ES2259993T3 - Procedimiento para la fabricacion de componentes, utilizacion del mismo, pieza de trabajo en suspension neumatica y camara de tratamiento en vacio. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la fabricación de componentes con unión íntima de al menos dos fases de material de las que al menos una es una fase de cuerpo sólido, procedimiento en el que, antes de la unión íntima, se somete al menos la superficie a unir de la fase de cuerpo sólido previamente a un tratamiento previo con un gas activado con plasma y, se almacena después al aire, caracterizado porque el tratamiento previo se realiza con el gas activado con plasma, que contiene predominantemente nitrógeno.

Description

Procedimiento para la fabricación de componentes, utilización del mismo, pieza de trabajo en suspensión neumática y cámara de tratamiento en vacío.

El presente invento se refiere a un procedimiento para la fabricación, según el preámbulo de la reivindicación 1, de componentes y a la utilización de este procedimiento según las reivindicaciones 15 a 16.

Definiciones

Bajo procedimientos de unión íntimos se entienden la vinculación anódica (soldadura dura, soldadura blanda), el encolado, el encapsulado así como el como el recubrimiento, en especial con un procedimiento de recubrimiento en vacío, tanto si se trata del procedimiento PVD o del CVD o como de procedimientos derivados de ellos, y también la vinculación anódica directa (direct bonden) en la que la unión de las superficies perfectamente limpias tiene lugar directamente por medio de fuerzas interatomares, como la que se utiliza por ejemplo en la vinculación anódica directa de obleas (wafer) de Si sobre Si, de Si sobre SiO_{2}, en la unión de superficies metálicas entre sí o de superficies metálicas con superficies de Si, como por ejemplo Cu-Si o Au-Si. Al menos una de las superficies que deben ser unidas íntimamente es en estas uniones la superficie de un cuerpo sólido.

En el marco del presente invento se tratan en especial:

-

superficies metálicas, en especial de Cu, Ni, Ag, Pd, Pb, Sn, en o de aleaciones con al menos uno de estos metales.

-

superficies semimetálicas, en especial de Si, Ge, B, C, GaAs, GaN, SiC, ZnO o de un material con al menos uno de estos semimetales,

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superficies cerámicas, en especial de cuarzo, óxido de aluminio, nitruro de aluminio, óxido de circonio, nitruro de boro, diamante, nitruro de silicio,

-

superficies de material plástico sobre la base de epóxido o éster, poliamidas, policloruro de vinilo, polietileno, poliestireno, poliolmetacrilato, poliamida, poliuretano, fenoplastos, resinas fenólicas, siloxanos, teflon,

-

en especial materiales, como los que se exponen de manera típica en los procesos de empaquetado de semiconductores, es decir resinas de epóxido curadas (hardened epoxy resins), materiales HLST (soporte de sistemas de semiconductores) de epóxido (epoxy base laminate substrates), lacas de soldadura, fotolacas, etc.

En este caso es esencial, que estas superficies, que deben ser sometidas a una unión íntima, pueden estar formadas de diferentes maneras por zonas de los distintos materiales mencionados. La aportación de la energía para la unión íntima a las superficies que se quieren unir es en la mayoría de los casos de tipo térmico y se aporta, por ejemplo, con útiles calientes, calor de efecto Joule, radiación UV o, con preferencia, con ultrasonido o también energía de reacción en el encolado y eventualmente también en el encapsulado.

El presente invento se utiliza en especial de manera ventajosa en el empaquetado de circuitos integrados. Su campo de aplicación principal se halla en este sentido en el campo de la industria de semiconductores. Sin embargo, el presente invento también puede ser utilizado en otros campos tecnológicos, fundamentalmente en todos aquellos en los que, en el marco del procedimiento según el invento de producción, sea preciso eliminar, antes del establecimiento de una unión íntima, de la al menos una superficie de cuerpo sólido compuestos de contaminación orgánicos u orgánicos/oxídicos.

A pesar de que más arriba se definieron materiales de superficie para los que se presta de manera manifiesta el presente invento, es preciso hacer la observación de que también pueden ser tratados según el invento otras superficies de material, como por ejemplo óxidos, nitruros, carburos, oxinitruros, oxicarburos, carbonitruros, oxicarbonitruros de al menos uno de los metales Ti, Ta, Zr, Hr, si se tiene especialmente en cuenta la unión íntima por recubrimiento.

Como ya se mencionó, el procedimiento según el presente invento se presta en especial también para superficies de cuerpos sólidos, que se compongan de diferentes materiales, en especial de zonas, que posean distintos materiales. Estas superficies de varios materiales representan problemas especialmente difíciles desde el punto de vista de la capacidad de una unión íntima.

En el empaquetado de circuitos integrados, considerado como el campo de aplicación preferido del presente invento, se distingue entre diferentes pasos del procedimiento, que comprenden la unión íntima de superficies en el sentido expuesto más arriba:

1.

Los diferentes circuitos integrados son recortados de una oblea de silicio, aplicados sobre soportes de sistemas de semiconductores (HLST) y unidos con estos (conocido como "dye bonding"). La superficie HLST, que deba ser unida, es usualmente de cobre o de níquel, plata u oro y/o de un material a base de epóxido, generalmente un material plástico, como se mencionó más arriba. Ejemplos de estos HLST son "lead frames" troquelados u obtenidos por ataque químico, substratos cerámicos o soportes BGA (ball grid arrays) de substratos de material plástico o también tarjetas PCB (printed circuit boards) de circuito impreso. Como procedimientos de unión se utilizan la soldadura dura, la soldadura blanda y el encolado. En los procesos "Flip Chip Solder" se aplica el circuito integrado sobre un HLST por medio de "solder balls" cortados geométricamente, que se utilizan al mismo tiempo como contactado I/O.

2.

Unión de circuitos integrados con puntos de apoyo de contacto en el HLST, como por ejemplo el "lead frame". Las superficies participantes son metálicas, por ejemplo de Al, Au, CU, Ni, Pd, Ag, Pb, Sn o de aleaciones de estos metales. Como técnicas de unión se utilizan predominantemente la soldadura dura o la soldadura blanda, en especial la soldadura sin fundente o la soldadura con ultrasonido. Este paso se conoce como "wire bonding" (unión de alambres).

3.

Encapsulado ("moulding"): en este paso del procedimiento se encapsulan los circuitos sobre el HLST, después del "wire bonding", por ejemplo los "lead frames", con una masilla de encapsulado, participando en relación con la masilla de encapsulado las superficies del HLST y de los circuitos integrados.

A través del documento EP-0 371 693 se conoce un procedimiento de limpieza en el marco de un procedimiento de producción en el que las superficies a unir se exponen, en el sentido de lo dicho más arriba, exclusivamente con la aportación de energía, en primer lugar a una descarga de plasma de microondas en una atmósfera de vacío, que contiene hidrógeno. A continuación se funde, sin interrumpir el vacío, por medio de una descarga de plasma la capa de soldadura prevista para la unión de las superficies. Con ello se evita el recubrimiento con suciedad de la superficie, que perturbaría sensiblemente el proceso de unión siguiente, evitando únicamente el contacto con el aire.

A través del documento US 5 409 543 se conoce, además, la utilización de hidrógeno activado para la preparación de un proceso de soldadura. Con ella se prepara una capa de óxido para el acceso del proceso de soldadura a la superficie metálica.

A través del documento EP-A-0 427 020 se conoce, además, el decapado, es decir la preparación, de una capa pasiva y de óxido de los apareamientos a unir por medio de un tratamiento previo con plasma de alta frecuencia con un gas de proceso. Como gases de proceso de utilizan gases, respectivamente mezclas de gases de, entre otros, O_{2}, H_{2}, Cl_{2}, N_{2}O, N_{2}, CF_{4}, etc. Si el decapado mencionado no tiene lugar, como en el documento US-A-5 409 543, inmediatamente delante del proceso de soldadura, se almacenan los apareamientos a unir en almacenes intermedios de protección, para lo que se prevén, para evitar una contaminación, recipientes apropiados en un gas de protección.

En el marco de los tres pasos de empaquetado mencionados más arriba se introdujeron entretanto dos pasos de tratamiento con plasma. En especial para materiales soporte de substratos de material plástico ("plastic ball grid arrays - PBGA"). El tratamiento con plasma delante del "wire bonding" (paso 2) sirve para limpiar las superficies de los puntos metálicos de apoyo de contacto ("contact pads"), generalmente de aluminio, del "Dye" (el chip) y los puntos de apoyo de contacto, usualmente de oro, del soporte del sistema (HLST) para garantizar el contacto eléctrico con el hilo de conexión, generalmente hilo de oro. La fuente más importante del ensuciamiento de estos puntos de apoyo de contacto es un proceso de tratamiento precedente ("curing"), que se utiliza para el curado de una cola de epóxido utilizada en el paso 1 mencionado más arriba.

Un segundo tratamiento con plasma tiene lugar en la mayoría de los casos después del "wire bonding" (paso 2) anterior al paso de proceso del "moulding" (paso 3). Tiene por objeto la obtención de una adherencia mejorada del encapsulado.

Los dos pasos de tratamiento con plasma mencionados se realizaban usualmente en el vacío con excitación del gas del plasma. Para ellos se utiliza en la mayoría de los casos un plasma de alta frecuencia, un plasma de microondas o un plasma ECR. La interacción en las superficies del plasma y con ello el proceso de limpieza o la modificación de las superficies ligados a ella tiene lugar por medio de proyección y/o de una reacción química con gases excitados del plasma. Para la proyección en una atmósfera no reactiva se utiliza en la mayoría de los casos únicamente argón y se aprovecha el potencial "self bias" del substrato en flotación, que se quiere limpiar, para acelerar los iones de argón hacia este último y obtener la deseada eliminación limpiadora del material. En la eliminación plasmoquímica se excitan, disocian o ionizan gases reactivos, por ejemplo oxígeno, que entran después en reacción con las impurezas de la superficie, por ejemplo carbono, y evacuan los productos gaseosos de la reacción, como CO_{2}, a través del sistema de bombeo.

A través del documento WO97/39472 (documento EP 0 894 332) de la misma solicitante que en el presente caso, se publicó un procedimiento de tratamiento sumamente ventajoso, entre otros para su utilización como los procedimientos de tratamiento con plasma expuestos más arriba. En este proceso se excita, con preferencia en una descarga de plasma, hidrógeno, que elimina después tanto el carbono de las superficies (por ejemplo a través de CH_{4}), pero que también reduce al mismo tiempo los óxidos de las superficies participantes, transformándolos en H_{2}O gaseoso. En este caso se evita la proyección vinculada al peligro de una redeposición y el proceso mencionado también puede ser utilizado sin limitaciones para materiales soporte de substratos metálicos o superficies de contacto de plata, que se oxidarían intensamente en una atmósfera con oxígeno excitado, en especial en un plasma, que contenga oxígeno. Esto daría lugar a una reducción de la "wire bondability" o de la "mouldability" (véase más arriba, pasos 2 y 3). Esto es también especialmente importante, cuando se considera la utilización para el moderno metalizado con cobre de los chips. Una propiedad muy especial del proceso mencionado es, además, que por medio del plasma de hidrógeno se pasivizan las superficies durante un tiempo tecnológicamente suficiente y se pueden almacenar por lo tanto al aire antes de establecer la unión íntima en el sentido expuesto más arriba.

El inconveniente del proceso mencionado es que la ventana de proceso, es decir el margen de los correspondientes parámetros del proceso, sigue dependiendo en cierta extensión del material de las superficies a tratar, que deban ser unidas después. Así por ejemplo, el tratamiento con plasma de los materiales soporte de substratos ("strips") tiene lugar normalmente en almacenes. Estos almacenes poseen ranuras para que los gases excitados del plasma puedan penetrar hasta las superficies de los substratos a tratar y para que los productos de reacción volátiles procedentes de la limpieza escapen con facilidad de los almacenes y puedan ser evacuados por bombeo. Las superficies de los substratos, en especial en los "strips" PBGA ("plastic ball grid arrays"), se componen en este caso siempre de una gran cantidad de materiales distintos. El "solder resist" es en este caso un compuesto orgánico de cadena larga, la superficie del "Die" (chip) es por ejemplo de silicio o de nitruro de silicio y el componente de metalización es en la mayoría de los casos de aluminio o de oro. En este caso no es posible excluir, que en la superficie del "solder resist" se hallen otras impurezas orgánicas procedentes de procesos anteriores, por ejemplo pasos de limpieza del "strip", que se depositan durante el curado del epóxido en el proceso "curing" o de tratamientos específicos definidos del "solder resist", tratamientos para favorecer, por ejemplo, la capacidad de humectación con la masilla de encapsulado (masilla de mould). Eventualmente están presentes compuestos muy volátiles, que se evaporan en especial al iniciarse el tratamiento con plasma antes mencionado. Esto conduce en especial en los almacenes mencionados - de una manera general en espacios pequeños - a presiones locales más altas, pudiendo suceder, que el equilibrio químico sea desplazado por estas variaciones locales de la presión de tal modo, que el hidrógeno reactivo ya no elimine los hidrocarburos en el proceso mencionado más arriba, sino que favorezca una polimerización. Las consecuencias de estos recubrimientos repetidos pueden ser extremadamente numerosas. Así por ejemplo, se reduce en los puntos de apoyo de contacto ("contact pads") la "wire bondability" desde el punto de vista de la fuerza de desprendimiento ("pull strength") alcanzada o se necesitan tiempos de tratamiento mucho mayores para eliminar nuevamente la capa depositada con una presión optimizada y eventualmente con una temperatura más alta. Debido a la gran variedad de materiales mencionada presentes en la superficie a tratar es posible, que por ejemplo un tiempo de tratamiento mayor o un tratamiento con plasma más intenso de lugar a un tratamiento mejorado de algunas de las superficies, por ejemplo las superficies metálicas, pero que al mismo tiempo modifique otras superficies, como por ejemplo el "solder resist" o la capa de pasivado de tal modo, que empeore la adherencia de la masilla de encapsulado (masilla de "mould"), que deba ser aplicada después (véase la discusión relacionada con los ensayos
II).

El objeto del presente invento es crear un procedimiento para la fabricación de componentes de la clase mencionada más arriba en el que se amplíe la ventana de proceso, en especial la ventana de proceso del tratamiento previo, en especial su dependencia de distintos materiales presentes en la superficie, pero también de los parámetros del proceso, en especial de los parámetros "presión" y "temperatura". Con otras palabras, el procedimiento propuesto según el invento debe dar lugar a resultados igualmente satisfactorios con márgenes ampliados de los parámetros, tales como los márgenes de presión y/o los márgenes de temperatura en toda la variedad de materiales mencionada, desde el punto de vista de la calidad de la unión íntima prevista posteriormente.

A consecuencia de la ventana de proceso ampliada mencionada también debe quedar garantizada una homogeneización mejorada de la distribución de la acción del tratamiento, incluso en superficies multimateriales.

Como ya se mencionó, también se deben garantizar en especial los resultados para substratos en almacenes o para substratos con formas geométricas estrechas (ranuras, orificios). Dado que las reacciones plasmoquímicas en las superficies de los substratos también dependen de la temperatura del substrato y que, en especial en el tratamiento con plasma en almacenes y sobre substratos extensos se producen gradientes de temperatura grandes, la mencionada ampliación de la ventana de proceso también debe favorecer la uniformidad.

Con ello debe ser posible el tratamiento uniforme de las superficies, incluso las superficies de ranuras, de orificios, de intersticios, etc. en los propios substratos.

Además, se debe evitar el recubrimiento repetido de la superficie tratada por sedimento, respectivamente polimerización; el procedimiento debe ser barato y no debe ser necesario utilizar gases deflagrantes y/o contaminantes del medio ambiente. Por otro lado, se deben conservar las ventajas del procedimiento conocido según el documento WO97/39472 mencionada en último lugar, en especial también sus propiedades de conservación.

De acuerdo con ello se definen:

- Pasivación, respectivamente pasivado: véase Römps Chemielexikon, Franksche Verlagshandlung, Stuttgart, 8ª edición, página 3005.

Bajo este concepto se entiende un recubrimiento de protección ligado de la superficie del cuerpo sólido. La superficie limpia del cuerpo sólido es protegida de agentes atmosféricos. Esto se consigue por ejemplo con la formación de una capa de óxido o de nitruro. Para la obtención de una unión íntima de la clase mencionada más arriba es preciso, que una capa de esta clase sea preparada con una energía, que debe ser aplicada especialmente para ello, por ejemplo aplicando temperaturas más altas que las necesarias para el proceso de unión propiamente dicho, o químicamente, por ejemplo recurriendo a un fundente.

De la pasivación mencionada más arriba diferenciamos fundamentalmente la conservación, que no exige en especial la preparación de la capa con energía adicional durante la unión. Esta conservación se detectó en relación con el invento según el documento WO97/39472, por lo que se remite en toda su extensión a este documento y se declara este como componente integrado de la presente descripción.

La solución del problema mencionado más arriba resulta del procedimiento de la clase mencionada al principio y se realiza con las características de la reivindicación 1. De acuerdo con ella, el tratamiento previo se realiza con un gas activado del plasma, que contenga nitrógeno.

En el procedimiento de fabricación según el invento, el gas activado del plasma contiene, además, hidrógeno en una forma de ejecución preferida.

A pesar de que es perfectamente posible utilizar una cualquiera de las clases de descarga de plasma conocidas para la activación del gas del plasma mencionado, en una forma de ejecución especialmente preferida se genera la descarga de plasma mencionada como descarga de baja tensión, con preferencia con un cátodo termoiónico.

El gas activado del plasma contiene, además, de manera preferida un gas de trabajo, con preferencia un gas noble, en especial argón.

Si bien el gas activado del plasma mencionado contiene, además de nitrógeno, otros componentes gaseosos, en especial hidrógeno y/o un gas de trabajo, de una forma y manera preferida contiene predominantemente nitrógeno, estando formado incluso, aparte del gas de trabajo eventualmente previsto, de nitrógeno.

Las superficies de cuerpo sólido a unir íntimamente son en este caso metálicas y/o semimetálicas y/o cerámicas y/o de material plástico, en especial de acuerdo con los materiales preferidos mencionados al principio. De manera especialmente preferida, las superficies de cuerpo sólido mencionadas son superficies con zonas de materiales distintos, en especial los materiales mencionados.

La unión íntima se realiza en el proceso de fabricación según el invento con preferencia por encolado, soldadura blanda, soldadura dura, encapsulado o recubrimiento, en este caso en especial por recubrimiento en vacío o por "vinculación anódica directa".

La descarga de baja tensión mencionada y utilizada con preferencia se realiza de manera preferida con una tensión de descarga \leq 30 V y con preferencia con una intensidad de descarga de 10 A a 300 A, incluidos los dos límites, en especial de 40 A a 70 A.

En una forma de ejecución especialmente preferida del procedimiento según el invento se expone la superficie del cuerpo sólido a unir después del tratamiento previo mencionado y antes de la unión íntima al aire durante días hasta semanas.

Con ello es posible no transformar la superficie mencionada inmediatamente después de su tratamiento previo y no obligatoriamente in situ. Se obtiene una gran flexibilidad desde el punto de vista del ritmo y del lugar de tratamiento para la realización del procedimiento según el invento, sin necesidad de prever costosas medidas de limpieza adicionales, como el almacenamiento en un gas de protección.

En una forma de ejecución especialmente preferida del procedimiento según el invento se almacena la al menos una fase de cuerpo sólido durante el tratamiento previo en un soporte, que, desde el punto de vista de la cámara de descarga de plasma, define zonas de paso estrechas hacia la superficie mencionada. En la mayoría de los casos, la al menos una fase de cuerpo sólido está formada por un substrato con forma de disco o de placa y la disposición de sujeción se construye con al menos un a ranura de paso.

La disposición de sujeción posee en este caso con preferencia varias de las ranuras de paso mencionadas y forma un almacén propiamente dicho.

Una aplicación preferida del procedimiento según el invento es la unión de circuitos integrados con HLST o el contactado eléctrico de los circuitos integrados por medio del "wire bonding" o el encapsulado en una masilla de circuitos integrados eléctricos unidos con HLST y contactados por medio de un "wire bonding".

Otra aplicación preferida se halla en el campo de los circuitos integrados a unir y a posicionar de modo "flip-chip". Por un lado, es posible limpiar de óxido los puntos de soldadura y pasivarlos al mismo tiempo y, por otro, se obtiene una humectación mejorada del "underfill" (una masilla de "mould", que rellena el intersticio entre el chip y el soporte del chip y que sirve para absorber esfuerzos mecánicos).

Además, el procedimiento según el invento se aplica también con preferencia a piezas de la clase especificada en la reivindicación 15. El procedimiento según el invento se presta también en especial para chips con pistas conductoras de cobre, según la reivindicación 16.

Una pieza tratada, que se puede almacenar al aire puede ser reconocida por ejemplo por el hecho de que la superficie posee una concentración en nitrógeno más alta con relación a una superficie generada directamente de la pieza, lo que se puede comprobar con la "Fourier transform infrared spectroscopy" con "attenuated total reflection", FTIS-ATR y/o con el "nuclear reaction analysis" NRA o con el "time-of-flight secondary ion mass spectrometry", TOF-SIMS. Debido a la mayor concentración en nitrógeno, que indica el tratamiento previo según el invento, es posible llevar la pieza según el invento después del almacenamiento al aire directamente y sin otro tratamiento previo en el sentido mencionado más arriba a la unión íntima. En este caso es posible establecer, según otra forma de ejecución preferida del procedimiento según el invento, la unión íntima por medio de una acción térmica en el aire, con preferencia con una temperatura del cuerpo sólido de 150ºC como máximo.

Resumiendo, se puede decir, que el efecto del nitrógeno, hallado y aprovechado según el invento, sorprende en especial si se tiene en cuenta la teoría (véase J.L. Vossen et al. "Thin Film Processes", ACADEMIC PRESS, INC. 1978) según la que los plasmas de N_{2} no eliminan las superficies de polímero.

El invento se describe en lo que sigue a título de ejemplo por medio del dibujo y de ejemplos. En el dibujo muestran:

La figura 1, esquemáticamente la construcción de una instalación como la utilizada para los ensayos descritos.

La figura 2, los espectros Auger de superficies de Cu ("lead frames") para el establecimiento de un a unión por soldadura blanda.

La figura 3, esquemáticamente, la definición del esfuerzo F_{p} de tracción, respectivamente de trabajo de puntos de unión "wire bond".

La figura 4, los resultados de los ensayos de la carga de tracción admisible ("pull strength") realizados como se muestra en la figura 3 con un tratamiento (a) con plasma de hidrógeno-argón, un tratamiento (b) con plasma de argón, un tratamiento (c) en un plasma de Ar/N_{2}/H_{2} y un tratamiento (d) con un plasma de Ar/N_{2}.

La figura 5, por medio de un diagrama de tiempo/capacidad de la carga de tracción, el efecto a largo plazo del tratamiento con plasma utilizado según el invento, respectivamente la carga admisible de las uniones íntimas creadas en piezas según el invento.

La figura 6, en analogía con la 5representación de la figura 4, los resultados de otros ensayos de capacidad de carga de tracción.

La figura 7, esquemáticamente y en sección transversal, zonas de substratos, que se prestan igualmente para la aplicación del procedimiento según el invento.

Como ya se mencionó, en el procedimiento de fabricación según el invento se configura la descarga de plasma para la excitación del gas de manera especialmente preferida como descarga de arco de baja tensión. Los dispositivos de la clase preferida son conocidos, por ejemplo a través de los documentos:

- DE-OS 43 10 941, correspondiente al documento US-5 384 018,

- DE 40 29 270, correspondiente al documento EP 478 909, respectivamente documento DE 40 29 268, correspondiente al documento US 5 336 326,

- EP 510 340, correspondiente al documento US 5 308 950.

Estos documentos citados a título de ejemplo muestran todas las cámaras de tratamiento de piezas con descargas de arco voltaico de baja tensión. Estos documentos deben formar parte integrante de la presente descripción desde el punto de vista de la construcción de estas cámaras de tratamiento.

En la figura 1 se representa un dispositivo preferido para la utilización según el presente invento. En una cámara 1 de cátodo está montado de manera aislada un cátodo 3 termoiónico. Algunas partes 17 de la cámara 1 del cátodo rodean un orificio 9 de manejo. La cámara 1 del cátodo está montada por medio de soportes 22 de aislamiento en la pared de la cámara 11 de tratamiento. Una pantalla 20, que, tanto con relación a la cámara 1 del cátodo, como también con relación a la cámara 11 de tratamiento, trabaja con potencial flotante rodea las partes 17 con una separación d de cámara oscura directamente hasta la zona del orificio 9 del diafragma. El cátodo termoiónico es activado por medio de una fuente 24 con la corriente I_{H} de calefacción y se conecta a través de una fuente 26 de tensión y, dicho de manera general, de una unidad 28 con al menos una parte de la pared de la cámara del cátodo, con preferencia con la propia pared de la cámara del cátodo. La unidad 28 actúa como limitador de corriente y, en función de la corriente I, que circula por ella, da lugar a una caída u de tensión. Como se representa con líneas de trazo discontinuo se puede realizar con una fuente de tensión controlada en intensidad, pero de manera preferente se realiza con un elemento de conexión pasivo, en especial con un elemento 30 de resistencia.

El polo positivo de la fuente 26 de tensión puede ser aplicado a un potencial de referencia, tanto si es una masa u otro potencial prefijado o puede trabajar sin potencial, como se representa de manera puramente esquemática con el conmutador 34 de varias posiciones. Dado que la cámara 11 de manejo está aislada eléctricamente de la cámara 11 del cátodo, puede trabajar esta, como se representa de manera puramente esquemática por medio del conmutador 34 de varias posiciones, con potencial de masa, con un potencial de referencia o eventualmente incluso con un potencial flotante. La pared 36 interior de la cámara de tratamiento o al menos algunas partes de ella pueden ser conectadas como ánodo desde el punto de vista del cátodo 3 termoiónico; sin embargo, con preferencia se prevé, como se representa con líneas de trazo discontinuo, un ánodo 38 separado, que se conecta por medio de una fuente 40 de tensión de manera anódica, es decir positiva, con relación al cátodo 3 termoiónico. El ánodo 38 se utiliza en este caso con preferencia como portapiezas para las piezas W representadas esquemáticamente. A la cámara del cátodo se aporta a través de la tubería 41 de alimentación con gas un gas de trabajo, por ejemplo y con preferencia argón. A través de otra tubería 43 de aportación de gas representada esquemáticamente, aplicable a un potencial, como se representa esquemáticamente por medio del conmutador 35 de varias posiciones, según el potencial aplicado a la cámara 11, se aporta el gas G (X, Y, N_{2}), que contiene nitrógeno, con preferencia nitrógeno, desde la disposición 50 de depósito de gas. El gas es introducido a través de una válvula 52 representada esquemáticamente.

Como portapiezas 51 se utiliza, en especial en las aplicaciones industriales del procedimiento según el invento con la cámara de tratamiento según el invento representada esquemáticamente en la figura 1, un almacén 51. En él se apila una gran cantidad de substratos a tratar y sólo comunica con el recinto P de proceso de la cámara a través de ranuras frontales y/o traseras para la introducción de los substratos así como a través de ranuras 51a pasantes mecanizadas en la pared del almacén. Las relaciones H geométricas en relación con los restantes orificios de comunicación (ranuras pasantes) entre las superficies de los substratos y el recinto P de proceso pueden ser en este caso considerablemente menores que la separación de cámara oscura de la descarga en plasma mantenida en la cámara. El tratamiento, utilizado según el invento, de las superficies se produce por medio del gas, que contiene nitrógeno, excitado por la descarga y que penetra en el almacén a través de los orificios, respectivamente las ranuras mencionadas.

Aquí ya es visible, que el procedimiento de tratamiento utilizado según el invento se presta también para la limpieza de zonas de superficie poco accesibles, como cantos, taladros, orificios ciegos, ranuras, etc., de piezas, respectivamente substratos y que son superficies, que deben ser llevadas después a una unión íntima. Estas zonas de superficie se representan esquemáticamente en la figura 7.

Se prevé una disposición 42 de bombeo para evacuar por bombeo la cámara 11 y eventualmente la cámara 1 del cátodo, al mismo tiempo, que, como se representa, se puede prever adicionalmente una disposición 42a de bombeo para evacuar por bombeo por separado la cámara del cátodo. La disposición del diafragma con el orificio 9 del diafragma actúa como etapa de presión entre la presión en la cámara 1 del cátodo y la presión en la cámara 11 de tratamiento.

La pared de la cámara 1 de tratamiento forma un electrodo de cebado: para el cebado de la descarga de baja tensión se calienta el cátodo 3 termoiónico, para que emita electrones, con la corriente I_{H} de calefacción y se inyecta argón en la cámara del cátodo. Debido a las relaciones de las distancias entre la pared de la cámara 1 del cátodo y el cátodo 3 tiene lugar, por aplicación de un potencial a este último, el cebado de la descarga, con lo que una corriente i fluye a través de la unidad 28, en especial de la resistencia 30. Con ello se reduce el potencial \Phi_{2}, que poseía anteriormente el valor de cebado, de la pared 17 de la cámara del cátodo, con lo que la pared de la cámara 1 ya sólo actúa, durante el funcionamiento, de una manera despreciable como ánodo y la descarga de plasma es atraída a través de la disposición de diafragma con el orificio 9 del diafragma hacia el ánodo 38 del lado de la cámara de tratamiento.

Con una cámara 1 como la representada en la figura 1 se trataron las superficies de piezas a unir. En este caso se puede tratar por ejemplo de

- "lead frames" para soldadura blanda, por ejemplo de Cu, de Cu niquelado o de Cu chapado con plata,

- materiales HLST orgánicos, como BGA ("ball grid arrays") y MCM ("multi chip modules"), sobre la base de epóxido o ésteres, así como PCB ("printed circuit boards"),

- QFP ("quad flat packs") metálicos, por ejemplo de Cu, Cu plateado o Cu chapado con Pd,

- el metalizado de las pistas conductoras para los materiales HLST orgánicos y los QFP, por ejemplo de Cu plateado, Cu dorado, Au,

- soportes de substratos de semiconductores configurados como "flip chip" con puntos de soldadura, por ejemplo de AgSn, PbSn, PbSnAg, PbInAg,

- materiales HLST sobre base cerámica, por ejemplo óxido de aluminio,

- capa de protección de la superficie de chips, por ejemplo nitruro de silicio, oxinitruro de silicio, poliimida,

- obleas de Si-Si con vinculación anódica directa.

Descripción del tratamiento

La cámara de tratamiento según la figura 1 utilizada para los ensayos, que se describirán, poseía un volumen de

V \approx 150 \ l

Las piezas de la clase indicada más arriba se introdujeron en la cámara, que se hizo funcionar de la siguiente manera:

1.

Bombeo hasta la presión básica de 10^{-5} mbar,

2.

Activado del cátodo con I_{H} aproximadamente 190 A,

2.1 Plasma de argón/hidrógeno (ensayo de referencia)

Intensidad de descarga:

ensayos I: 50 A

\quad

ensayos II: 60 A

Flujo de argón:

20 sccm

Tiempo de tratamiento:

ensayos I: 10 min

\quad

ensayos II: 10, respectivamente 20 min

\vskip1.000000\baselineskip

2.2 Tratamiento previo en plasma de argón (segundo ejemplo de referencia)

Intensidad de descarga:

ensayos I: 50 A

\quad

ensayos II: 60 A

Flujo de argón:

20 sccm

Tiempo de tratamiento:

ensayos I: 10 min

\quad

ensayos II:10, respectivamente 20 min

\vskip1.000000\baselineskip

2.3 Tratamiento previo según el invento (combinación de N_{2} + H_{2})

Intensidad de descarga:

ensayos I: 50 A

\quad

ensayos II: 60 A

Flujo de argón:

20 sccm

Flujo de N_{2} y H_{2}

total 20 sccm, 4 vol. % H_{2}

Tiempo de tratamiento:

ensayos I: 10 min

\quad

ensayos II:10, respectivamente 20 min

\vskip1.000000\baselineskip

2.4 Tratamiento previo según el invento (sólo N_{2})

Intensidad del arco:

ensayos I: 50 A

\quad

ensayos II: 60 A

Flujo de argón:

20 sccm

Flujo de nitrógeno (puro)

20 sccm

Tiempo de tratamiento:

ensayos I: 10min

\quad

ensayos II: 10, respectivamente 20 min

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En todos los casos se aplicó la tensión de cebado entre el cátodo 3 y el electrodo 17 de cebado (véase la figura 1) después de aproximadamente 30 segundos de calentamiento del cátodo termoiónico con una corriente de calefacción de aproximadamente 190 A. La resistencia 30 se eligió con aproximadamente 20 Ohm y de aplicó a masa. Después del cebado de la descarga se genera entre el cátodo 3 y el ánodo 38 una tensión de descarga de aproximadamente 25 V con 50 A, utilizando para ello con preferencia un generador de soldadura, cuando se utiliza como ánodo la pared 11 del recipiente puesta a masa.

Se generan iones y productos neutrales, cuyo índice es la luminiscencia típica del plasma. Las piezas a tratar, almacenadas en almacenes se trataron en su superficie en el plasma así generado. Los compuestos de nitrógeno y eventualmente los compuestos de hidrógeno con impurezas se evacuaron por bombeo con la disposición 42 de bombeo.

La presión de trabajo fue de aproximadamente 5 x 10^{-3} mbar.

Como se representa en la figura 1, se utilizaron almacenes 51 con anchos H de paso (véase la figura 1) de 1 mm a 10 mm.

En lugar de aplicar el almacén y con ello las piezas a masa se pueden exponer, en especial estas últimas, al tratamiento con plasma con un potencial flotante ("floating") u otro potencial de referencia. Debido a que el potencial de las piezas es, con relación al potencial del plasma, muy bajo, \leq /20/V, en la descarga con baja tensión descrita, se excluyen tanto el problema de la redeposición de material en las piezas, que se puede producir en la proyección libre, como también en especial el peligro de la destrucción de circuitos integrados críticos desde el punto de vista de diferencias de potencial eléctrico. La limpieza y la conservación se realizan exclusivamente por medio de procesos químicos producidos por electrones, en las piezas aplicadas a un potencial correspondiente, o por iones y electrones de baja energía en las piezas tratadas de manera flotante (floating).

La gran cantidad de electrones acoplados en el plasma garantiza una reactividad alta del plasma y con ello tiempos de tratamiento pequeños, lo que contribuye esencialmente a la rentabilidad del procedimiento propuesto. Otra ventaja reside en el hecho de que el plasma puede penetrar en cavidades pequeñas, en especial en el almacén representado. Con ello es posible tratar, por ejemplo, las piezas sin extraerlas de los casetes, respectivamente los almacenes representados, lo que es especialmente rentable.

Como piezas se trataron PBGA-HLST así como "lead frames" con superficies de Cu para el establecimiento posterior de uniones por soldadura blanda.

Resultados

En la figura 4 se representan los resultados de la carga de tracción admisible. En los elementos PBGA-HLST tratados según el invento se midió la carga de tracción admisible, respectivamente la fuerza F_{P} de tracción de las uniones íntimas obtenidas por vinculación catódica de alambre de oro. En la figura 3 se representa esquemáticamente este procedimiento. En ella designa la referencia 53 el punto de unión con la superficie tratada según el invento de un "lead frame" 57.

Las superficie de los substratos tratados habían sido tratadas previamente por el fabricante de una manera y clase no conocida. Después de este tratamiento previo se preveía el peligro de una redeposición desde la fase gaseosa, es decir una polimerización por plasma, en la superficie.

En los substratos no tratados adicionalmente de manera directa por los fabricantes no se pudo establecer una unión por "wire bonding". Las cargas resultantes se representan en la figura 4 para los ensayos I. Los substratos tratados fueron substratos no apropiados para una tratamiento con plasma de argón-hidrógeno. La temida redeposición desde la fase gaseosa, es decir la polimerización con plasma, se produjo realmente en el tratamiento con plasma de argón-hidrógeno, como muestran los resultados (a) relativamente desfavorables de la carga de tracción admisible.

Se midió una carga de tracción de aproximadamente 3,3 cN.

Con el tratamiento con plasma de argón se obtuvieron resultados (b) ligeramente mejorados, con cargas de tracción de aproximadamente 3,6 cN. En este caso, el calentamiento de las superficies del substrato y la desorción liga a él dieron, por sí solos, lugar a resultados mejores que los obtenidos con el plasma de argón-hidrógeno debido a la polimerización con plasma.

Como resultado del tratamiento según el invento se obtuvieron valores manifiestamente mejores, a saber, con el plasma de argón-nitrógeno con un contenido pequeño en hidrógeno, en el presente caso del 4% aproximadamente, según (c) y con el plasma de argón-nitrógeno según (d). Aquí debe hacerse la observación de que, si se agrega hidrógeno al gas G a excitar, se debe realizar esto en cualquier caso en una cantidad menor que el contenido en gas nitrógeno.

En los substratos tratados según el invento se midieron cargas de tracción de aproximadamente 5 cN (c), respectivamente muy superiores a 5 cN (d).

Fundamentalmente se exigen en las uniones descritas cargas nominales de tracción de 5 cN.

En la figura 5 se representa el efecto a largo plazo de la acción de la limpieza de substratos, que, como se describió anteriormente, fueron tratados según el ensayo (c), es decir con plasmas de argón-nitrógeno-hidrógeno (4% N_{2} en volumen).

Por un lado se representa la carga F_{P} de tracción y, por otro, el tiempo de almacenamiento al aire de los substratos tratados hasta establecimiento del "wire bonding".

Se comprueba, que los valores de la carga de tracción permanecen invariables dentro de la exactitud de medida incluso después de siete días, es decir, que no se produjo una recontaminación de las superficies liberadas con el tratamiento en plasma utilizado según el invento.

En la figura 6 se representan los resultados de los ensayos II de manera análoga a los ensayos según la figura 4. Los resultados marcados con "**" se obtuvieron con un tratamiento de 10 minutos y los marcados con "**" con un tratamiento de 20 minutos. La intensidad de descarga fue, como ya se mencionó, de 60 A. Los ensayos (a) a (d) según la figura 6 se corresponden con los de la figura 4. En la figura 6 no se representan los ensayos realizados de los substratos tratados con plasma de argón, pero que fueron manifiestamente peores que los ensayos según (a), es decir con el plasma de argón-hidrógeno.

De aquí se desprende, que a pesar de una intensidad de descarga más alta comparada con los ensayos I, no se alcanzan en el tratamiento de 10 minutos con plasma (a) de argón-hidrógeno las cargas tracción de 5 cN exigidas. Para el tratamiento con plasma según (c) y (d) se hallan, sin embargo, comparados con los ensayos I, muy por encima del valor exigido, a saber 6,5 cN (c), respectivamente 6 cN (d), después del tratamiento de 10 minutos con 60 A mencionado. Con ello se pueden obtener con el plasma de argón-hidrógeno los buenos resultados análogos con sólo aumentar el tiempo de tratamiento. Esto se debe a la mayor carga térmica de los substratos, respectivamente a que con una mayor duración del proceso pueden surgir efectos indeseados en los substratos con otras superficies de material adicionales. Mientras que en los substratos tratados de acuerdo con el invento según (c), respectivamente (d), el "molding" posterior no creó problema alguno, en los substratos (figura 6) tratados según (a) se observó un delaminado parcial de la masa de "mold". Precisamente esto pone de manifiesto, que el procedimiento de tratamiento utilizado según el invento posee una ventana de proceso ampliada, también desde el punto de vista de los materiales utilizados.

De manera esencial se debe hacer todavía la observación de que los ensayos de cargas de tracción representados por medio de la figura 6 se realizaron en substratos vinculado catódicamente cinco días después de su tratamiento con plasma según el invento, mientras que los ensayos I según la figura 4 resultan de la vinculación catódica realizada el mismo día que el tratamiento con plasma.

En la figura 2 se representan finalmente los espectros de Auger de superficies de Cu ("lead frames") para el establecimiento de una unión con soldadura blanda.

El espectro (a) se obtuvo en un "lead frame" no tratado según el invento.

El espectro (b) se obtuvo después de un tratamiento según el invento de dos minutos de acuerdo con la figura 4, el espectro (c) después de un tratamiento de esta clase de cuatro minutos y finalmente el espectro (d) después de un tratamiento previo de esta clase de seis minutos. El desarrollo de los picos C con 271 eV así como de los picos N con 379 eV y de los picos O con 503 eV pone en especial de manifiesto la acción de limpieza del procedimiento según el invento. Los substratos en los que se obtuvieron los espectros según la figura 2 se trataron con los tiempos de tratamiento indicados con plasmas de argón-nitrógeno-hidrógeno(4%). Con el tratamiento en plasma según (d) de la figura 4, respectivamente la figura 6, el comportamiento desde el punto de vista de C y de N es esencialmente el mismo, mientras que el oxígeno no es reducido del todo.

En las piezas tratadas con un plasma de nitrógeno y, por lo tanto, sin almacenamiento al aire posterior, se pueden apreciar, como ya se mencionó, concentraciones de nitrógeno en sus superficies marcantes.

Claims (16)

1. Procedimiento para la fabricación de componentes con unión íntima de al menos dos fases de material de las que al menos una es una fase de cuerpo sólido, procedimiento en el que, antes de la unión íntima, se somete al menos la superficie a unir de la fase de cuerpo sólido previamente a un tratamiento previo con un gas activado con plasma y, se almacena después al aire, caracterizado porque el tratamiento previo se realiza con el gas activado con plasma, que contiene predominantemente nitrógeno.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el tratamiento previo se realiza con un gas activado con plasma, que contiene hidrógeno.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado porque la descarga de plasma se genera como descarga de baja tensión, con preferencia desde un cátodo termoiónico emisor de electrones.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el tratamiento previo se realiza con un gas activado con plasma, que contiene un gas de trabajo, con preferencia un gas noble, en especial argón.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la al menos una superficie a unir íntimamente del cuerpo sólido es metálica y/o semimetálica y/o cerámica y/o de material plástico.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque la unión íntima se realiza por encolado, soldadura blanda, soldadura dura, encapsulado o recubrimiento, en especial recubrimiento en vacío o por vinculación catódica directa.

7. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque la descarga de baja tensión trabaja con una tensión de descarga \leq 30 V y con preferencia con una intensidad de descarga entre 10 A y 30 A (incluidos ambos límites)

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la unión íntima se realiza con soldadura con ultrasonido.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque la al menos una fase de cuerpo sólido se almacena durante el tratamiento previo en una disposición de sujeción, que define, con relación al recinto de la descarga del plasma, ranuras de paso estrechadas en la superficie de la fase de cuerpo sólido.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, caracterizado porque la al menos una fase de cuerpo sólido está formada por un substrato con forma de disco o de placa y porque la disposición de sujeción posee al menos una ranura de paso para él.

11. Procedimiento según la reivindicación 10, caracterizado porque la disposición de sujeción es un almacén (12) con varias ranuras de paso.

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 11, caracterizado porque la unión íntima se establece incluso al aire, con preferencia con una temperatura máxima de 150ºC del cuerpo sólido.

13. Utilización del procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 12 para la unión de circuitos integrados con un HLST o para el contactado eléctrico de circuitos integrados por medio del "wire bonding" o para el encapsulado con una masilla de circuitos eléctricos unidos con HLST y contactos por medio de una vinculación catódica.

14. Utilización del procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9, para circuitos integrados así como HLST a un ir y posicionar "flip-chip" por fusión de puntos de soldadura del circuito y del HLST.

15. Utilización del procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 9 para piezas con zonas de superficie difícilmente accesible, en especial cantos, taladros pasantes, taladros ciegos, ranuras, estrías y superficies a unir íntimamente.

16. Utilización del procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 11 para chips con pistas conductoras de Cu.