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干冰表面处理技术在系统级封装的应用-行业动态

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-11-28 5:15:59 * 浏览: 67

随着电子封装短小轻薄的发展,系统级封装 (System-in-Package,SiP)作为一种将封装体小型化、 多功能化的解决方案得到迅速发展。但是随着 SiP 体 积的缩小及工作频率的升高,芯片对外界环境的电磁 干扰变得越来越敏感,严重时影响芯片的正常功能, 为了保护封装体电路的正常工作,目前多采用电磁屏 蔽镀层技术以形成法拉第笼[1—2]。影响电磁屏蔽性能 的主要因素有屏蔽表面的连续导电性和不能有直接 穿透屏蔽体的导体,而电磁屏蔽镀层的附着力和完整 性是保证屏蔽效果的前提条件[3],溅渡屏蔽层前的表 面质量对镀层的结合力有很大的影响。封装体在切割 分离过程中,基板 PCB 中的 Cu 金属受到能量激发后 蒸发为气体,Cu 废气沿切割沟槽排出时,一部分 Cu 不可避免地附着于封装侧壁表面,难以通过擦拭、清 洗等外力去除,Cu 颗粒嵌在材料表面分子结构中使 其粗糙度变小,减小了屏蔽层与封装体的结合面积, 从而使屏蔽层结合力降低,严重时可引起镀层脱落, 造成电磁屏蔽功能失效。所以改善切割分离后封装体 的表面质量是提高屏蔽膜可靠性的关键。 目前半导体封装领域常用的镀层前处理方式为 热化学粗化抛光、去离子水清洗及等离子体抛光 等[4—6]。热化学粗化抛光的温度较高,易腐蚀产品, 处理后表面残留化学物质[7—9]。去离子水清洗清洁效 率较低,水资源浪费严重,且只能去除表面粉尘杂质, 对切割分离过程中产生的 Cu 杂质无明显去除能力。 等离子抛光投入成本高,且无法选择作用面。本文提 出一种适用于半导体封装体表面处理的新型方法,即 干冰处理技术。早在 1945 年,美国就已着手研究 CO2 的综合利用,但是至今干冰处理技术的应用只局限于 一些较大尺寸、精度要求不高的工业领域,例如在食 品、机械工业、农业温室种植及汽车、航天等大型制 造业中,干冰处理技术均已发挥着巨大的应用价 值[10—12],而在微小化、高精度且对表面有更高要求 的半导体封装领域的应用研究鲜有研究报道。 表 1 列出了干冰处理方法与传统去离子水清洗 方法的比较,可以看出干冰处理技术在杂质去除效 力、清洁效率、应用领域以及成本方面具有明显的优 势,但是如何将干冰清洗技术应用于半导体表面处理 领域是工业发展的一大机遇。 本文首次将干冰处理技术应用于半导体封装领 域,通过表面粗糙度、杂质 Cu 残留量对其表面质量 进行评估,研究了干冰处理对封装体表面 Cu 杂质的 去除机理,以及干冰喷射的关键参数(喷射压力、入 射角度、作用速度)对样品侧壁表面质量的影响规律。 通过对比干冰处理与传统等离子水处理后的表面形 貌状态及电磁屏蔽膜的等级,进一步验证了干冰技术 应用于半导体封装表面处理的适用性,具有很大的实 际研究价值。

1 实验 1.1 设备和材料 试验使用的干冰产生设备为,喷射速度 范围为 0~160 mm/s,喷射压力范围为 0~0.6 MPa,喷 射角度范围为 0~90。图 1 为本实验样品的侧面示 意图,塑封体样品通过真空吸附固定不动,由于封 装体的切割分离过程只对其侧壁表面喷附杂质,上 表面基本不受影响,所以设定封装体侧壁表面为干 冰作用面,干冰喷嘴与封装体呈一定角度按照给定 速度和路径喷射干冰。

实验用封装体塑封料的主要添加剂为二氧化硅, 质量分数为 80%,二氧化硅颗粒大小约为 25 m。整 个封装体中,环氧树脂的厚度为 825 m。 样品印制电路板 PCB 中包含 8 层 Cu 布线,PCB 整体厚度为 0.32 mm,每层铜厚度为 0.02 mm。 本实验所用的系统级封装体均采用相同的切割 条件进行分离,保证干冰处理前封装体表面原始状态 相同。 使用 Keyence VR 2000 进行封装体表面粗糙度测 量,同时使用 Horiba EMAX 进行 EDX 成分分析以探 究杂质去除情况。

1.2 干冰处理切割侧壁试验 塑封环氧树脂、印刷电路板(PCB)铜层之间的 填充材料都不含 Cu,但是在切割分离过程中会产生 含 Cu 杂质粘附到切割侧壁表面,所以实验以 Cu 含 量代表粘附到切割侧壁的杂质含量。封装体在切割 时,PCB 的阻焊层会存在微小裂纹,阻焊层受到外力 冲击后有沿微裂纹方向裂开破损的风险,因此本实验 在研究干冰对封装体侧壁表面杂质去除能力的同时, 也要考虑对阻焊层的影响。阻焊层的破损程度与单位 时间到达表面的干冰数量有关,影响干冰处理综合效 果的关键参数有喷射角度、清洁速度和喷射压力[13—15]。 为了探究干冰处理对杂质去除量和阻焊层破损 影响的规律,并获得最优的处理效果,实验采用单一变量法验证:每组试验样本量为 5 件,分别对喷射压 力、喷射角度和清洗速度进行分析。喷射压力主要影 响作用到侧壁上的干冰的速度和数量,保证其余参数 不变的情况下,改变喷射压力为 0.1、0.2、0.3、0.4、 0.5 MPa,对相同初始状态的侧壁表面进行处理;干 冰作用速度代表了干冰喷嘴单位时间移动的距离,主 要影响单位时间内作用在切割侧壁干冰数量,将移动 速度(10~100 mm/s)分 10 组;喷射角度会影响干冰 作用侧壁冲击力的方向与大小,将喷射角度(10~ 90)分 9 组进行试验。对每组实验样品干冰处理后 的表面杂质含量和粗糙度进行测量,并统计阻焊层破 损的数量,通过 SEM 形貌分析各参数对表面处理的 作用机理。 1.3 清洁侧壁电磁屏蔽膜质量检测 实验主要采用胶带粘贴法测定镀层与环氧树脂 表面的结合力,参照 ASTM D 3359— 78 中的划痕粘 贴测试法,并结合工件侧壁表面尺寸较小,只用压敏 胶带进行粘贴试验,通过计算粘掉的镀层面积比例来 判断结合力等级。结合力等级共有 6 级,5B 为, 4B 以下不合格[16]。

2 结果与分析 2.1 清洁前产品切割侧壁状态 本实验样品所采用的分离方式为激光切割,激光 在切割封装体时,激光产生瞬间的高温将环氧树脂和 PCB 材料气化形成切割沟槽,PCB 中主要的金属元 素 Cu 在切割过程中气化为 Cu 蒸气并喷溅到样品侧 壁面上,经过溅渡屏蔽层工艺受到高温作用后又极易 脱落,并且 Cu 杂质颗粒镶嵌到塑封料的表面结构空 隙中,降低了切割侧壁的粗糙度。 切割分离后的封装体侧壁上,塑封料和 PCB 区 域的粗糙度 Ra 分别为 7.92 m 和 8.93 m。经 EDX 检测,塑封料区域和 PCB 区域的初始 Cu 杂质含量(质 量分数)分别为 1.22%和 30%,如图 2 所示。

2.2 干冰喷射压力对表面质量的影响 干冰处理技术原理为:通过压缩空气的流动,加 速干冰颗粒以高速撞击材料表面杂质,杂质因为突然 降温而脆化,同时温度极低的干冰气体进入出现裂缝 的杂质层内部,干冰因升华使体积迅速膨胀,并将破 碎的污染物从物体表面带走。 喷射压力是通过影响干冰爆破力和材料受到的 瞬间冲击力对材料表面处理效果产生重要影响,喷射 压力越大,材料表面单位面积受到的瞬间冲击越大, 对表面粘附杂质的去除效力越强,但是 PCB 受到的 冲击过大时,切割过程造成的微裂纹将沿着喷射方向 瞬间扩展甚至脱落,严重时将暴露 PCB 内部电路结 构,造成产品报废。图 3a 为实验得出的不同喷射压 力对塑封区域和 PCB 区域杂质去除量的影响规律, 可以看出随着喷射压力的增大,Cu 杂质含量逐渐减 少,但是随着压力的继续增加,当压力大于 0.2 MPa 时,塑封料区域的杂质含量下降不明显,PCB 区域的 杂质含量在压力大于 0.3 MPa 后才基本维持稳定。从 Cu 杂质含量的下降程度分析可得,干冰处理主要对 PCB区域的杂质去除效果明显,在压力为 0.4 MPa 时, PCB 区域的 Cu 杂质含量由最初的 30%降至 2.06%, PCB 表面的杂质基本去除。图 3b 为阻焊层受喷射压 力的影响结果,结果表明在压力小于 0.4 MPa 时,干 冰作用对组焊层的影响几乎可以不考虑,但是当干冰 压力超过 0.3 MPa 时,阻焊层破损不良比例随着压力 的增加会迅速上升。由此可以得出,喷射压力在 0.2~0.4 MPa 之间,可以获得阻焊层破损和去除杂质 之间的平衡。 图 4a 为干冰处理前的 PCB 区域表面 SEM 照片, 可以看出表面附着一层灰白色杂质层,严重区域杂质 呈块状。该组织将严重影响电磁屏蔽层与基底材料的 结合力。图 4b 为使用 0.3 MPa 的喷射压力干冰作用 后的侧壁 PCB 表面 SEM 微观图像,灰白色杂质层基 本已被去除干净,露出 PCB 基底微小颗粒状的结构 组织。

2.3 干冰作用速度对表面质量的影响 干冰作用速度代表干冰喷嘴相对于静止的封装 体单位时间内移动的距离,作用速度主要通过影响单 位时间到达切割侧壁表面的干冰颗粒数量和作业效 率对处理效果产生重要影响。作用速度越小,表面单 位面积单位时间受到的干冰颗粒数量越多,形成的颗 粒爆破力越强,表面杂质越易受到剥离作用而去除。 但是过小的速度不仅使作业效率降低,还会导致阻焊 层破损严重。所以,控制好干冰作用速度对半导体封 第 46 卷 第 3 期 隋春飞等:干冰表面处理技术在系统级封装的应用 ·181· 装表面质量改善效果意义重大。 在其余参数条件不变的情况下,实验得到干冰作 用速度对处理效果的影响规律。由图 5a 可以看出, 与喷射压力的作用效果相反,随着作用速度的增大, 塑封区域和 PCB 区域的杂质含量逐渐增大。如图 5b 所示,阻焊层破损率随速度的增加逐渐降低,当速度 大于 40 mm/s 时,阻焊层破损率的下降速度变缓且基 本稳定在 0%的水平,说明在速度为 40 mm/s 或更大 时,作用在材料表面的干冰冲击力较小,不足以对 PCB 的微裂造成进一步的破坏作用。综合材料表面 Cu 杂质残余量与 PCB 阻焊层的破损率得出,最优的 干冰作用速度为 40~50 mm/s。 图 5 干冰清洗速度对杂质含量和阻焊层的影响 Fig.5 The effect of dry ice clean speed on impurity and solder mask chipping 2.4 干冰喷射角度对杂质含量的影响 喷射角度主要影响阻焊层的破损率,这是因为微 裂纹在 PCB 表面有一定的方向性,喷射角度越小, 微裂口方向与冲击方向越垂直,阻焊层越容易沿着微 裂方向形成大裂纹以致脱落;而