离子体低
• Ar/H的使用₂在地面电极上检测到表面氧气浓度最低
• 根据该结果分析，CA结果与表面氧化层厚度没有直接关系

铜引线框的SEM-EDX结果。

等离子体处理前后裸铜引线架外观。

高倍镜用于等离子体处理后的裸铜引线框架。

等离子体处理后粗糙的铜引线框外观。

等离子体处理后粗铜引线框架的高倍镜。

预等离子体处理后的引线框在不同的工艺步骤中经过热暴露后出现变色现象。在功率电极上用Ar和用Ar/H处理的样品仍有变色现象₂在一个有动力的电极设置。经Ar/H处理后，引线框架未见变色现象₂对地电极设置。

等离子体处理后的粗铜引线框架外观与处理后的裸铜引线框架有不同的变色。这可能是粗铜上的氧化层比裸铜引线框架厚的结果。在两种引线框架上，随着氧化层厚度的降低，变色强度都有降低的趋势。与用Ar/H处理过的裸铜引线框架相比，粗铜引线框架上留下了更多的变色₂在接地电极上。需要进一步优化配方，以去除剩余的氧化物，并获得较低的表面变色。

为什么要用Ar/H₂地电极在去除表面氧化物方面效果更好吗?

• H₂等离子体可以降低Cu2O的活化能(从114.53 kJ mol-1降低到75.64 kJ mol-1)₂H₂
• 吸附H的可能性较大₂在铜表面形成自由基，促进与氧原子反应生成H₂O，然后H的解吸₂O是易挥发的副产物。
• 各向异性反应不利于氧化的去除。

结论

综上所述，H₂而放置在接地电极上可以提高铜表面氧化物的去除率。根据本研究得到的结果，它产生了最低的接触角，最有效的去除变色和最低的表面氧化物浓度。这是由于当H₂自由基在血浆中形成。相比之下，在离子溅射占主导地位的动力电极上的物理过程中，氧化物的去除效果较差。

从这份报告中得出的关键结论是，正确的气体化学和合适的电极配置对于获得最佳等离子体工艺至关重要，这需要更短的工艺时间，并降低过度处理或热相关问题的风险。从制造的角度来看，这会导致更高的生产吞吐量和更好的产量。

参考文献

1. C.-L。壮族,J.-N。Aoh和r.f。丁志伟，“热超声键合过程中铜衬垫的氧化及其对Au/Cu键合质量的影响”，微电子可靠性，vol . 46(2-4)， pp. 449-458, 2006。
2. C. T. Clhong, A. Leslie, E. Len和L. ' Thiam，“铜引线框氧化效应的研究”，1995年第45届电子元件与技术会议论文集，1995。
3. M.-F。舒、陈凯、杨波、刘伟、杨永华。Tseng，“改善QFN封装分层的引线框架铜氧化效应”，会议:2016年第六届电子系统集成技术会议(ESTC)， 2016。
4. 黄俊浩，“等离子体表面物理和化学清洗效果的比较分析”，2013第15届电子封装技术会议，2013
5. J. Getty, L. Wood和C. Nordson，“提高钢丝键合强度的关键等离子体处理参数”，2016年。
6. K. C. Sabat, R. K. Paramguru和B. K. Mishra，“低温还原氧化铜”氢等离子体。《等离子体化学与物理学报》，2016。

Johnson Toh是Nordson MARCH射频等离子体的高级应用主管。