集成電路封裝線系統(tǒng)性靜電防護(hù)

馬國榮，丁榮崢，李欣燕

（1.三江學(xué)院，南京 210012；2.中國電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

隨著微米、亞微米、深亞微米及納米級IC工藝的發(fā)展，集成電路的內(nèi)絕緣層越來越薄，其抗靜電性能越來越弱，而產(chǎn)生和積累電荷材料（如塑料、橡膠等高分子有機物）的大量使用，以及使用環(huán)節(jié)中靜電防護(hù)不足，導(dǎo)致靜電放電對集成電路的危害越來越突出，因此制定相關(guān)靜電防護(hù)措施刻不容緩。集成電路靜電防護(hù)需結(jié)合芯片設(shè)計、晶圓加工、封裝等多方面因素綜合考慮。靜電放電與集成電路性能、成品率以及可靠性有著密不可分的關(guān)系。芯片一般通過電源鉗位ESD保護(hù)電路結(jié)構(gòu)、電源總線ESD保護(hù)電路結(jié)構(gòu)和電流分流等方面設(shè)計，利用半浮柵、鎮(zhèn)流、襯底耦合等技術(shù)對電路進(jìn)行改良，從而在靜電放電時對電路進(jìn)行有效的保護(hù)[1]。晶圓加工和集成電路封裝工藝線的靜電防護(hù)措施類似。靜電放電對集成電路的損壞具有破壞性、潛在性和緩慢失效性，在封裝過程中被靜電完全擊穿損壞的電路，在生產(chǎn)或檢測過程中可被剔除；但如未被靜電放電完全損壞的電路，將存在潛在的可靠性隱患，即使精密的儀器也很難測出其性能的變化，但隨著電路的使用，靜電放電造成的累計損傷加深，嚴(yán)重的導(dǎo)致電路失效[2]。因此有效的系統(tǒng)靜電防護(hù)對保證集成電路封裝線電路的生產(chǎn)、制造等的質(zhì)量和可靠性有著相當(dāng)重要的意義。本文針對封裝廠房環(huán)境靜電防護(hù)、封裝生產(chǎn)設(shè)備靜電防護(hù)、工藝操作靜電防護(hù)、電路包裝和運輸過程中的靜電防護(hù)以及靜電防護(hù)檢測等多個環(huán)節(jié)的分析，制定了集成電路封裝線系統(tǒng)性靜電防護(hù)措施。

2 IC封裝線靜電損傷機理及失效機制

集成電路封裝線的靜電防護(hù)要達(dá)到全面防護(hù)，需要清楚靜電如何產(chǎn)生，封裝過程中哪些環(huán)節(jié)容易產(chǎn)生靜電，集成電路如何受靜電損傷，損傷機理是什么，其如何導(dǎo)致集成電路失效。

靜電的產(chǎn)生是電子在外力的作用下，從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體或者是受外界磁場的影響而產(chǎn)生的極化現(xiàn)象，在具有不同靜電勢的兩個物體之間的靜電轉(zhuǎn)移。在圖1[3]中，如果一個物體和另一個物體在起電序列中離得越遠(yuǎn)就越容易產(chǎn)生靜電。

圖1 常用物品的起電序列

靜電常態(tài)下表現(xiàn)為靜止電荷。靜電在集成電路封裝中的影響主要有：吸塵，間接引起集成電路的各種質(zhì)量問題；放電破壞，放電產(chǎn)生熱等引起集成電路性能、功能和可靠性問題；放電產(chǎn)生電磁場形成干擾噪聲等。

靜電吸塵涉及集成電路封裝的全過程。芯片或圓片帶有靜電就容易吸附附近的帶電塵埃微粒，微粒一旦被吸附了就很難去掉；磨削減薄時，微粒容易在帶電芯片表面粘牢，用洗耳球吹、高壓水洗、膠粘等方式處理也很難去掉，用牙簽等物理法剝離則容易損傷芯片表面或形成新的沾污；鍵合時，芯片等焊盤上粘附有小的塵埃顆粒等，會影響鍵合點的粘附強度，甚至造成鍵合強度不達(dá)標(biāo)；MEMS等密封前因靜電也會吸附塵埃，塵埃小顆粒將成為微機械結(jié)構(gòu)損傷的主要因素之一；標(biāo)記打印時遇到顆粒也會影響標(biāo)記粘附性。以上這些均表明防止靜電產(chǎn)生和積累是封裝工藝線凈化管理的重要內(nèi)容之一。

一般而言，靜電放電都是在微秒或納秒量級完成的，放電的瞬間通過回路的大電流，使集成電路形成局部的高溫。因為時間太短，熱量來不及向外擴(kuò)散，尤其在深亞微米和納米工藝流片的芯片，當(dāng)大于溫度閾值的時候，造成電路的局部熱損傷，電性能參數(shù)退化甚至功能失效或引起潛在的可靠性隱患。集成電路靜電放電破壞就是靜電放電產(chǎn)生強電場使MOS柵氧化層被擊穿，使器件完全失效；或因靜電損傷的累積效應(yīng)[4]加快集成電路的老化從而降低了它們的壽命。

靜電放電產(chǎn)生的電磁場幅度很大（達(dá)幾百伏/米）、頻譜極寬（從幾十兆赫茲到幾千兆赫茲），通常情況下對封裝工藝及其所封裝的集成電路無影響。

集成電路封裝過程中的靜電防護(hù)就是消除靜電積累，積累的靜電要安全地被中和或泄放掉，達(dá)到集成電路封裝工藝的要求。

3 集成電路封裝線系統(tǒng)性靜電防護(hù)

集成電路封裝線的靜電防護(hù)需從廠房及環(huán)境的靜電防護(hù)與控制、封裝工藝設(shè)備及設(shè)施的靜電防護(hù)、工藝操作的靜電防護(hù)、封裝集成電路包裝、運輸過程中的靜電防護(hù)等做全方位、系統(tǒng)性的靜電防護(hù)措施，保證各類集成電路在封裝過程中免受靜電損傷。

3.1 封裝廠房及環(huán)境的靜電防護(hù)與控制系統(tǒng)

集成電路封裝廠房在無法遠(yuǎn)離大功率源輻射電磁場或預(yù)測今后是否不受大功率源輻射電磁場影響，故廠房建造時均會采用輕鋼龍骨結(jié)構(gòu)的石棉填充彩鋼板做墻壁，頂層及凈化FFU等也優(yōu)選鋁質(zhì)等導(dǎo)電性材質(zhì)，地面敷設(shè)接地良好的防靜電地板。廠房墻壁、頂層、地板和埋入的各類設(shè)施均需要接地以達(dá)到“屏蔽作用”，將可能產(chǎn)生的靜電、電位通過接地使其保持在零電位。接地電流流過大地時，主要以離子運動的形式流動，離子導(dǎo)電性與土壤的溫濕度、水分中含鹽的濃度和種類有關(guān)，故廠房接地要保證電極插入當(dāng)?shù)氐叵滤? m以下，并用單電極法、四電極法[5]等測量當(dāng)?shù)赝寥赖碾娮杪蕘泶_認(rèn)是否要添加一定量的水溶性電解質(zhì)（如食鹽等）來保證接地的良好。廠房墻壁、頂層、地板、凈化FFU等采用復(fù)合材料（如各類耗散型防靜電材料或表面有金屬纖維等）也均需符合接地要求。

集成電路封裝廠房還需要控制溫濕度。由于靜電產(chǎn)生與濕度相關(guān)性非常大，參見表1，一般情況下，用加濕法消除靜電的效果很明顯，水分子附在物體表面增加物體的導(dǎo)電性，有利于靜電的消散，但濕度過高會造成集成電路引腳或引出端鍍層氧化、極少數(shù)未鈍化裸露芯片被腐蝕等情況發(fā)生，通常濕度控制在50%RH～70%RH，隨季節(jié)不同、芯片工藝不同可做適當(dāng)調(diào)整。

表1 人的活動可能產(chǎn)生的靜電電壓與相對濕度關(guān)系

3.2 封裝生產(chǎn)設(shè)備及設(shè)施靜電防護(hù)

集成電路封裝過程中，設(shè)備儀器由于摩擦或靜電感應(yīng)而產(chǎn)生的靜電若不能及時有效、安全地泄放掉，將會因靜電積累形成高電壓，靜電的快速放電可能造成集成電路的損傷。

設(shè)備儀器通常采用串聯(lián)電阻接地法、靜電中和法、靜電消除材料等方法來達(dá)到集成電路封裝的靜電防護(hù)要求。

靜電接地就是將靜電源產(chǎn)生的靜電荷直接泄漏到大地，使靜電緩慢泄放消除。設(shè)備儀器的接地方式分硬接地和軟接地。硬接地就是直接與接地極作導(dǎo)電性連接的一種接地方式，軟接地是通過一組以限制電流達(dá)到安全值的電阻器連接到接地極的一種接地方式。設(shè)備儀器機架通常是金屬材料，需要通過串接1 MΩ電阻再接地；而金屬工作臺等絕緣體表面通常噴涂防靜電漆、敷設(shè)防靜電橡膠墊（耗散型材料），其金屬架可硬接地，不是必須串接1 MΩ電阻再接地；設(shè)備除電源線、零線外還有接地線，設(shè)備各部件與接地線之間的最大電阻不大于10 Ω；通過空氣隔開的氣動主軸的接地電阻不大于106Ω；設(shè)備接地需要牢固，用按扣或者插座連接到特定的地方。

設(shè)備表面涂覆抗靜電劑可降低表面電阻率，提高電荷泄漏速率，但容易引起不必要的污染，故對于設(shè)備上高速運動或必須使用絕緣材料而易產(chǎn)生靜電的，通常采用靜電中和，典型的就是安裝離子風(fēng)機（可安裝在設(shè)備內(nèi)部也可安裝在設(shè)備上方，只要達(dá)到有效消除靜電積累即可），利用空氣電離來消除表面異性電荷積累。

對于某些封裝工藝，無法通過上述方法來預(yù)防靜電的產(chǎn)生，如純水高壓噴淋清洗劃片圓片表面和劃片槽中的硅渣，則對純水等進(jìn)行處理來預(yù)防靜電。去離子高純水中加入CO2氣體，水中產(chǎn)生一定濃度的H+、HCO3-、CO32-離子，0.2～0.3 MΩ·cm電阻率純水高壓噴淋清洗時靜電電壓不高于100V，有效地消除了靜電損傷[6]。

封裝生產(chǎn)設(shè)備及設(shè)施的靜電防護(hù)需安排專業(yè)技術(shù)人員定期檢查接地、靜電消除設(shè)備的有效運轉(zhuǎn)情況，才能保證設(shè)備儀器防靜電損傷的有效性。

3.3 員工及工藝操作靜電防護(hù)

集成電路封裝線中人員及工藝操作的靜電防護(hù)是重中之重，操作人員不僅是靜電防護(hù)的對象，更是靜電防護(hù)的主動實施者，工藝操作中的靜電防護(hù)必須貫穿于全員、全過程。人員及工藝操作靜電防護(hù)需要從靜電防護(hù)教育、標(biāo)識與警示，各類靜電防護(hù)材料、工具、服裝等入廠檢測，各類靜電檢測儀器需計量，各類靜電防護(hù)設(shè)施、儀器、服裝等的例檢等多方面入手。

員工不僅在封裝過程中頻繁與集成電路接觸，而且是控制封裝設(shè)備儀器以及靜電防護(hù)措施的主體，對員工的靜電防護(hù)教育必須是系統(tǒng)性的、全員的，自覺遵守的習(xí)慣行為。每一位員工進(jìn)入封裝線前均要清楚認(rèn)識靜電的產(chǎn)生原理、集成電路靜電損傷機理及失效機制、封裝全過程中靜電積累和耗散、環(huán)境控制要求、各類靜電材料及工裝標(biāo)準(zhǔn)、防護(hù)用品標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)備儀器技術(shù)要求、工藝紀(jì)律、檢測要求及制度、區(qū)域劃分、各類靜電標(biāo)識與警示、著裝要求、行為規(guī)范等，經(jīng)過培訓(xùn)考察合格后才能上生產(chǎn)線。

在防靜電工作區(qū)張貼明顯的靜電放電敏感符號和警示語，也是為了時刻提醒員工執(zhí)行靜電防護(hù)的各項要求。靜電放電敏感符號的樣式、顏色和尺寸及其簡化符號樣式，應(yīng)符合GJB1649-1993附錄C的規(guī)定，標(biāo)志顏色是黃底黑字，按照實際情況縮放標(biāo)志，最小尺寸為300 mm×150 mm，參見圖2。自制提示標(biāo)識也參照此執(zhí)行，如操作必須在離子風(fēng)扇下操作。

圖2 主要防靜電警示標(biāo)識

封裝生產(chǎn)線上使用而需要采購的各類靜電防護(hù)材料、工具、服裝等，除按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)采購?fù)?，在入庫前要按照相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，并依據(jù)采購標(biāo)準(zhǔn)判定，檢測合格才可使用。由于某些材料具有時效性（如防靜電液處理的料管等），入庫還要依據(jù)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行周期性檢測，防止不合格防靜電材料、工具等流入封裝線。如防靜電工作鞋按照GB4386-1984測量防靜電膠底鞋、導(dǎo)電膠底鞋電阻值；防靜電工作服按照GB/T 23316-2009測試方法測試工作服是否符合防靜電性能的要求等。一些新材料或工具也應(yīng)擬訂相應(yīng)的測試方法、技術(shù)要求，以確保封裝線所用的均符合工藝防靜電要求。

各類靜電檢測儀器如靜電測試儀、靜電場檢測儀、表面電阻測試儀、萬用表等均需進(jìn)行完好性檢查并按規(guī)定定期進(jìn)行計量檢測，以保證檢測的準(zhǔn)確性。

靜電防護(hù)設(shè)施、靜電消除儀器、服裝等隨著時間的推移，其抗靜電性能的衰減直接影響著整個系統(tǒng)的靜電防護(hù)。這就需要制定例檢表，必要時采取專人定期檢查。員工每次進(jìn)線穿戴防靜電服、帽、鞋，佩戴防靜電腕帶后，均需用靜電放電檢測儀自檢工作服、鞋、腕帶是否符合規(guī)定，不符合規(guī)定的需立即更換；操作前用靜電場測試儀測試工作臺操作臺面、工具、設(shè)備和儀器的接地或帶靜電電荷狀況、儀器表面導(dǎo)電性、靜電消除能力等，可以是操作員也可以是專人負(fù)責(zé)，由生產(chǎn)線規(guī)模、分工來決定；而廠房等接地棒的腐蝕情況等則由專人定期負(fù)責(zé)檢測與更換。

3.4 集成電路包裝、運輸過程中的靜電防護(hù)

在集成電路包裝、裝卸、運輸?shù)倪^程中，需要防止集成電路及其包裝與其他材料摩擦或受到震動、沖擊以及受到大功率源輻射電磁場后可能會帶上一定量和電位的靜電，集成電路所帶靜電需要能通過包裝被安全泄放，否則會造成集成電路的損傷，故集成電路包裝、運輸過程中的靜電防護(hù)也是非常重要的。

最理想的與集成電路直接接觸的包裝容器是既能防止摩擦起電又具備安全泄放電且可以對大功率源輻射電磁場屏蔽等功能的，但一種包裝材料同時有以上幾個性能是非常困難的，一般會采用不同的材料組合或復(fù)合來達(dá)到目的，如復(fù)合材料屏蔽袋等即屬于此類。集成電路包裝有時也要考慮成本因素而必須采用低成本的包裝，這時通常是采用廉價的非防靜電包裝材料經(jīng)過防靜電液、防靜電蠟處理后來包裝，需要特別注意的是這類包裝材料不能多次使用，防靜電有效期也短。與集成電路直接接觸的包裝材料（包括填充料），應(yīng)該是靜電耗散類的，或者是本體材料不容易產(chǎn)生靜電的。外包裝要使用如傳統(tǒng)的金屬化裝運袋和碳質(zhì)線紙板盒等使集成電路包在法拉第筒內(nèi)，這樣完全封閉才能阻擋外界的靜電場；當(dāng)然也可利用運輸卡車金屬箱子形成的大法拉第筒來使小包裝內(nèi)部集成電路免受大功率源輻射電磁場的影響，但要注意卡車在裝卸中的接地或靜電泄放。

集成電路包裝中，使用或重復(fù)利用防靜電包裝材料應(yīng)經(jīng)過檢驗合格才能使用，以確保靜電泄放、屏蔽等性能指標(biāo)與技術(shù)規(guī)范要求保持不變，反之就不能再次使用，而必須經(jīng)過防靜電處理并經(jīng)檢驗合格后才能再使用。

取放集成電路時，必須放到防靜電橡膠墊、防靜電海綿、防靜電膜、防靜電吸塑盤、防靜電盒、防靜電料管、屏蔽袋、防靜電氣泡袋等的上面或內(nèi)部，不允許將其直接放到接地金屬物體或者其他非防靜電材料表面上；包裝材料也須在靜電防護(hù)工作區(qū)內(nèi)耗散靜電電荷消耗達(dá)到規(guī)定再進(jìn)行包裝，打開包裝也是如此。

所有集成電路外包裝箱醒目位置上應(yīng)有靜電敏感符號，警示標(biāo)語“注意，敏感電子元器件，儲存中，切勿靠近強靜電、強電磁、磁場或放射場”[7]。

4 集成電路封裝中靜電防護(hù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

與集成電路封裝有關(guān)的靜電防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)有：

（1）術(shù)語：GB/T15463-2008靜電安全術(shù)語；

（2）靜電控制：GJB 1649-1993 電子產(chǎn)品防靜電放電控制大綱；GJB/Z 105-1998 電子產(chǎn)品防靜電放電控制手冊；

（3）工作區(qū)：GJB 3007A-2009 防靜電工作區(qū)技術(shù)要求；

（4）設(shè)備與設(shè)施方面：GJB/Z25-1991 電子設(shè)備和設(shè)施的接地、搭接和屏蔽設(shè)計指南；

（5）著裝方面：GB 4385-1995 防靜電鞋、導(dǎo)電鞋技術(shù)要求；GB 4386-1984 防靜電膠底鞋、導(dǎo)電膠底鞋電阻值測量方法；GB/T 23316-2009工作服防靜電性能的要求及測試方法；

（6）包裝方面：GJB 2835-1997 微電路包裝規(guī)范；GJB /Z86-1997 防靜電包裝手冊；GJB 2747-1996防靜電緩沖包裝材料通用規(guī)范；SJ/T 11277-2002 防靜電周轉(zhuǎn)容器通用規(guī)范；

（7）檢測方面：SJ/T 10694-2006 電子產(chǎn)品制造與應(yīng)用系統(tǒng)防靜電檢測通用規(guī)范；SJ/T10694-1996電子產(chǎn)品制造防靜電系統(tǒng)測試方法。

5 集成電路封裝中靜電防護(hù)定期檢測

靜電防護(hù)是一個耗財和耗時的龐大系統(tǒng)工程，建立健全了系列防護(hù)措施之后，還要在IC封裝中定期檢測，確保靜電防護(hù)措施有效。

靜電防護(hù)定期檢測對象幾乎涵蓋全部，針對封裝廠房設(shè)施、環(huán)境、防靜電材料等的靜電防護(hù)前面已有敘述，此處主要從靜電防護(hù)測試方法上來進(jìn)行。

靜電工作區(qū)的環(huán)境溫度和濕度應(yīng)是實時進(jìn)行的動態(tài)監(jiān)控，相對濕度超出規(guī)定范圍需要停止封裝生產(chǎn)作業(yè)。環(huán)境濕度應(yīng)是自動監(jiān)測，并與廠房溫度-濕度控制系統(tǒng)相連。

對于靜電為導(dǎo)體的，即表面電阻低于105Ω的導(dǎo)體面，可以用萬用表、兆歐表、接地電阻測試儀等來測量，把表的一端接導(dǎo)體表面，另一端接接地線柱，若電阻小于1 Ω則說明接地良好，串有1 MΩ電阻的則小于1.1 MΩ為接地良好。

對于用靜電耗散材料（防靜電橡膠墊、地板等），表面其電阻在105Ω～109Ω之間需要用表面電阻測試儀來測量。測試前先要檢查表面電阻測試儀是否在計量合格期內(nèi)，在合格期內(nèi)再進(jìn)行自檢（把表面電阻測試儀兩個電極放在金屬板上，選擇10 V測試電壓檔，如果測試值小于105Ω，則說明表面電阻測試儀正常）。在靜電耗散材料上隨機抽樣3個測試點，表面電阻測試儀接地線接在接地線柱上，回路端接在靜電地板上，表面電阻測試儀進(jìn)行測量后顯示所測物體的表面電阻，表面電阻值在技術(shù)規(guī)定范圍內(nèi)的即為合格，超出的為不合格；如測試值接近合格判據(jù)的，則需要多測幾次再做是否合格的判斷。

對于防靜電服等與人體接觸類的，防靜電著裝、帶腕帶后能否達(dá)到防靜電效果與員工體質(zhì)、自著裝、防靜電帽/服/鞋及腕帶緊密程度等相關(guān)，穿著合格與否需要通過每次的檢測才能判斷。這些檢測則需要采用腕帶測試儀、人體靜電綜合測試儀等來進(jìn)行。

對于大區(qū)域的表面或離子風(fēng)機/離子風(fēng)槍產(chǎn)生的氣流的靜電消耗能力測量，則主要通過非接觸式和接觸式靜電電壓表、靜電場檢測儀（配高壓發(fā)生器、充電極板）、離子平衡分析儀等，對工作臺表面、設(shè)備儀器表面、每個離子風(fēng)機/離子風(fēng)槍有效工作范圍內(nèi)的表面靜電電壓、靜電消耗能力進(jìn)行評測。通常是在測量區(qū)域內(nèi)隨機抽測三個點，靜電電壓達(dá)到規(guī)定靜電電壓、散電時間在技術(shù)規(guī)定范圍內(nèi)的即為合格，超出的為不合格。

表2 集成電路封裝線主要靜電監(jiān)測項目的技術(shù)要求與檢測儀器

6 結(jié)束語

本文從封裝廠房、封裝環(huán)境、封裝生產(chǎn)設(shè)備儀器、封裝人員、封裝工藝、靜電消除裝置及材料、包裝和運輸?shù)确矫嬲撌隽思呻娐贩庋b線的靜電防護(hù)，希望對集成電路封裝線的管理人員有所幫助。

[1] 王怡飛. CMOS片上ESD保護(hù)電路設(shè)計研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2009.

[2] 王昊鵬. CMOS工藝下集成電路內(nèi)部ESD保護(hù)電路結(jié)構(gòu)研究與可靠性分析[D].天津：天津大學(xué)，2007.

[3] 卜云平，成斌. 靜電及其對電子產(chǎn)品的危害[J].電子儀器儀表用戶，2000（1）：21-23.

[4] 王瀟. 半導(dǎo)體芯片的靜電防護(hù)電路及其失效分析[D].天津：天津大學(xué)，2008.

[5] GJB/Z 25-91.電子設(shè)備和設(shè)施的接地、搭接和屏蔽設(shè)計指南[S].中國人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn).1992.

[6] 李云海，李欣燕，章文，丁榮崢. 圓片清洗過程中的靜電控制[J]. 電子與封裝，2010，10（10）：28-30.

[7] GJB/Z86-97. 防靜電包裝手冊[S]. 中國人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn).1997.