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本研究利用大氣等離子體，以等離子體表面處理取代化學(xué)輔助有機(jī)清洗工藝，減少三氯乙烯和氫氧化鈉等化學(xué)物質(zhì)的使用。通過采用大氣等離子體處理，在不使用危險(xiǎn)化學(xué)品的情況下，獲得勉強(qiáng)可接受的電鍍和清潔結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，從環(huán)境友好的角度來看，用等離子體處理代替化學(xué)過程是合理的，此外，還對(duì)浸錫/銅進(jìn)行了等離子體處理，以了解等離子體處理的錫/銅的可焊性，用于實(shí)際工業(yè)應(yīng)用。
本實(shí)驗(yàn)采用的MyPLTM最大直列可處理300 mm的電路板尺寸，適用于大體積微電子封裝制造環(huán)境，該系統(tǒng)由射頻電源系統(tǒng)、氣體輸送系統(tǒng)和等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)三部分組成，射頻電源系統(tǒng)采用13.56兆赫射頻電源，帶有自動(dòng)阻抗匹配模塊，氣體輸送系統(tǒng)有四個(gè)帶數(shù)字控制系統(tǒng)的質(zhì)量流量控制器。
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圖1
實(shí)驗(yàn)的起點(diǎn)是通過掃描電鏡圖像比較鍍銅樣品，掃描電鏡圖像是通過常規(guī)化學(xué)清洗和等離子清洗從樣品中獲得的,將兩個(gè)銅箔樣品用水清洗，用化學(xué)試劑和等離子體有機(jī)清洗，用H2SO4酸洗，并用硫酸銅4H20對(duì)清洗后的銅樣品進(jìn)行電鍍。圖1顯示了電鍍后的掃描電鏡圖像，但是不清楚哪種清洗方法優(yōu)于另一種,似乎圖1(b)是等離子體清潔的樣品，顯示了局部形成的稍大的銅顆粒，但是圖1(a)顯示了更均勻的表面。通過掃描電鏡圖像觀察清潔效果可能會(huì)導(dǎo)致表面的近視，因此在以下實(shí)驗(yàn)中選擇了更寬的觀察視野。
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圖2?
化學(xué)清洗是通過將樣品浸入化學(xué)物質(zhì)如三氯乙烯、氫氧化鈉和硫酸中三分鐘來完成的。對(duì)于等離子體清洗，供應(yīng)10、20和30 sccm的氧氣，同時(shí)輸送10 Ipm的氬氣載氣,這個(gè)實(shí)驗(yàn)的顯微圖像如圖 2，在圖2(a)中，呈現(xiàn)了沒有任何預(yù)清洗的銅箔樣品,圖A分別顯示了最清潔的區(qū)域(或殘留區(qū)域)和圖B顯示了污染最嚴(yán)重的區(qū)域(或未清潔區(qū)域)。樣品的某些區(qū)域足夠干凈，可能不需要有機(jī)清洗，然而，在一些區(qū)域，非常暗的斑點(diǎn)被有機(jī)材料污染，在電鍍銅之前應(yīng)該清洗。圖2(b)顯示了通過將樣品浸入指定的化學(xué)浴中三分鐘，用三氯乙烯和氫氧化鈉預(yù)清洗的樣品，這些樣品看起來很干凈，沒有任何深色污染點(diǎn)。
在氧為30 sccm的情況下，離子化的氧可能分解樣品上的有機(jī)成分，但高能氧等離子體也能與表面的銅離子反應(yīng)形成氧化銅，從等離子體處理的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，大約20 sccm的氧氣給出了與化學(xué)清潔表面相當(dāng)?shù)那鍧嵭Ч?，并且用等離子體清潔代替化學(xué)清潔的假設(shè)在某種程度上是可行的，這表明氧等離子體有利于金屬表面的有機(jī)去除，但可能需要長時(shí)間的酸洗才能在銅表面進(jìn)行微蝕刻。
為了防止銅在元件封裝或印刷電路板制造中被氧化，銅金屬化上的浸錫涂層是最終制造過程中的常用工藝，并且它可以被安全地儲(chǔ)存用于下一個(gè)組裝過程，在互連金屬等離子體表面處理的第二階段，我們對(duì)浸沒的錫/銅表面進(jìn)行了氦/氬等離子體處理，通過用錫表面的離子鍵取代懸掛鍵來保護(hù)錫免受氧化。
為了比較等離子體處理的效果，將制備的樣品分成兩組:一組不進(jìn)行等離子體處理，另一組進(jìn)行等離子體處理，在300瓦射頻功率下，用5 %氦/氬混合氣體對(duì)錫/銅薄膜進(jìn)行大氣等離子體處理，使用XPS進(jìn)行表面分析有助于揭示等離子體表面處理的效果，但我們已經(jīng)通過測量潤濕力對(duì)錫表面進(jìn)行了可焊性測試，以便進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用。
本實(shí)驗(yàn)中的多次回流測試對(duì)于模擬實(shí)際使用的實(shí)際裝配過程是合理的，回流前的潤濕力與未處理的樣品相同，在假設(shè)中，表面的懸空鍵變成了與等離子體離子的離子鍵，這可能會(huì)降低表面氧化的概率，然而，在多次回流時(shí)觀察到一個(gè)有趣的潤濕力測量，結(jié)果表明潤濕力隨著回流時(shí)間的增加和達(dá)到最大潤濕力的時(shí)間的增加而降低，這對(duì)于開發(fā)新的工藝是一個(gè)令人驚訝和非常不滿意的結(jié)果，因?yàn)榭珊感孕阅鼙任刺幚淼臉悠凡睢?/span>
為了理解多次回流時(shí)可焊性差的機(jī)理，還對(duì)錫和銅之間形成的金屬間化合物進(jìn)行了順序電化學(xué)還原分析，沒有回流的兩個(gè)樣品顯示出相似的IMC結(jié)構(gòu)，因此以相似的方式記錄潤濕力，在回流工藝之后，兩個(gè)樣品的IMC結(jié)構(gòu)顯示出差異，在經(jīng)等離子體處理的樣品中，n層中間相的厚度相對(duì)于未經(jīng)等離子體處理的樣品有所減少。這背后的原因尚未明確，但據(jù)認(rèn)為錫銅結(jié)合較少，所以金屬間化合物的厚度呈現(xiàn)出不同的模式，這與銅表面處理的情況類似，但我們沒有預(yù)料到多次回流工藝后等離子體處理樣品的可焊性差。
研究互連金屬的大氣等離子體處理在銅電鍍工藝的有機(jī)清洗和銅拋光材料的錫/銅膜中的實(shí)際應(yīng)用，在大氣壓下用適量氧氣產(chǎn)生的13.56兆赫射頻等離子體可以適度清潔銅箔樣品上的有機(jī)顆粒，并為減少常規(guī)清潔過程中危險(xiǎn)化學(xué)品的使用提供了封閉的可行性。此外，還研究了銅表面鍍錫的大氣等離子體處理，錫涂層的氧化還原可能是有益的；然而，不良的可焊性被認(rèn)為是錫表面等離子體處理的一個(gè)問題，盡管通過大氣等離子體處理沒有顯著改善金屬化材料的性能，但是通過實(shí)驗(yàn)獲得了與傳統(tǒng)工藝相當(dāng)?shù)男阅?/span>，應(yīng)該繼續(xù)對(duì)這一主題進(jìn)行更深入的研究，以便從性能角度改善環(huán)境效益。