芯片表面硅油粘污處理研究

田愛民，周安琪

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110000）

1 引言

芯片是電子元器件的核心，尤其在軍用芯片中，為保證穩定性和可靠性，在GJB548B方法2021.1對單片內部目檢有相關規定，要求密封前對芯片進行100%內部目檢，查出可能導致器件在正常使用時失效的內部缺陷和多余物并剔除。缺陷包含金屬層缺陷、擴散和鈍化層缺陷、劃片和芯片缺陷、玻璃鈍化層缺陷等；多余物則包含液滴、化學污斑、油墨或光致抗蝕劑及其他可動多余物[1]。

現有已劃片硅基晶圓，在使用前的內部目檢中發現表面存在粘污。用常規手段如乙醇浸泡[2]、刷片機刷洗均無明顯效果；乙醇棉擦拭芯片表面后，粘污顆粒可見明顯減少，但有部分顆粒在壓力作用下，進入鋁條縫隙，現有方法無法去除干凈[3]。針對這一情況，選兩種型號粘污硅基芯片嘗試進行清洗處理，并確保所形成的清洗方法能在去除芯片表面粘污的同時不影響到芯片正常功能及組裝可靠性[4]。

2 粘污顆粒分析

在50倍顯微鏡下觀察,污染物表現為黑色顆粒，較為密集，如圖1所示；在100倍顯微鏡下觀察則為透明膠狀顆粒，如圖2所示。對粘污顆粒來源進行分析，芯片背面貼藍膜，正面貼黃紙。通過顯微鏡放大，觀察到黃紙表面存在油脂性物質，性質與芯片表面粘污物一致，由于芯片表面直接與黃紙接觸，定位是黃紙表面物質轉移到芯片表面，造成芯片表面粘污。此處所用黃紙又稱為離形紙或者硅油紙[5]，共三層結構，底層結構為黃紙，中間是淋膜，表層為硅油，可確定芯片表面即為硅油粘污。有資料表明，硅油不溶于水、甲醇、乙二醇，稍溶于丙酮、二惡烷、乙醇和丁醇，可與苯、二甲醚、甲基乙基酮、四氯化碳或煤油互溶[6]。

圖1 50倍顯微鏡下觀察到密集黑色顆粒

圖2 100倍顯微鏡下觀察到透明膠狀顆粒

3 清洗效果驗證

通過對粘污顆粒來源分析，已確定芯片表面污染物為硅油，屬于有機物，故可使用有機物之間互溶特性來去除硅油[7]。有機物的選取原則為液體、無毒、不易燃、不易爆。從符合要求的有機溶劑中選取4種，分別為：丙酮、航空煤油、異丙醇和氟利昂F113（三氟三氯乙烷）[8]。

清洗方法選取3種，分別為浸泡、棉球擦拭以及超聲波清洗。

對某型號芯片進行清洗，試驗方案如表1。

表1 清洗試驗方案

3.1 丙酮清洗

使用丙酮浸泡同一芯片，每隔5min在100倍顯微鏡下觀察表面變化，結果顯示5min、10min、15min、20min后片面粘污情況無變化。使用丙酮浸泡沒有起到清洗效果。

使用棉球蘸丙酮溶劑擦拭芯片表面至少三次，處理后在100倍顯微鏡下觀察，部分顆粒在壓力作用下，被擠進鋁條與鋁條之間，去除效果不理想。

使用超聲波清洗機在丙酮溶劑中清洗芯片，時間3min，清洗后片面粘污情況仍無變化。

3.2 航空煤油清洗

使用航空煤油浸泡芯片5min，芯片表面硅油與煤油互溶，但煤油揮發較慢，完全揮發至少需5min，揮發后溶解的硅油又析出至芯片表面。

使用棉球蘸航空煤油溶劑擦拭，芯片表面硅油被溶解，但仍會有少部分煤油殘留在芯片表面，揮發后在芯片四周位置留下一圈痕跡，去除效果不理想。

使用超聲波清洗機在航空煤油中清洗芯片，時間3min，清洗后同樣存在芯片表面煤油揮發慢和硅油復析的問題。

3.3 氟利昂F113清洗

使用氟利昂F113浸泡同一芯片，每隔5min在100倍顯微鏡下觀察表面變化。結果顯示5 min、10min、15min、20min后片面粘污情況無變化，使用氟利昂F113浸泡無效果。

由于氟利昂F113沸點在50℃左右，揮發較快，棉球蘸氟利昂后由于蒸發吸熱制冷，空氣中的水汽會凝結成冰附著在棉球上，擦拭時可能會磕傷芯片。

氟利昂F113揮發較快，不適用超聲清洗方法。

3.4 異丙醇清洗

使用異丙醇浸泡同一芯片，每隔5min在100倍顯微鏡下觀察表面變化。結果顯示5min、10min、15min、20min后，芯片表面有機物部分溶解。15min后無變化，最終并未能完全去除有機物粘污。

使用棉球蘸異丙醇溶劑擦拭芯片表面，在100倍顯微鏡下觀察，發現芯片中央部分的有機物被擦除，芯片四周留下一圈痕跡。再使用乙醇棉球對芯片周圍進行擦拭，可將環狀痕跡處理干凈。

使用超聲波清洗機在異丙醇溶劑中清洗芯片，時間3min，清洗后芯片表面硅油被完全處理干凈。

4 超聲波清洗工藝優化

在清洗效果驗證過程中，相比其余3種溶劑，異丙醇溶劑在去除芯片表面硅油上效果更為顯著。而就清洗方法而言，超聲清洗無論在效率上還是在效果上，都比浸泡和擦拭方式更具優勢。

清洗效果驗證是針對單一芯片進行的。單一芯片超聲清洗雖然有效，但清洗過程中芯片在超聲波的作用下不斷移動，芯片之間以及與容器側壁易發生碰撞磕傷，因此需要解決芯片固定問題。

通過反復研究試驗后，確定一種清洗方法，即將粘污芯片從藍膜上取下后，貼在裁剪成合適大小的UV膜上，再用固定夾具固定UV膜，保持其緊繃狀態。將整個結構放入裝有異丙醇的燒杯中，確保異丙醇浸沒過芯片。將燒杯放入裝有一定水量的超聲設備中，水位高于或等于異丙醇液面高度，按照設定參數進行超聲清洗。清洗后用紫外光照射UV膜脫粒。清洗裝置示意圖如圖3所示。

圖3 清洗裝置示意圖

選取UV膜要確保其中的有機成分不溶于異丙醇，且不應對芯片表面造成額外影響。異丙醇只使用一次，用完即回收；若反復使用，芯片掉落的硅渣會在超聲作用下損傷芯片表面。

在確定清洗方法后，以兩種型號粘污芯片為樣品，型號一芯片面積2.28mm×2.28mm，型號二芯片面積1.92mm×1.24mm，單次清洗數量100只，研究超聲參數設置對清洗效果的影響。由于有超聲功率、超聲頻率以及超聲時間三個參數，三相正交數據量較大，因此采用單一變量法先確定一個參數，而后再進行另兩個參數的正交試驗，以確定出最佳的超聲清洗參數。

固定超聲功率和超聲時間不變，研究超聲頻率變化對清洗效果的影響。設備最大超聲頻率33kHz，參數10%～100%可調，按3.3kHz步進，從3.3kHz、6.6kHz、9.9kHz……、29.7kHz直至33kHz，共設置10個參數。表2列出了型號一和型號二超聲頻率與清洗后芯片合格率（每百只）的對應關系，通過表中數據看出，頻率在26.4kHz時，型號一芯片清洗后合格率達83%，型號二芯片則達85%，清洗效果最佳。當頻率超過26.4kHz，磕傷成為芯片不合格的主因。

表2 超聲頻率與清洗后芯片合格率（每百只）的關系

確定超聲頻率為26.4kHz后，進行超聲功率和超聲時間的正交試驗。設備超聲功率300W，參數10%～100%可調，按30W步進，從30W、60W、90W、……、270W直至300W，共設置10個參數。超聲清洗時間根據前期摸索試驗確定為3min、5min、7min三檔。表3列出超聲功率和超聲時間與清洗后芯片合格率（每百只）的對應關系。由表中數據可見，超聲功率270W，超聲時間5min時，型號一和型號二芯片清洗后合格率均為100%，清洗效果最佳。超聲功率低于120W時，對芯片表面的硅油去除基本無效果；超聲功率在300W時，芯片表面磕傷嚴重。清洗時間短，去除效果不明顯；清洗時間長，則可觀察到芯片表面有磕傷現象。

表3 清洗后芯片合格率（每百只）單位：%

5 清洗后可靠性驗證

型號一芯片封裝工藝為導電膠粘片、25μm金絲鍵合、AuSn熔封；型號二芯片封裝工藝為合金粘片、32μm硅鋁絲鍵合、AnSn熔封，每種型號各封裝10只進行小批量驗證。粘片后和鍵合后各芯片外觀檢驗均正常。

型號一和型號二各抽取5只進行鍵合拉力和芯片剪切力試驗，鍵合拉力和芯片剪切力滿足GJB548相關要求，且與同型號未粘污芯片鍵合拉力、剪切力數值基本一致。

剩余電路密封后外觀檢驗合格，氣密性檢驗合格，三溫測試功能均合格，且與同型號未粘污芯片測試結果一致。

型號一和型號二從剩余5只氣密性合格的產品中，各抽取3只進行水汽含量檢測，結果表明水汽含量均小于5000×10-6，且成分中無異丙醇。

小批量驗證合格后，對兩種型號產品進行批量驗證，按各自產品詳細規范要求進行考核，考核依據GJB548。篩選合格率均為100%，通過一致性檢驗。

6 結束語

通過實際清洗驗證，表明使用有機溶劑異丙醇配合特定參數的超聲波清洗，可以去除芯片表面硅油粘污。在超聲功率270W，超聲頻率26.4kHz，超聲時間5min參數條件下，清洗效果最佳，同時驗證了使用該方案清洗不影響芯片性能及組裝可靠性。