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環境與靜電對集成電路封裝的影響

發布時間:2019-10-23

來源:上海慧方工位器具有限公司

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現代發達國家經濟發展的重要支柱之一--集成電路(以下稱IC)產業發展十分迅速。自從1958年世界上第一塊IC問世以來

  現代發達國家經濟發展的重要支柱之一--集成電路(以下稱IC)產業發展十分迅速。自從1958年世界上第一塊IC問世以來,特別是近20年來,幾乎每隔2-3年就有一代產品問世,至目前,產品以由初期的小規模IC發展到當今的超大規模IC。IC設計、IC制造、IC封裝和IC測試已成為微電子產業中相互獨立又互相關聯的四大產業。微電子已成為當今世界各項尖端技術和新興產業發展的前導和基礎。有了微電子技術的超前發展,便能夠更有效地推動其它前沿技術的進步。隨著IC的集成度和復雜性越來越高,污染控制、環境保護和靜電防護技術就越盲膨響或制約微電子技術的發展。同時,隨著我國國民經濟的持續穩定增長和生產技術的不斷創新發展,生產工藝對生產環境的要求越來越高。大規模和超大規模Ic生產中的前后道各工序對生產環境提出了更高要求,不僅僅要保持一定的溫、濕度、潔凈度,還需要對靜電防護引起足夠的重視。

  一、環境因素對IC封裝的影響

  在半導體IC生產中,封裝形式由早期的金屬封裝或陶瓷封裝逐漸向塑料封裝方向發展。塑料封裝業隨著IC業快速發展而同步發展。據中國半導體信息網對我國國內28家重點IC制造業的IC總產量統計,2001年為44.12億塊,其中95%以上的IC產品都采用塑料封裝形式。

  眾所周知,封裝業屬于整個IC生產中的后道生產過程,在該過程中,對于塑封IC、混合IC或單片IC,主要有晶圓減薄(磨片)、晶圓切割(劃片)、上芯(粘片)、壓焊(鍵合)、封裝(包封)、前固化、電鍍、打印、后固化、切筋、裝管、封后測試等等工序。各工序對不同的工藝環境都有不同的要求。工藝環境因素主要包括空氣潔凈度、高純水、壓縮空氣、C02氣、N:氣、溫度、濕度等等。

  對于減薄、劃片、上芯、前固化、壓焊、包封等工序原則上要求必須在超凈廠房內設立,因在以上各工序中,IC內核--芯粒始終裸露在外,直到包封工序后,芯粒才被環氧樹脂包裹起來。這樣,包封以后不僅能對IC芯粒起著機械保護和引線向外電學連接的功能,而且對整個芯片的各種參數、性能及質量都起著根本的保持作用。在以上各工序中,哪個環節或因素不合要求都將造成芯粒的報廢,所以說,凈化區內工序對環境諸因素要求比較嚴格和苛刻。超凈廠房的設計施工要嚴格按照國家標準GB50073-2001《潔凈廠房設計規范》的內容進行。

  1 空調系統中潔凈度的影響

  對于凈化空調系統來講,空氣調節區域的潔凈度是最重要的技術參數之一。潔凈廠房的潔凈級別常以單位體積的空氣中最大允許的顆粒數即粒子計數濃度來衡量。為了和國際標準盡快接軌,我國在根據IS014644-1的基礎上制定了新的國家標準GB50073-2001《潔凈廠房設計規范》,其中把潔凈室的潔凈度劃分了9個級別。

  結合不同封裝企業的凈化區域面積的大小不一,再加之由于塵粒在各工序分布的不均勻性和隨機性,如何針對不同情況來確定合適恰當的采集測試點和頻次,使潔凈區域內潔凈度控制工作既有可行性,又具有經濟性,進而避免偶然性,各封裝企業可依據國家行業標準JGJ71-91《潔凈室施工及驗收規范》中的規定靈活掌握。

  由于微電子產品生產中,對環境中的塵粒含量和潔凈度有嚴格的要求,目前,大規模IC生產要求控制0.1μm的塵粒達到1級甚至更嚴。所以對IC封裝來說,凈化區內的各工序的潔凈度至少必須達到1級。

  2 超純水的影響

  IC的生產,包括IC封裝,大多數工序都需要超純水進行清洗,晶圓及工件與水直接接觸,在封裝過程中的減薄工序和劃片工序,更是離不開超純水,一方面晶圓在減薄和劃片過程中的硅粉雜質得到洗凈,而另一方面純水中的微量雜質又可能使芯粒再污染,這毫無疑問將對封裝后的IC質量有著極大的影響。

  隨著IC集成度的進一步提高,對水中污染物的要求也將更加嚴格。據美國提出的水質指標說明,集成度每提高一代,雜質都要減少1/2~1/10。

  隨著半導體IC設計規則從1.5~0.25μm的變化,相應地超純水的水質除電阻率已接近理論極限值外,其TOC(總有機碳)、DO(溶解氧)、Si02、微粒和離子性雜質均減少2-4個數量級。

  在當前的水處理中,各項雜質處理的難易程度依次是TOC、SiO2、DO、電阻率,其中電阻率達到18MΩ?cm(25℃)是當前比較容易達到的。由于TOC含量高會使柵氧化膜尤其是薄柵氧化膜中缺陷密度增大,所以柵愈薄要求TOC愈低,況且現在IC技術的發展趨勢中,芯片上柵膜越來越薄,故降低TOC是當前和今后的最大難點,因而已成為當今超純水水質的象征和重心。據有關資料介紹,在美國芯片廠中,50%以上的成品率損失起因于化學雜質和微粒污染;在日本工廠中由于微粒污染引起器件電氣特性的不良比例,已由2μm的70%上升到0.8μm超大規模IC的90%以上,可見IC線條寬度越細,其危害越突出。相應的在IC封裝過程中超純水的重要性就顯而易見了。

  在半導體制造工藝中,大約有80%以上的工藝直接或間接與超純水,并且大約有一半以上工序,硅片與水接觸后,緊接著就進人高溫過程,若此時水中含有雜質就會進入硅片而導致IC器件性能下降、成品率降低。確切一點說,向生產線提供穩定優質的超純水將涉及到企業的成本問題。

  3 純氣的影響

  在IC的加工與制造封裝中,高純的氣體可作為保護氣、置換氣、運載氣、反應氣等,為保證芯片加工與封裝的成品率和可靠性,其中一個重要的環節,就是嚴格控制加工過程中所用氣體的純度。所謂高純或超純也不是無休止的要求純而又純,而是指把危害IC性能、成品率和可靠性的有害雜質及塵粒必須減少到一定值以下。

  例如在IC封裝過程中,把待減薄的晶圓,劃后待粘片的晶圓,粘片固化后待壓焊的引線框架(LF)與芯粒放在高純的氮氣儲藏柜中可有效地防止污染和氧化;把高純的C02氣體混合人高純水中,可產生一定量的H+,這樣的混合水具有一定的消除靜電吸附作用,代劃片工序使用可有效地去除劃痕內和芯粒表面的硅粉雜質,以此來減少封裝過程中的芯粒浪費。

  4 溫、濕度的影響

  溫、濕度在IC的生產中扮演著相當重要的角色,幾乎每個工序都與它們有密不可分的關系。GB50073-2001《潔凈廠房設計規范》中明確強調了對潔凈室溫、濕度的要求要按生產工藝要求來確定,并按冬、夏季分別規定。

  根據國家要求標準,也結合我廠IC塑封生產線的實際情況,特對相關工序確定了溫、濕度控制的范圍,運行數年來效果不錯。

  但是,由于空調系統發生故障,在2001年12月18日9:30~9:40期間,粘片工序工作區域發生了一起濕度嚴重超標事故。當時相對濕度高達86.7%RH,而在正常情況下相對濕度為45~55%RH。

  當時濕度異常時粘片現場狀況描述如下:

  所有現場桌椅板凳、玻璃、設備、晶圓、芯片以及人身上的防靜電服表面都有嚴重的水汽,玻璃上的水汽致使室內人看不清過道,用手觸摸桌椅設備表面,都有很明顯的手指水跡印痕。更為嚴重的是在粘片工序現場存放的芯片有許多,其中SOPl6L產品7088就在其列。所有這些產品中還包括其它系列產品,都象經過了一次蒸汽浴一樣。

  針對這批7088成品率由穩到不穩,再到嚴重下降這一現象,我們對粘片、壓焊、塑封等工序在此批次產品加工期間的各種工藝參數,原材料等使用情況進行了詳細匯總,沒有發現異常情況,排除了工藝等方面的原因。

  事后進一步對廢品率極高的18#、21#、25#、340、55#卡中不合格晶進行了超聲波掃描,發現均有不同程度的離層,經解剖發現:從離層處發生裂痕、金絲斷裂、部分芯片出現裂紋。最后得出結論如下:

  (1)造成成品率下降的原因主要是封裝離層處產生裂痕,導致芯片裂紋或金絲斷裂。

  (2)產生離層的原因是由于芯片表面水汽包封在塑封體內產生。

  由此可見,溫、濕度對IC封裝生產中的重大影響。

  5 其它因素的影響

  諸如壓差因素、微振因素、噪聲因素等對IC封裝加工中都有一定的影響。鑒于篇幅所限,這里就不再逐一贅述。

  二、靜電因素對IC封裝的影響

  首先,靜電產生的原因是隨處可見的。

  在科技飛速發展和工業生產高度自動化的今天,靜電在工業生產中的危害已是顯而易見的,它可以造成各種障礙,限制自動化水平的提高和影響產品質量。這里結合我廠在集成電路封裝、生產過程的實際情況來說明之所以有靜電的產生,主要有以下幾個方面的原因。

  1 生產車間建筑裝修材料多采用高阻材料

  IC生產工藝要求使用潔凈車間或超凈車間。要求除塵微粒粒徑從以往的0.3μm變到0.1μm擬下,塵粒密度約為353個/m3。為此,除了安裝各吸塵設備之外,還要采用無機和有機不發塵材料,以防起塵。但對于建材的電性能沒有作為一項指標考慮進去。工業企業潔凈廠房設計規范中也未作規定。IC工廠的潔凈廠房主要采用的室內裝修材料有:聚氨酯彈性地面、尼綸、硬塑料、聚乙烯、塑料壁紙、樹脂、木材、白瓷板、瓷漆、石膏等等。上述材料中,大部分是高分子化合物或絕緣體。例如,有機玻璃體電阻率為1012~1014Ω?cm,聚乙烯體電阻率為1013~1015n?cm,因而導電性能比較差,某種原因產生靜電不容易通過它們向大地泄漏,從而造成靜電的積聚。

  2 人體靜電

  潔凈廠房操作人員的不同動作和來回走動,鞋底和地面不斷的緊密接觸和分離,人體各部分也有活動和磨擦,不論是快走、慢走,小跑都會產生靜電,即所謂步行帶電;人體活動后起立,人體穿的工作服與椅子面接觸后又分離也會產生靜電。人體的靜電電壓如果消不掉,而去接觸IC芯片,就可能在不知不覺中造成IC的擊穿。

  3 空氣調節和空氣凈化引起的靜電

  由于IC生產要求在45-55%RH的條件下進行,所以要實行空氣調節,同時要進行空氣凈化。降濕的空氣要經過初效過濾器、中效過濾器、高效過濾器和風管送人潔凈室。一般總風管風速為8~10m/s,風管內壁涂油漆,當干燥的空氣和風管,干燥的空氣和過濾器作相對運動時,都會產生靜電。應該引起注意的是靜電與濕度有著較敏感的關系。

  另外,運送半成品和IC成品在包裝運輸過程中都會產生靜電,這都是靜電起電的因素之一。

  其次,靜電對IC的危害是相當大的。

  一般來說,靜電具有高電位、強電場的特點,在靜電起電-放電過程中,有時會形成瞬態大電流放電和電磁脈沖(EMP),產生頻譜很寬的電磁輻射場。另外,與常規電能量相比,靜電能量比較小,在自然起電-放電過程中,靜電放電(ESD)參數是不可控制的,是一種難于重復的隨機過程,因此它的作用往往被人們所忽視。尤其在微電子技術領域,它給我們造成的危害卻是驚人的,據報道每年因靜電造成直接經濟損失高達幾億元人民幣,靜電危害以成為發展微電子工業的重大障礙。

  在半導體器件生產車間,由于塵埃吸附在芯片上,IC尤其是超大規模集成電路(VLSI)的成品率會大大下降。

  IC生產車間操作人員都穿潔凈工作服,若人體帶靜電,則極易吸附塵埃、污物等,若這些塵埃、污物被帶到操作現場的話,將影響產品質量,惡化產品性能、大大降低Ic成品率。如果吸附的灰塵粒子的半徑大于100μm線條寬度約100μm時,薄膜厚度在50μm下時,則最易使產品報廢。

  再次,靜電對IC的損害具有一定的特點。

  (1)隱蔽性

  除非發生靜電放電,人體不能直接感知靜電,但發生靜電放電人體也不一定能有電擊的感覺,這是因為人體感知的靜電放電電壓為2~3kv,所以靜電具有隱蔽性。

  (2)潛在性

  有些匯受到靜電損傷后的性能沒有明顯的下降,但多次累加放電會給IC器件造成內傷而形成隱患。因此靜電對IC的損傷具有潛在性。

  (3)隨機性

  IC什么情況下會遭受靜電破壞呢?可以這么說,從一個IC芯片產生以后一直到它損壞以前,所有的過程都受到靜電的威脅,而這些靜電的產生也具有隨機性,其損壞也具有隨機性。

  (4)復雜性

  靜電放電損傷的失效分析工作,因微電子IC產品的精、細、微小的結構特點而費時、費事、費財,要求較高的技術并往往需要使用高度精密儀器,即使如此,有些靜電損傷現象也難以與其它原因造成的損傷加以區別;使人誤把靜電放電損傷的失效當作其它失效,這在對靜電放電損害未充分認識之前,常常歸因于早期失效或情況不明的失效,從而不自覺地掩蓋了失效的真正原因。所以分析靜電對IC的損傷具有復雜性。

  總而言之,在IC的加工生產和封裝過程中建立起靜電防護系統是很有必要的!

  IC封裝生產線對靜電的要求更為嚴格。為了保證生產線的正常運行,對其潔凈廠房進行防靜電建筑材料的整體裝修,對進出潔凈廠房的所有人員配備防靜電服裝等采取硬件措施外,封裝企業可根據國家有關標準和本企業的實際隋況制定出在防靜電方面的企業標準或具體要求,來配合IC封裝生產線的正常運轉。隨著我國IC封裝線的擴建、封裝能力的逐年提高、封裝品種的增加以及對產品質量和成品率的更高要求,相應地對各種軟、硬件要求和對全體從業人員的靜電防護意識的加強就顯得更為重要,而這也正扮演和充當著影響我們產品質量的主要角色和無形殺手。所以說,靜電防護將是目前和今后擺在我們整個IC行業的一大課題。

  綜上所述,環境諸多因素和靜電因素始終對IC的封裝加工過程起著很重要的作用,這也是IC的發展趨勢和封裝加工過程的固有特性所決定的,微電子半導體IC的超前發展,就勢必要求我們在環境與靜電方面緊緊跟上IC的發展,使之不要成為制約IC封裝加工發展的障礙和絆腳石。

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