環(huán)境濕度與靜電對集成電路封裝過程的影響
眾所周知，封裝業(yè)屬于整個IC生產(chǎn)中的后道生產(chǎn)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?qū)Σ煌墓に嚟h(huán)境都有不同的要求。工藝環(huán)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(nèi)設(shè)立，因在以上各工序中，IC內(nèi)核--芯粒始終裸露在外，直到包封工序后，芯粒才被環(huán)氧樹脂包裹起來。
這樣，包封以后不僅能對IC芯粒起著機(jī)械保護(hù)和引線向外電學(xué)連接的功能，而且對整個芯片的各種參數(shù)、性能及質(zhì)量都起著根本的保持作用。在以上各工序中，哪個環(huán)節(jié)或因素不合要求都將造成芯粒的報廢，所以說，凈化區(qū)內(nèi)工序?qū)Νh(huán)境諸因素要求比較嚴(yán)格和苛刻。超凈廠房的設(shè)計施工要嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB-2001《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》的內(nèi)容進(jìn)行。
本文主要敘述了半導(dǎo)體集成電路在封裝過程中，環(huán)境因素和靜電因素對IC封裝方面的影響，同時對封裝工藝中提高封裝成品率也作了一點(diǎn)探討。
現(xiàn)代發(fā)達(dá)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱之一--集成電路(以下稱IC)產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速。自從1958年世界上A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(chǎn)品問世，至目前，產(chǎn)品以由初期的小規(guī)模IC發(fā)展到當(dāng)今的超大規(guī)模IC。IC設(shè)計、IC制造、IC封裝和IC測試已成為微電子產(chǎn)業(yè)中相互獨(dú)立又互相關(guān)聯(lián)的四大產(chǎn)業(yè)。微電子已成為當(dāng)今世界各項(xiàng)尖端技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前導(dǎo)和基礎(chǔ)。有了微電子技術(shù)的超前發(fā)展，便能夠更有效地推動其它前沿技術(shù)的進(jìn)步。
隨著IC的集成度和復(fù)雜性越來越高，污染控制、環(huán)境保護(hù)和靜電防護(hù)技術(shù)就越盲膨響或制約微電子技術(shù)的發(fā)展。同時，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定增長和生產(chǎn)技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展，生產(chǎn)工藝對生產(chǎn)環(huán)境的要求越來越高。大規(guī)模和超大規(guī)模Ic生產(chǎn)中的前后道各工序?qū)ιa(chǎn)環(huán)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(hù)引起足夠的重視。
1．環(huán)境因素對IC封裝的影響在半導(dǎo)體IC生產(chǎn)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(fā)展。塑料封裝業(yè)隨著IC業(yè)快速發(fā)展而同步發(fā)展。據(jù)中國半導(dǎo)體信息網(wǎng)對我國國內(nèi)28家重點(diǎn)IC制造業(yè)的IC總產(chǎn)量統(tǒng)計，2001年為44．12億塊，其中95％以上的IC產(chǎn)品都采用塑料封裝形式。
1．1空調(diào)系統(tǒng)中潔凈度的影響對于凈化空調(diào)系統(tǒng)來講，空氣調(diào)節(jié)區(qū)域的潔凈度是最重要的技術(shù)參數(shù)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(shù)即粒子計數(shù)濃度來衡量。為了和國際標(biāo)準(zhǔn)盡快接軌，我國在根據(jù)IS-1的基礎(chǔ)上制定了新的國家標(biāo)準(zhǔn)GB-2001《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》，其中把潔凈室的潔凈度劃分了9個級別，具體見表1所示。
結(jié)合不同封裝企業(yè)的凈化區(qū)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(jī)性，如何針對不同情況來確定合適恰當(dāng)?shù)牟杉瘻y試點(diǎn)和頻次，使?jié)崈魠^(qū)域內(nèi)潔凈度控制工作既有可行性，又具有經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)而避免偶然性，各封裝企業(yè)可依據(jù)國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JGJ71-91《潔凈室施工及驗(yàn)收規(guī)范》中的規(guī)定靈活掌握。具體可參照表2進(jìn)行。由于微電子產(chǎn)品生產(chǎn)中，對環(huán)境中的塵粒含量和潔凈度有嚴(yán)格的要求，目前，大規(guī)模IC生產(chǎn)要求控制0．1μm的塵粒達(dá)到1級甚至更嚴(yán)。所以對IC封裝來說，凈化區(qū)內(nèi)的各工序的潔凈度至少必須達(dá)到1級。
1．2超純水的影響IC的生產(chǎn)，包括IC封裝，大多數(shù)工序都需要超純水進(jìn)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(zhì)得到洗凈，而另一方面純水中的微量雜質(zhì)又可能使芯粒再污染，這毫無疑問將對封裝后的IC質(zhì)量有著極大的影響。隨著IC集成度的進(jìn)一步提高，對水中污染物的要求也將更加嚴(yán)格。
據(jù)美國提出的水質(zhì)指標(biāo)說明，集成度每提高一代，雜質(zhì)都要減少1／2~1／10。表3所示為最新規(guī)定的對超純水隨半導(dǎo)體IC進(jìn)展的不同要求。從表3可以看到，隨著半導(dǎo)體IC設(shè)計規(guī)則從1．5~0．25μm的變化，相應(yīng)地超純水的水質(zhì)除電阻率已接近理論極限值外，其TOC(總有機(jī)碳)、DO(溶解氧)、Si02、微粒和離子性雜質(zhì)均減少2-4個數(shù)量級。
在當(dāng)前的水處理中，各項(xiàng)雜質(zhì)處理的難易程度依次是TOC、SiO2、DO、電阻率，其中電阻率達(dá)到18MΩ·cm(25℃)是當(dāng)前比較容易達(dá)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(xiàn)在IC技術(shù)的發(fā)展趨勢中，芯片上柵膜越來越薄，故降低TOC是當(dāng)前和今后的最大難點(diǎn)，因而已成為當(dāng)今超純水水質(zhì)的象征和重心。
據(jù)有關(guān)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(xué)雜質(zhì)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(guī)模IC的90％以上，可見IC線條寬度越細(xì)，其危害越突出。相應(yīng)的在IC封裝過程中超純水的重要性就顯而易見了。在半導(dǎo)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(jìn)人高溫過程，若此時水中含有雜質(zhì)就會進(jìn)入硅片而導(dǎo)致IC器件性能下降、成品率降低。確切一點(diǎn)說，向生產(chǎn)線提供穩(wěn)定優(yōu)質(zhì)的超純水將涉及到企業(yè)的成本問題。
1．3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(hù)氣、置換氣、運(yùn)載氣、反應(yīng)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(huán)節(jié)，就是嚴(yán)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(zhì)及塵粒必須減少到一定值以下。表4列出了半導(dǎo)體大規(guī)模IC加工與制造中用的幾種常用氣體的純度。
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?dú)鈨Σ毓裰锌捎行У胤乐刮廴竞脱趸话迅呒兊腃02氣體混合人高純水中，可產(chǎn)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(nèi)和芯粒表面的硅粉雜質(zhì)，以此來減少封裝過程中的芯粒浪費(fèi)。
1．4溫、濕度的影響溫、濕度在IC的生產(chǎn)中扮演著相當(dāng)重要的角色，幾乎每個工序都與它們有密不可分的關(guān)系。
GB-2001《潔凈廠房設(shè)計規(guī)范》中明確強(qiáng)調(diào)了對潔凈室溫、濕度的要求要按生產(chǎn)工藝要求來確定，并按冬、夏季分別規(guī)定。根據(jù)國家要求標(biāo)準(zhǔn)，也結(jié)合我廠IC塑封生產(chǎn)線的實(shí)際情況，特對相關(guān)工序確定了溫、濕度控制的范圍，運(yùn)行數(shù)年來效果不錯。控制情況見表6。
但是，由于空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生故障，在2001年12月18日9：30~9：40期間，粘片工序工作區(qū)域發(fā)生了一起濕度嚴(yán)重超標(biāo)事故。當(dāng)時相對濕度高達(dá)86．7％RH，而在正常情況下相對濕度為45~55％RH。當(dāng)時濕度異常時粘片現(xiàn)場狀況描述如下：所有現(xiàn)場桌椅板凳、玻璃、設(shè)備、晶圓、芯片以及人身上的防靜電服表面都有嚴(yán)重的水汽，玻璃上的水汽致使室內(nèi)人看不清過道，用手觸摸桌椅設(shè)備表面，都有很明顯的手指水跡印痕。更為嚴(yán)重的是在粘片工序現(xiàn)場存放的芯片有許多，其中SOPl6L產(chǎn)品7088就在其列，對其成品率的影響見表7所示。
所有這些產(chǎn)品中還包括其它系列產(chǎn)品，都象經(jīng)過了一次"蒸汽浴"一樣。從下表可看出或說明以下問題：針對這批7088成品率由穩(wěn)到不穩(wěn)，再到嚴(yán)重下降這一現(xiàn)象，我們對粘片、壓焊、塑封等工序在此批次產(chǎn)品加工期間的各種工藝參數(shù)，原材料等使用情況進(jìn)行了詳細(xì)匯總，沒有發(fā)現(xiàn)異常情況，排除了工藝等方面的原因。事后進(jìn)一步對廢品率極高的18#、21#、25#、340、55#卡中不合格晶進(jìn)行了超聲波掃描，發(fā)現(xiàn)均有不同程度的離層，經(jīng)解剖發(fā)現(xiàn)：從離層處發(fā)生裂痕、金絲斷裂、部分芯片出現(xiàn)裂紋。
最后得出結(jié)論如下：(1)造成成品率下降的原因主要是封裝離層處產(chǎn)生裂痕，導(dǎo)致芯片裂紋或金絲斷裂。(2)產(chǎn)生離層的原因是由于芯片表面水汽包封在塑封體內(nèi)產(chǎn)生。由此可見，溫、濕度對IC封裝生產(chǎn)中的重大影響。
1．5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。
2．電因素對IC封裝的影響首先，靜電產(chǎn)生的原因是隨處可見的。在科技飛速發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)高度自動化的今天，靜電在工業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量。這里結(jié)合我廠在集成電路封裝、生產(chǎn)過程的實(shí)際情況來說明之所以有靜電的產(chǎn)生，主要有以下幾個方面的原因。
2．1生產(chǎn)車間建筑裝修材料多采用高阻材料IC生產(chǎn)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(shè)備之外，還要采用無機(jī)和有機(jī)不發(fā)塵材料，以防起塵。但對于建材的電性能沒有作為一項(xiàng)指標(biāo)考慮進(jìn)去。工業(yè)企業(yè)潔凈廠房設(shè)計規(guī)范中也未作規(guī)定。IC工廠的潔凈廠房主要采用的室內(nèi)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(jī)玻璃體電阻率為1012~1014Ω·cm，聚乙烯體電阻率為1013~1015n·cm，因而導(dǎo)電性能比較差，某種原因產(chǎn)生靜電不容易通過它們向大地泄漏，從而造成靜電的積聚。
2．2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(chǎn)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(chǎn)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。
3．3空氣調(diào)節(jié)和空氣凈化引起的靜電由于IC生產(chǎn)要求在45-55％RH的條件下進(jìn)行，所以要實(shí)行空氣調(diào)節(jié)，同時要進(jìn)行空氣凈化。降濕的空氣要經(jīng)過初效過濾器、中效過濾器、高效過濾器和風(fēng)管送人潔凈室。一般總風(fēng)管風(fēng)速為8~10m／s，風(fēng)管內(nèi)壁涂油漆，當(dāng)干燥的空氣和風(fēng)管，干燥的空氣和過濾器作相對運(yùn)動時，都會產(chǎn)生靜電。應(yīng)該引起注意的是靜電與濕度有著較敏感的關(guān)系。另外，運(yùn)送半成品和IC成品在包裝運(yùn)輸過程中都會產(chǎn)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(dāng)大的。一般來說，靜電具有高電位、強(qiáng)電場的特點(diǎn)，在靜電起電-放電過程中，有時會形成瞬態(tài)大電流放電和電磁脈沖(EMP)，產(chǎn)生頻譜很寬的電磁輻射場。另外，與常規(guī)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(shù)是不可控制的，是一種難于重復(fù)的隨機(jī)過程，因此它的作用往往被人們所忽視。尤其在微電子技術(shù)領(lǐng)域，它給我們造成的危害卻是驚人的，據(jù)報道每年因靜電造成直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)幾億元人民幣，靜電危害以成為發(fā)展微電子工業(yè)的重大障礙。
在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)車間，由于塵埃吸附在芯片上，IC尤其是超大規(guī)模集成電路(VLSI)的成品率會大大下降。IC生產(chǎn)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(xiàn)場的話，將影響產(chǎn)品質(zhì)量，惡化產(chǎn)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(chǎn)品報廢。再次，靜電對IC的損害具有一定的特點(diǎn)。
(1)隱蔽性除非發(fā)生靜電放電，人體不能直接感知靜電，但發(fā)生靜電放電人體也不一定能有電擊的感覺，這是因?yàn)槿梭w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(nèi)傷而形成隱患。因此靜電對IC的損傷具有潛在性。
(3)隨機(jī)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(chǎn)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(chǎn)生也具有隨機(jī)性，其損壞也具有隨機(jī)性。
(4)復(fù)雜性靜電放電損傷的失效分析工作，因微電子IC產(chǎn)品的精、細(xì)、微小的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而費(fèi)時、費(fèi)事、費(fèi)財，要求較高的技術(shù)并往往需要使用高度精密儀器，即使如此，有些靜電損傷現(xiàn)象也難以與其它原因造成的損傷加以區(qū)別；使人誤把靜電放電損傷的失效當(dāng)作其它失效，這在對靜電放電損害未充分認(rèn)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(fù)雜性。
總而言之，在IC的加工生產(chǎn)和封裝過程中建立起靜電防護(hù)系統(tǒng)是很有必要的!IC封裝生產(chǎn)線對靜電的要求更為嚴(yán)格。
為了保證生產(chǎn)線的正常運(yùn)行，對其潔凈廠房進(jìn)行防靜電建筑材料的整體裝修，對進(jìn)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(yè)可根據(jù)國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和本企業(yè)的實(shí)際隋況制定出在防靜電方面的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或具體要求，來配合IC封裝生產(chǎn)線的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。隨著我國IC封裝線的擴(kuò)建、封裝能力的逐年提高、封裝品種的增加以及對產(chǎn)品質(zhì)量和成品率的更高要求，相應(yīng)地對各種軟、硬件要求和對全體從業(yè)人員的靜電防護(hù)意識的加強(qiáng)就顯得更為重要，而這也正扮演和充當(dāng)著影響我們產(chǎn)品質(zhì)量的"主要角色"和"無形殺手"。
所以說，靜電防護(hù)將是目前和今后擺在我們整個IC行業(yè)的一大課題。
4.結(jié)束語綜上所述，環(huán)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(fā)展趨勢和封裝加工過程的固有特性所決定的，微電子半導(dǎo)體IC的超前發(fā)展，就勢必要求我們在環(huán)境與靜電方面緊緊跟上IC的發(fā)展，使之不要成為制約IC封裝加工發(fā)展的障礙和“絆腳石”
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