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摘要：等离子的清洗在半导体封装中具有重要意义。等离子产生方式各不相同，根据其产生方式以及清洗方法，将等离子大致分为三类，直流等离子、频射等离子、以及微波等离子。由于等离子之间存在差异，本文主要对三类等离子产生的原理进行分析，进而分析不同等离子清洗的清洗效果以及特点。分析不同等离子清洗效果对于半导体封装的影响，找到最适合的清洗方式。旨在更深入的理解等离子清洗工艺以及等离子清洗在半导体封装中的应用，同时对于不同封装选择何种清洗方式具有借鉴指导意义。
关键词：等离子;半导体封装;清洗工艺
一、等离子清洗的优势以及在半导体封装中
的应用
（一）等离子清洗优势
等离子清洗最突出的特征就是无论是何种处理材料都能够进行清洗工作。等离子由于具有许多传统溶剂清洗方式难以相媲美的优势，目前得到了广泛的应用。等离子清洗不需要清洗溶剂，高度环保;同时清洗速度快，只需几秒钟就可快速改变待清洗对象表面的性质，效率极高;适应面广泛，不要求处理对象的材料类型，无论是各种金属还是半导体，以及其他高分子材料，都能够妥善处理;成本低廉，装置花费比较低，同时等离子清洗装置便于操作，新手学习、操作起来比较容易，发生故障时维修手段也比较便利;控制装置精确无误，在严格操作下，可以不对清洗表面产生任何划伤;可以有效避免二次污染。
（二）等离子在半导体封装中的应用
随着技术的不断发展，半导体封装的使用越来越频繁，而在半导体装置的制造中，几乎所有的操作都不能缺少清洗工序。清洗的目的是彻底清除设备表面上的粒子、有机和无机杂质，以确保产品质量。目前等离子清洗技术由于其突出的优势已经被社会上高度重视并得到了广泛的认可。
（1）铜引线框架：铜及其他有机污染物的氧化物会造成密封模塑和铜引线框架的分离，导致封装后密封性能变差以及漏气现象，影响芯片的粘合及引线接合质量。在铜引线框的等离子清洗处理之后，可以去除有机物和氧化物层。同时活化和粗化表面，确保打线和封装的可靠性。
（2）引线键合：引线键合的质量对微电子器件的可靠性有决定性的影响。接合区域不能存在任何污染物，具有良好的键合特性。氧化物和有机污染物等污染物的存在明显削弱了引線接合的拉力值。而等离子体清洁可以有效地去除表面污染，增加接合面积的粗糙度，并且可以明显地改善引线的键合张力，并且可以大大提高封装装置的可靠性。
（3）倒装芯片封装：芯片和封装载体板的等离子体处理不仅可以得到超纯化的焊接面，而且可以大大提高焊接表面的活性，这可以有效防止虚焊接，减少空洞，减少填料的边缘高度，提高了封装的机械强度。降低因不同材料的热膨胀系数而在界面间形成内应的剪切力，提高产品可靠性和寿命。
一、 不同等离子清洗原理
（一）等离子体发生机理
当气体被加以充足的能量便会离化成为等离子体，例如、电子、原子，光子等。当通入直流电流发生电弧放电，就会激发通入的气体，将其激发成直流等离子。直流等离子之外的常见的等离子有三种，其中激发频率为四十KHZ的的等离子体为超声等离子体，13.56MHZ的为频射等离子体，2.45GHZ的等离子体为微波等离子体。频射等离子是通过施加射频范围内的交流电压产生辉光放电，激发通入的气体成为等离子体。微波等离子体是通过微波高能电磁场激发通入的气体，让其成为微波等离子体。
（二）等离子体清洗原理
由于等离子气体的组成不同，因此清洗类型不尽相同。等离子体在与清洗对象表面想接触时，会发生不同的反应，主要分为物理反应以及化学反应。物理反应清洗原理就是使用活性粒子对待清洗对象表面进行轰炸，污染物遭到击落后被吸走，从而达到物体表面的清洁效果。化学反应顾名思义就是活性粒子与污染物发生化学反应，生成其他能够挥发的物质，再将这些易挥发的物质吸走。像微波等离子以及直流等离子都是主要采用化学反应的原理来进行清洗的。
而随着技术的不断发展，射频等离子体在清洗过程中则是同时采用了物理反应原理与化学反应原理，两种清洗互相促进，达到更好的清洗效果，减小对清洗对象的伤害。离子轰击会削减化学键或者形成离子键，使得清洗表面更容易吸收反应剂，离子产生的化学热也使得化学反应更容易进行，清洗效果既具有选择性又能提高效率，减小损伤。
如下表1是不同的类型等离子清洗时对应的等离子气体以及清洗原理。
二、 不同等离子清洗效果对比
分别使用直流等离子、频射等离子以及微波等离子三种类型的等离子设备对于铜引线框以及芯片进行清洗，观察清洗效果，对比分析。
（一）清洗前后水滴角对比分析
在使用不同的等离子体进行清洗后，使用水滴角测量仪进行测量。水滴角测量仪是目前最常见的等离子清洗效果测定方式。具有测量结果准确度高、易于操作、稳定性极高的优势。检测方式就是在清洗后的对象表面滴一定量的液体，从而检测该液滴在物体表面的接触角的大小，接触角越大，说明清洗效果越差。水滴角测量仪在测量不同材质的产品时，处理前后水滴角不相同，处理后的角度也并不统一。
为了提高测试准确度，避免实验偶然性，测量清洗后的引线框同一位置，每种类型测试十个，测量结果如表2所示。
由表2可以发现，直流等离子清洗后的水滴角最大，微波等离子次之，频射等离子清洗后水滴角最小。由此可见，频射等离子的清洗效果最佳，微波等离子次之，直流等离子的清洗效果最差。上文中提出频射等离子是物理反应和化学反应同时进行，因此清洗效果效率更高，效果更佳，能够完全去除引线框表面的杂质。
（二）清洗前后芯片焊盘元素的含量对比
使用电子能谱仪测试清洗前后的物体表面元素含量，进而对比分析清洗效果。完成芯片的贴装以及回流清洗之后，使用不同的离子键进行清洗，测量微量元素的变化。 清洗前后，各项元素的含量均有不同程度的减少，说明三种方式清洗效果都比较良好，其中根据清洗后含量对比分析，频射等离子的清洗效果最好，也证实了上文所述，物理反应与化学反应共同作用清洗下的效果最优。
（三）清洗前后芯片表面的粗糙程度对比分析
使用电子显微镜进行二千倍的放大处理，观察清洗前后物体表面情况，发现了经过清洗的物体表现变得更加粗糙，而且经过射频等离子清洗的芯片表面会比直流等离子和微波等离子清洗后的更为粗糙。
（四）清洗前后芯片聚酰亚胺钝化层成分对比分析
在等离子清洗的过程中芯片表面的钝化层由于受到物理反应以及化学反应，其聚合分子同样会受到影响，对此通过X射线光电子能谱分析钝化层表面的分子键情况进行对比分析，检测对比聚酰亚胺钝化层的变化状况。
结果发现直流等离子清洗后的聚酰亚胺表面碳分子键比例最大，微波等离子清洗后的聚酰亚胺表面碳分子比例最少。
三、 不同等离子清洗后封装工艺对比
（一）不同等离子清洗后倒装填料结果对比
结果发现微波等离子清洗对于降低填充后的气孔数、降低气孔率效果最为显著。其他方式也能较好的降低气孔数以及气孔率，但是效果弱于微波等离子清洗技术。
（二）不同等离子清洗后键合拉力对比
对于键合之前的物品进行等离子清洗，然后使用20μm .99.99%纯度金丝进行键合，键合设备为K&S Iconn，使用的劈刀为SU-30100 465F-ZU36TP。键合结束后，分别测量第一焊点（金丝与芯片铝焊盘，铝焊盘为99. 9%铝材质）推拉力和第二焊点（金丝与引线框镀银引脚焊接，引脚镀银纯度为99%，镀层厚度为4 μm）的拉力。经过等离子清洗后，键合第一焊点推力和第二焊点拉力都有大幅度提升， 三种不同等离子对芯片铝焊盘、引线框镀银焊盘都有较好的清洗效果，射频等离子清洗后的第一焊点推力和第二焊点拉力都要好于其他两种类型的等离子清洗。
（三）不同等离子清洗后与模塑料结合对比
用三种不同的等离子对封装基板清洗后，直接对清洗后的裸基板进行模塑包封，模塑封设备为TOWA Al，模塑封后进行三次回流。实验结果表面，如果基板没有经过等离子清洗在三次回流后会出现木塑料和基板分离的状况，而经过等离子清洗的基板则可以避免分离问题。
经过MSL3试验后没有出现分层，但经过MSL2a试验后都出现分层，经过直流电流等离子清洗后的基板出现分层略少于射频等离子清洗后的基板。由于射频等离子清洗对基板表面有机物层具有更强的清洁和粗化效果，在使用射频等离子清洗基板时必须控制好清洗时间和功率，避免清洗时造成基板表面过度蚀伤。
具体的模塑料结合状况如下表7所示：
五、结论
本文首先介绍了等离子清洗的优势以及不同等离子清洗在半导体封装中的广泛应用，进而对于等离子清洗的原理以及不同等离子清洗进行分析对比，结果发现不同的等离子清洗措施效果存在差异。通过清洗前后水滴角对比、芯片焊盘元素的含量对比、以及芯片表面的粗糙程度对比分析得出，射频等离子的清洗效果均好于直流等离子以及微波等离子。而在对不同等离子封装工艺进行研究时，发现微波等离子清洗对于降低填充后的气孔数、降低气孔率效果最为显著;射频等离子清洗后的第一焊点推力和第二焊点拉力都要好于其他两种类型的等离子清洗;直流等离子清洗后的材料与模塑料的结合力最强。
由此得出，等离子清洗在半导体封装中广泛应用能够避免传统清洗模式的诸多弊端，提高效率，节能环保。而不同等离子清洗有着各自的优势，在半导体封装中也占据不同的影响，在实际生产生活中应当根据实际情况对于不同方面的要求，选取最合适的等离子清洗方式，合理进行选择，提高清洗效果。
参考文献：
[1] C Lee， R Tan Check-Eng， J Ong Wai-Lian， et al. Plasma claning for plastic ball grid array （PBGA）： a study on surfac caniniss， wire bond ability and adhesion[CJ.IEEE，Physical & Falure Analyis of Integnted Circuits， 2002：133-136.
[2] 聶磊，蔡坚，贾松良，王水弟.微电子封装中等离子体清洗及其应用[J].半导体技术， 2002，29（12）：30-34.
[3]邱碧秀.微系统封装原理与技术 [M].北京：电子工业出版社 ，2009， 39（5）： 722-724.
[4] Crippa D， Rode D L， Masi M. Silicon epitaxy [M]. Califor.nia： Academic Press， 2001： 295-343.
[5] 都基峻，季学李.低温等离子体处理气态污染物[J].污染防治技术， 2005（10）： 37-40.
[6] 苗利湘，等离子体喷涂高温润滑涂层的组织与力学性能研究.金属材料与冶炼工程，2008.36（6），6-28
[7]谭卫东. 胡征，等离子体化学基础[J].化学时刊， 2017，17（6）： 36-39.
[8马腾才，胡希伟，陈银华.等离子体物理原理.合肥：中国科学技术大学出版社， 2017，42（7）： 531-535.
[9] 李可为.集成电路芯片封装技术[M].北京：电子工业出版社，2007.19-68
[10] N Komer，E Beck， A Dommann， et a. nyuos chemical leaning of matlic sbstrates and slicon wafer：p Surfie and Coatings Tehnolog，1995，76-77 （2）731-737.
[11] 周良知.微电子器件封装—封装材料与封装技[M].北京：化学工业出版社，2006.57-64
[12]师筱娜，柳国光，廖鑫.微波等离子清洗技术及应用[J].Defense Manufacture Technology ，2012，6（3）：40-42.
[13] N Onda， A Dommann， H Zimmermann， ct al. DC-Hydrogen.Plasma Cleaning in IC-packaging[C]. Proccedings of the 4th Annual Singapore Technical Conference on Asscmbly Packaging and IC Technology，1996：147-153.
[14] Hui Yuen Peng， Mutharasu Devarajan， Teik Toon Lee， et al.Comparison of radio frequency and microwave plasma treatments on LED chip bond pad for wire bond application [J].IEEE Transactions on Componcnts， Packaging， and Manufacturing Technology，2015，5（4）：1-1.
关键词：等离子;半导体封装;清洗工艺
一、等离子清洗的优势以及在半导体封装中
的应用
（一）等离子清洗优势
等离子清洗最突出的特征就是无论是何种处理材料都能够进行清洗工作。等离子由于具有许多传统溶剂清洗方式难以相媲美的优势，目前得到了广泛的应用。等离子清洗不需要清洗溶剂，高度环保;同时清洗速度快，只需几秒钟就可快速改变待清洗对象表面的性质，效率极高;适应面广泛，不要求处理对象的材料类型，无论是各种金属还是半导体，以及其他高分子材料，都能够妥善处理;成本低廉，装置花费比较低，同时等离子清洗装置便于操作，新手学习、操作起来比较容易，发生故障时维修手段也比较便利;控制装置精确无误，在严格操作下，可以不对清洗表面产生任何划伤;可以有效避免二次污染。
（二）等离子在半导体封装中的应用
随着技术的不断发展，半导体封装的使用越来越频繁，而在半导体装置的制造中，几乎所有的操作都不能缺少清洗工序。清洗的目的是彻底清除设备表面上的粒子、有机和无机杂质，以确保产品质量。目前等离子清洗技术由于其突出的优势已经被社会上高度重视并得到了广泛的认可。
（1）铜引线框架：铜及其他有机污染物的氧化物会造成密封模塑和铜引线框架的分离，导致封装后密封性能变差以及漏气现象，影响芯片的粘合及引线接合质量。在铜引线框的等离子清洗处理之后，可以去除有机物和氧化物层。同时活化和粗化表面，确保打线和封装的可靠性。
（2）引线键合：引线键合的质量对微电子器件的可靠性有决定性的影响。接合区域不能存在任何污染物，具有良好的键合特性。氧化物和有机污染物等污染物的存在明显削弱了引線接合的拉力值。而等离子体清洁可以有效地去除表面污染，增加接合面积的粗糙度，并且可以明显地改善引线的键合张力，并且可以大大提高封装装置的可靠性。
（3）倒装芯片封装：芯片和封装载体板的等离子体处理不仅可以得到超纯化的焊接面，而且可以大大提高焊接表面的活性，这可以有效防止虚焊接，减少空洞，减少填料的边缘高度，提高了封装的机械强度。降低因不同材料的热膨胀系数而在界面间形成内应的剪切力，提高产品可靠性和寿命。
一、 不同等离子清洗原理
（一）等离子体发生机理
当气体被加以充足的能量便会离化成为等离子体，例如、电子、原子，光子等。当通入直流电流发生电弧放电，就会激发通入的气体，将其激发成直流等离子。直流等离子之外的常见的等离子有三种，其中激发频率为四十KHZ的的等离子体为超声等离子体，13.56MHZ的为频射等离子体，2.45GHZ的等离子体为微波等离子体。频射等离子是通过施加射频范围内的交流电压产生辉光放电，激发通入的气体成为等离子体。微波等离子体是通过微波高能电磁场激发通入的气体，让其成为微波等离子体。
（二）等离子体清洗原理
由于等离子气体的组成不同，因此清洗类型不尽相同。等离子体在与清洗对象表面想接触时，会发生不同的反应，主要分为物理反应以及化学反应。物理反应清洗原理就是使用活性粒子对待清洗对象表面进行轰炸，污染物遭到击落后被吸走，从而达到物体表面的清洁效果。化学反应顾名思义就是活性粒子与污染物发生化学反应，生成其他能够挥发的物质，再将这些易挥发的物质吸走。像微波等离子以及直流等离子都是主要采用化学反应的原理来进行清洗的。
而随着技术的不断发展，射频等离子体在清洗过程中则是同时采用了物理反应原理与化学反应原理，两种清洗互相促进，达到更好的清洗效果，减小对清洗对象的伤害。离子轰击会削减化学键或者形成离子键，使得清洗表面更容易吸收反应剂，离子产生的化学热也使得化学反应更容易进行，清洗效果既具有选择性又能提高效率，减小损伤。
如下表1是不同的类型等离子清洗时对应的等离子气体以及清洗原理。
二、 不同等离子清洗效果对比
分别使用直流等离子、频射等离子以及微波等离子三种类型的等离子设备对于铜引线框以及芯片进行清洗，观察清洗效果，对比分析。
（一）清洗前后水滴角对比分析
在使用不同的等离子体进行清洗后，使用水滴角测量仪进行测量。水滴角测量仪是目前最常见的等离子清洗效果测定方式。具有测量结果准确度高、易于操作、稳定性极高的优势。检测方式就是在清洗后的对象表面滴一定量的液体，从而检测该液滴在物体表面的接触角的大小，接触角越大，说明清洗效果越差。水滴角测量仪在测量不同材质的产品时，处理前后水滴角不相同，处理后的角度也并不统一。
为了提高测试准确度，避免实验偶然性，测量清洗后的引线框同一位置，每种类型测试十个，测量结果如表2所示。
由表2可以发现，直流等离子清洗后的水滴角最大，微波等离子次之，频射等离子清洗后水滴角最小。由此可见，频射等离子的清洗效果最佳，微波等离子次之，直流等离子的清洗效果最差。上文中提出频射等离子是物理反应和化学反应同时进行，因此清洗效果效率更高，效果更佳，能够完全去除引线框表面的杂质。
（二）清洗前后芯片焊盘元素的含量对比
使用电子能谱仪测试清洗前后的物体表面元素含量，进而对比分析清洗效果。完成芯片的贴装以及回流清洗之后，使用不同的离子键进行清洗，测量微量元素的变化。 清洗前后，各项元素的含量均有不同程度的减少，说明三种方式清洗效果都比较良好，其中根据清洗后含量对比分析，频射等离子的清洗效果最好，也证实了上文所述，物理反应与化学反应共同作用清洗下的效果最优。
（三）清洗前后芯片表面的粗糙程度对比分析
使用电子显微镜进行二千倍的放大处理，观察清洗前后物体表面情况，发现了经过清洗的物体表现变得更加粗糙，而且经过射频等离子清洗的芯片表面会比直流等离子和微波等离子清洗后的更为粗糙。
（四）清洗前后芯片聚酰亚胺钝化层成分对比分析
在等离子清洗的过程中芯片表面的钝化层由于受到物理反应以及化学反应，其聚合分子同样会受到影响，对此通过X射线光电子能谱分析钝化层表面的分子键情况进行对比分析，检测对比聚酰亚胺钝化层的变化状况。
结果发现直流等离子清洗后的聚酰亚胺表面碳分子键比例最大，微波等离子清洗后的聚酰亚胺表面碳分子比例最少。
三、 不同等离子清洗后封装工艺对比
（一）不同等离子清洗后倒装填料结果对比
结果发现微波等离子清洗对于降低填充后的气孔数、降低气孔率效果最为显著。其他方式也能较好的降低气孔数以及气孔率，但是效果弱于微波等离子清洗技术。
（二）不同等离子清洗后键合拉力对比
对于键合之前的物品进行等离子清洗，然后使用20μm .99.99%纯度金丝进行键合，键合设备为K&S Iconn，使用的劈刀为SU-30100 465F-ZU36TP。键合结束后，分别测量第一焊点（金丝与芯片铝焊盘，铝焊盘为99. 9%铝材质）推拉力和第二焊点（金丝与引线框镀银引脚焊接，引脚镀银纯度为99%，镀层厚度为4 μm）的拉力。经过等离子清洗后，键合第一焊点推力和第二焊点拉力都有大幅度提升， 三种不同等离子对芯片铝焊盘、引线框镀银焊盘都有较好的清洗效果，射频等离子清洗后的第一焊点推力和第二焊点拉力都要好于其他两种类型的等离子清洗。
（三）不同等离子清洗后与模塑料结合对比
用三种不同的等离子对封装基板清洗后，直接对清洗后的裸基板进行模塑包封，模塑封设备为TOWA Al，模塑封后进行三次回流。实验结果表面，如果基板没有经过等离子清洗在三次回流后会出现木塑料和基板分离的状况，而经过等离子清洗的基板则可以避免分离问题。
经过MSL3试验后没有出现分层，但经过MSL2a试验后都出现分层，经过直流电流等离子清洗后的基板出现分层略少于射频等离子清洗后的基板。由于射频等离子清洗对基板表面有机物层具有更强的清洁和粗化效果，在使用射频等离子清洗基板时必须控制好清洗时间和功率，避免清洗时造成基板表面过度蚀伤。
具体的模塑料结合状况如下表7所示：
五、结论
本文首先介绍了等离子清洗的优势以及不同等离子清洗在半导体封装中的广泛应用，进而对于等离子清洗的原理以及不同等离子清洗进行分析对比，结果发现不同的等离子清洗措施效果存在差异。通过清洗前后水滴角对比、芯片焊盘元素的含量对比、以及芯片表面的粗糙程度对比分析得出，射频等离子的清洗效果均好于直流等离子以及微波等离子。而在对不同等离子封装工艺进行研究时，发现微波等离子清洗对于降低填充后的气孔数、降低气孔率效果最为显著;射频等离子清洗后的第一焊点推力和第二焊点拉力都要好于其他两种类型的等离子清洗;直流等离子清洗后的材料与模塑料的结合力最强。
由此得出，等离子清洗在半导体封装中广泛应用能够避免传统清洗模式的诸多弊端，提高效率，节能环保。而不同等离子清洗有着各自的优势，在半导体封装中也占据不同的影响，在实际生产生活中应当根据实际情况对于不同方面的要求，选取最合适的等离子清洗方式，合理进行选择，提高清洗效果。
参考文献：
[1] C Lee， R Tan Check-Eng， J Ong Wai-Lian， et al. Plasma claning for plastic ball grid array （PBGA）： a study on surfac caniniss， wire bond ability and adhesion[CJ.IEEE，Physical & Falure Analyis of Integnted Circuits， 2002：133-136.
[2] 聶磊，蔡坚，贾松良，王水弟.微电子封装中等离子体清洗及其应用[J].半导体技术， 2002，29（12）：30-34.
[3]邱碧秀.微系统封装原理与技术 [M].北京：电子工业出版社 ，2009， 39（5）： 722-724.
[4] Crippa D， Rode D L， Masi M. Silicon epitaxy [M]. Califor.nia： Academic Press， 2001： 295-343.
[5] 都基峻，季学李.低温等离子体处理气态污染物[J].污染防治技术， 2005（10）： 37-40.
[6] 苗利湘，等离子体喷涂高温润滑涂层的组织与力学性能研究.金属材料与冶炼工程，2008.36（6），6-28
[7]谭卫东. 胡征，等离子体化学基础[J].化学时刊， 2017，17（6）： 36-39.
[8马腾才，胡希伟，陈银华.等离子体物理原理.合肥：中国科学技术大学出版社， 2017，42（7）： 531-535.
[9] 李可为.集成电路芯片封装技术[M].北京：电子工业出版社，2007.19-68
[10] N Komer，E Beck， A Dommann， et a. nyuos chemical leaning of matlic sbstrates and slicon wafer：p Surfie and Coatings Tehnolog，1995，76-77 （2）731-737.
[11] 周良知.微电子器件封装—封装材料与封装技[M].北京：化学工业出版社，2006.57-64
[12]师筱娜，柳国光，廖鑫.微波等离子清洗技术及应用[J].Defense Manufacture Technology ，2012，6（3）：40-42.
[13] N Onda， A Dommann， H Zimmermann， ct al. DC-Hydrogen.Plasma Cleaning in IC-packaging[C]. Proccedings of the 4th Annual Singapore Technical Conference on Asscmbly Packaging and IC Technology，1996：147-153.
[14] Hui Yuen Peng， Mutharasu Devarajan， Teik Toon Lee， et al.Comparison of radio frequency and microwave plasma treatments on LED chip bond pad for wire bond application [J].IEEE Transactions on Componcnts， Packaging， and Manufacturing Technology，2015，5（4）：1-1.