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      集成電路陶瓷封裝內(nèi)部氣氛及PIND控制

      2016-08-15 15:58:20薛建國天水天光半導(dǎo)體有限責(zé)任公司甘肅天水741000
      山東工業(yè)技術(shù) 2016年16期
      關(guān)鍵詞:導(dǎo)電膠管殼烘箱

      薛建國(天水天光半導(dǎo)體有限責(zé)任公司,甘肅 天水 741000)

      集成電路陶瓷封裝內(nèi)部氣氛及PIND控制

      薛建國
      (天水天光半導(dǎo)體有限責(zé)任公司,甘肅 天水 741000)

      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,針對封裝工藝的特點(diǎn),在工藝過程的材料、設(shè)備、測量、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。

      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)國家標(biāo)準(zhǔn),質(zhì)量等級為S、B級的微電路內(nèi)部水汽含量不大于5000ppm[1], 同時(shí)也規(guī)定了對內(nèi)部的可動微粒進(jìn)行粒子碰撞噪聲檢測(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︽I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)行相對運(yùn)動,使電極始終與金屬上框和蓋板保持良好的接觸,對鍵合后電路進(jìn)行焊接,并達(dá)到氣密性和水汽含量的要求。標(biāo)識打印工序利用激光打印機(jī)對蓋板表面進(jìn)行型號、品種、質(zhì)量等級等內(nèi)容的標(biāo)識。

      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)狻⒀鯕?、氬氣、二氧化碳、氦氣等?]。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)會對電路的性能、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滿足超凈等級;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,主軸自動空轉(zhuǎn)時(shí)間30 min以上,以使刀片轉(zhuǎn)動狀態(tài)穩(wěn)定,刀片不抖動。每次劃片前,對刀口距離測量;恒溫烘箱潔凈度符合超凈等級及氮?dú)饧兌葷M足要求;避免導(dǎo)電膠的脫離,粘片前對導(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;壓焊臺工藝凈化度符合超凈要求;壓焊的硅鋁絲絲頭長度不能過長;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)啟動后主軸自動空轉(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位移<1mm, 芯片相對于管腔底面傾斜度<10°,相對于管腔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,風(fēng)速:≥0.2m/s。

      內(nèi)、外引線壓焊,鍵合電流280μA~480μA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)長度為引線直徑的1.5倍~6.0倍,引線直徑為Φ30μm時(shí),為45μm~180μm,鍵合點(diǎn)寬度為引線直徑的1.2倍~3.0倍,為36μm ~90μm。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位準(zhǔn)確,不能有偏移。自動封焊。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。目前國產(chǎn)IC用陶瓷管殼、蓋板還沒有統(tǒng)一的尺寸標(biāo)準(zhǔn),國產(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)備的升級而提升的。

      [1]陳裕焜,賈新章.GJB548B-2005微電子器件試驗(yàn)方法和程序[S].總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部出版,2007(66).

      [2]肖玲.混合集成電路內(nèi)部氣氛研究[D].第十四屆全國混合集成電路會議學(xué)術(shù)論文集,2005:291-295.

      [3]羅輯,趙和義等.軍用電子元器件質(zhì)量管理與質(zhì)量控制[S].北京:國防工業(yè)出版社,2004:231-246

      [4]陳亞蘭,肖玲.混合集成電路PIND試驗(yàn)特征波形研究及控制方法[M].微電子學(xué),2010,40(01).

      薛建國(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)。

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