集成電路陶瓷封裝內(nèi)部氣氛及PIND控制

摘 要：本文介紹了集成電路（IC）陶瓷封裝工藝過程，為了提高器件的可靠性，針對(duì)封裝工藝的特點(diǎn)，在工藝過程的材料、設(shè)備、測(cè)量、超凈環(huán)境、技術(shù)狀態(tài)等方面分析了產(chǎn)生內(nèi)部氣氛及PIND超標(biāo)的原因，提出了解決方法。

關(guān)鍵詞：多余物；導(dǎo)電膠；鍵合；平行縫焊

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.005

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，質(zhì)量等級(jí)為S、B級(jí)的微電路內(nèi)部水汽含量不大于5000ppm[1]， 同時(shí)也規(guī)定了對(duì)內(nèi)部的可動(dòng)微粒進(jìn)行粒子碰撞噪聲檢測(cè)（PIND）試驗(yàn)，由于IC封裝工序的精細(xì)化生產(chǎn)工藝可直接影響內(nèi)部水汽含量及PIND數(shù)值，所以利用穩(wěn)定劃片機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、陶瓷管殼的預(yù)處理、導(dǎo)電膠粘貼后烘烤、壓焊臺(tái)及平行縫焊機(jī)封蓋的工藝控制，使內(nèi)部腔體的內(nèi)部氣氛及PIND檢測(cè)結(jié)果達(dá)到產(chǎn)品的篩選、質(zhì)量一致性檢驗(yàn)要求。

1 封裝工藝流程及原理

IC的生產(chǎn)工藝流程包括芯片的制造及管芯的封裝，可劃分為芯片前工序及封裝后工序，以下為封裝后工序流程：

晶圓劃片——陶瓷管殼除氫——裝架烘烤——內(nèi)、外引線壓焊——封蓋前烘烤——平行縫焊——標(biāo)識(shí)打印

晶圓劃片工序通過劃片機(jī)將整個(gè)晶圓分裂為若干芯片。以高強(qiáng)力磨削為切割原理，刀片以高轉(zhuǎn)速切割晶圓，將具有獨(dú)立功能的芯片分裂出來；陶瓷管殼除氫工序通過冷泵真空設(shè)備在紅外線烘烤下將陶瓷管殼內(nèi)部吸附的極微量的氫氣脫離；裝架烘烤工序通過導(dǎo)電膠的粘接及固化將芯片牢固地粘接在陶瓷管殼腔體中心，并達(dá)到剪切力的要求；內(nèi)、外引線壓焊工序使用超聲壓焊臺(tái)將芯片鍵合區(qū)和陶瓷管殼內(nèi)部焊盤用硅鋁絲通過超聲能量對(duì)應(yīng)的焊接起來，使芯片鍵合區(qū)和管殼引線形成良好的導(dǎo)電連接；封蓋前烘烤工序利用恒溫氮?dú)夂嫦鋵?duì)鍵合后的待封電路放置于內(nèi)在一定溫度下烘焙，以除去表面水汽；平行縫焊工序使用平行縫焊機(jī)采用電阻熔焊方法，利用兩個(gè)圓錐形滾輪電極與封裝外殼進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使電極始終與金屬上框和蓋板保持良好的接觸，對(duì)鍵合后電路進(jìn)行焊接，并達(dá)到氣密性和水汽含量的要求。標(biāo)識(shí)打印工序利用激光打印機(jī)對(duì)蓋板表面進(jìn)行型號(hào)、品種、質(zhì)量等級(jí)等內(nèi)容的標(biāo)識(shí)。

2 內(nèi)部氣氛控制原理

研究表明水汽含量大于5000ppm的電路內(nèi)部通常含有大量雜質(zhì)氣氛，包括水汽、氮?dú)?、氧氣、氬氣、二氧化碳、氦氣等[2]。IC陶瓷封裝電路的失效，很大程度上是由于封裝腔體內(nèi)過多的水汽引起的，內(nèi)部氣氛超標(biāo)會(huì)對(duì)電路的性能、壽命、可靠性產(chǎn)生重大影響?？刂苾?nèi)部氣氛的原則就是隔絕產(chǎn)生氣氛源頭。IC陶瓷封裝采用的管殼及導(dǎo)電膠原材料應(yīng)為不易釋放氣體或釋放氣體中水汽含量不超過5000ppm，并能順利通過耐濕、鹽霧等例行試驗(yàn)。封裝使用的原材料表面清潔、干燥；管殼內(nèi)部無吸附的氣體；工藝過程中粘片采用的導(dǎo)電膠不能過量；導(dǎo)電膠固化程度徹底；真空設(shè)備保持高真空度及高潔凈；操作人員的凈化服、口簾及手套凈化度符合超凈要求；恒溫烘箱潔凈度符合超凈等級(jí)及氮?dú)饧兌葷M足要求；恒溫烘箱的烘烤溫度及精度滿足工藝條件；平行縫焊機(jī)焊接室氮?dú)饧兌燃奥饵c(diǎn)符合工藝條件；陶瓷管殼與蓋板的定位正確；平行縫焊機(jī)的電極輪及時(shí)更換，維修后必須進(jìn)行首件鑒定；關(guān)鍵工序和特殊工序按照程序執(zhí)行；存放芯片及管殼的工作臺(tái)滿足超凈等級(jí)；工序之間裝載半成品的傳遞盒保持密閉、超凈。定期更換凈化廠房高效、中效過濾器，確保劃片、除氫、烘烤、壓焊的工作環(huán)境條件符合超凈10000級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

3 PIND控制原理

IC的外部封裝包括密封和非密封兩種形式，其中密封又分為空腔封裝和實(shí)體封裝，空腔封裝的IC封裝腔內(nèi)含有組成元器件的零部件和有一定的空間填充某種氣態(tài)的介質(zhì)。多余物就是由于工藝技術(shù)的不完善被封裝在腔體內(nèi)部的多余物質(zhì)[3]。多余物控制不良常常導(dǎo)致IC的致命失效[4]，防止產(chǎn)生多余物就是PIND控制關(guān)鍵點(diǎn)；管殼和蓋板的邊緣不能有毛刺，否則在焊接狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生金屬微粒。避免劃片機(jī)劃片后芯片側(cè)面崩邊及裂紋。劃片機(jī)劃片前，主軸自動(dòng)空轉(zhuǎn)時(shí)間30 min以上，以使刀片轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定，刀片不抖動(dòng)。每次劃片前，對(duì)刀口距離測(cè)量；恒溫烘箱潔凈度符合超凈等級(jí)及氮?dú)饧兌葷M足要求；避免導(dǎo)電膠的脫離，粘片前對(duì)導(dǎo)電膠充分?jǐn)嚢?，使?dǎo)電膠銀漿成分均勻。粘片使用的導(dǎo)電膠不能過量，防止溢出；導(dǎo)電膠固化程度徹底；壓焊臺(tái)工藝凈化度符合超凈要求；壓焊的硅鋁絲絲頭長(zhǎng)度不能過長(zhǎng)；避免管殼和夾具之間的摩擦，產(chǎn)生微夾具材料的小顆粒，平行縫焊隔離箱內(nèi)放置的管殼夾具應(yīng)采用耐磨損、耐高溫的聚四氟乙烯，不能采用其他金屬或塑料，如采用則材料表面需進(jìn)行激光拋光處理；防止接觸管殼的橡膠手套產(chǎn)生微粒；保持工藝超凈度10000級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

4 封裝工藝技術(shù)條件的具體控制

劃片機(jī)水壓：0.8～1.2L/MIN，冷卻水水壓：1.0～1.5L/MIN，管道的去離子水壓：2.5～4kg，循環(huán)水壓：2～4kg壓縮空氣壓力≥0.5Mpa。劃片機(jī)啟動(dòng)后主軸自動(dòng)空轉(zhuǎn)。載片盤在每批晶片劃片前都要清潔。用酒精和纖維紙清潔劃片機(jī)的載片盤，載片盤不能有任何污染和顆粒物。劃片速度25mm/s，刀刃外漏量=0.060-上一輪次的刀片高度補(bǔ)償。刀痕超過40um時(shí)從材料備用處取出新刀并進(jìn)行檢查。將刀片放在50倍顯微鏡下檢查刀刃是否有缺口、洞眼、裂紋等缺陷。裝卸固定螺帽治具扭力為30kgf.cm，劃片結(jié)束后晶片放在清洗機(jī)的載片盤上進(jìn)行清洗。

陶瓷管殼除氫處理，由于陶瓷管殼易吸附氫氣，所以在裝架前進(jìn)行高真空條件下的烘烤。真空度6x10-4Torr，溫度170℃±10℃，時(shí)間50min。

裝架烘烤，芯片與管殼腔體中心相對(duì)位移<1mm， 芯片相對(duì)于管腔底面傾斜度<10°，相對(duì)于管腔X軸線旋轉(zhuǎn)度<10°。導(dǎo)電膠呈球冠狀均勻分布于芯片四周，無尖峰，點(diǎn)膠面積100%覆蓋芯片的底面積，四周至少有周長(zhǎng)50%以上的區(qū)域有導(dǎo)電膠包敷。固化后的導(dǎo)電膠呈銀灰色，表面致密，無氣孔，無異物。芯片粘接材料不得剝落。在氮?dú)鈿夥障聦?dǎo)電膠固化條件，溫度：100℃±10℃ （2h） → 150℃±10℃ （2h）→ 200℃±10℃ （2h），氮?dú)饬髁浚海?±1）L/min，氮?dú)夂浚骸?PPM， 氮?dú)夂趿浚骸?0PPM ，工作環(huán)境溫度：20℃～25℃，濕度：35%～50%，潔凈度：≤10000級(jí)，風(fēng)速：≥0.2m/s。

內(nèi)、外引線壓焊，鍵合電流280?A～480?A鍵合時(shí)間0.05S，芯片或封裝鍵合區(qū)上的超聲楔形鍵合點(diǎn)長(zhǎng)度為引線直徑的1.5倍～6.0倍，引線直徑為Φ30?m時(shí)，為45?m～180?m，鍵合點(diǎn)寬度為引線直徑的1.2倍～3.0倍，為36?m ～90?m。第一鍵合點(diǎn)應(yīng)占鍵合區(qū)面積的50%以上，第二鍵合點(diǎn)應(yīng)完全在鍵合區(qū)的周界內(nèi)。第一鍵合點(diǎn)絲頭長(zhǎng)度不得超過硅鋁絲直徑的2倍，第二鍵合區(qū)內(nèi)不得有殘留硅鋁絲。

封蓋前烘烤，烘焙溫度：150℃±10℃；時(shí)間：48±2 h；氮?dú)饬髁浚海?±1）L/min。

焊接預(yù)烘：將電路放入預(yù)烘烘箱中烘焙，預(yù)烘溫度150℃±10℃；待烘箱恒溫后烘烤60 min 。預(yù)烘過程：

（1）預(yù)烘烘箱抽真空：打開預(yù)烘烘箱外側(cè)的門把電路放入，烘箱開始升溫，抽真空充氮?dú)狻?/p>

（2）待溫度升至150℃抽真空充氮?dú)猓?/p>

（3）恒溫30min后抽真空充氮?dú)猓?/p>

（4）恒溫60min后抽真空充氮?dú)?。上面四步中，按抽真空方法，每次?dāng)溫度或時(shí)間達(dá)到要求值時(shí)，均將烘箱內(nèi)真空抽至0.2Torr以下，再充氮?dú)庵?60Torr，循環(huán)操作。選擇與待封電路的引線數(shù)相同的模具，固定在載料臺(tái)上，用鑷子夾取待封電路一只放入模具卡槽中并夾取蓋板一只，準(zhǔn)確對(duì)位壓下頂針使蓋板固定于柯伐框上。

平行縫焊，焊接電流：0.26～0.40kA； 焊接時(shí)間：1ms～3ms。焊接壓力：600g～1500g， 焊接速度：0.4～0.6in/s。氮?dú)饴饵c(diǎn)： ≤-40℃，氮?dú)夂趿浚骸?00ppm。技術(shù)要求，電路蓋板和金屬上框要對(duì)位準(zhǔn)確，不能有偏移。自動(dòng)封焊。電路外殼蓋板兩個(gè)邊的邊緣形成兩條平行的、由重疊的焊點(diǎn)組成的連續(xù)的魚鱗狀焊縫。檢測(cè)儀器為顯微鏡、氦質(zhì)譜檢漏儀。在氦質(zhì)譜檢漏儀中進(jìn)行細(xì)檢檢驗(yàn)，檢漏儀加壓時(shí)不能過壓，控制加壓時(shí)間符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 封裝工藝控制的結(jié)果

經(jīng)過封裝工序工藝過程的原材料、工藝參數(shù)、凈化度等方面的控制可以避免內(nèi)部氣氛及PIND超標(biāo)，能夠滿足GJB548B及GJB597B的篩選、質(zhì)量一致性檢驗(yàn)要求。目前國(guó)產(chǎn)IC用陶瓷管殼、蓋板還沒有統(tǒng)一的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)產(chǎn)導(dǎo)電膠的水平與進(jìn)口材料還有一定的差距，封裝工序的關(guān)鍵設(shè)備仍需要進(jìn)口，給自動(dòng)化生產(chǎn)造成一定的困難，因此內(nèi)部氣氛及PIND控制是伴隨新工藝、新材料、新設(shè)備的升級(jí)而提升的。

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作者簡(jiǎn)介：薛建國(guó)（1968-），男，山東德州人，大專，工程師，研究方向：半導(dǎo)體制造技術(shù)。