環(huán)境濕度與靜電對集成電路封裝過(guò)程的影響

環(huán)境濕度與靜電對集成電路封裝過(guò)程的影響

　　眾所周知，封裝業(yè)屬于整個(gè)IC生產(chǎn)中的后道生產(chǎn)過(guò)程，在該過(guò)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(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(chǎng)房?jì)仍O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(huán)氧樹(shù)脂包裹起來(lái)。

　　這樣，包封以后不僅能對IC芯粒起著(zhù)機械保護和引線(xiàn)向外電學(xué)連接的功能，而且對整個(gè)芯片的各種參數、性能及質(zhì)量都起著(zhù)根本的保持作用。在以上各工序中，哪個(gè)環(huán)節或因素不合要求都將造成芯粒的報廢，所以說(shuō)，凈化區內工序對環(huán)境諸因素要求比較嚴格和苛刻。超凈廠(chǎng)房的設計施工要嚴格按照國家標準GB-2001《潔凈廠(chǎng)房設計規范》的內容進(jìn)行。

　　本文主要敘述了半導體集成電路在封裝過(guò)程中，環(huán)境因素和靜電因素對IC封裝方面的影響，同時(shí)對封裝工藝中提高封裝成品率也作了一點(diǎn)探討。

　　現代發(fā)達國家經(jīng)濟發(fā)展的重要支柱之一--集成電路(以下稱(chēng)IC)產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速。自從1958年世界上A塊IC問(wèn)世以來(lái)，特別是近20年來(lái)，幾乎每隔2-3年就有一代產(chǎn)品問(wèn)世，至目前，產(chǎn)品以由初期的小規模IC發(fā)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(chǎn)業(yè)中相互獨立又互相關(guān)聯(lián)的四大產(chǎn)業(yè)。微電子已成為當今世界各項尖端技術(shù)和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前導和基礎。有了微電子技術(shù)的超前發(fā)展，便能夠更有效地推動(dòng)其它前沿技術(shù)的進(jìn)步。

　　隨著(zhù)IC的集成度和復雜性越來(lái)越高，污染控制、環(huán)境保護和靜電防護技術(shù)就越盲膨響或制約微電子技術(shù)的發(fā)展。同時(shí)，隨著(zhù)我國國民經(jīng)濟的持續穩定增長(cháng)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(lái)越高。大規模和超大規模Ic生產(chǎn)中的前后道各工序對生產(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，還需要對靜電防護引起足夠的重視。

　　1．環(huán)境因素對IC封裝的影響在半導體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(zhù)IC業(yè)快速發(fā)展而同步發(fā)展。據中國半導體信息網(wǎng)對我國國內28家重點(diǎn)IC制造業(yè)的IC總產(chǎn)量統計，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空調系統中潔凈度的影響對于凈化空調系統來(lái)講，空氣調節區域的潔凈度是最重要的技術(shù)參數之一。潔凈廠(chǎng)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(lái)衡量。為了和國際標準盡快接軌，我國在根據IS-1的基礎上制定了新的國家標準GB-2001《潔凈廠(chǎng)房設計規范》，其中把潔凈室的潔凈度劃分了9個(gè)級別，具體見(jiàn)表1所示。

　　結合不同封裝企業(yè)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(lái)確定合適恰當的采集測試點(diǎn)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(jīng)濟性，進(jìn)而避免偶然性，各封裝企業(yè)可依據國家行業(yè)標準JGJ71-91《潔凈室施工及驗收規范》中的規定靈活掌握。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格的要求，目前，大規模IC生產(chǎn)要求控制0．1μm的塵粒達到1級甚至更嚴。所以對IC封裝來(lái)說(shuō)，凈化區內的各工序的潔凈度至少必須達到1級。

　　1．2超純水的影響IC的生產(chǎn)，包括IC封裝，大多數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(guò)程中的減薄工序和劃片工序，更是離不開(kāi)超純水，一方面晶圓在減薄和劃片過(guò)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(wú)疑問(wèn)將對封裝后的IC質(zhì)量有著(zhù)極大的影響。隨著(zhù)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格。

　　據美國提出的水質(zhì)指標說(shuō)明，集成度每提高一代，雜質(zhì)都要減少1／2~1／10。表3所示為最新規定的對超純水隨半導體IC進(jìn)展的不同要求。從表3可以看到，隨著(zhù)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(zhì)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(zhì)均減少2-4個(gè)數量級。

　　在當前的水處理中，各項雜質(zhì)處理的難易程度依次是TOC、SiO2、DO、電阻率，其中電阻率達到18MΩ·cm(25℃)是當前比較容易達到的。由于TOC含量高會(huì )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(shù)的發(fā)展趨勢中，芯片上柵膜越來(lái)越薄，故降低TOC是當前和今后的最大難點(diǎn)，因而已成為當今超純水水質(zhì)的象征和重心。

　　據有關(guān)資料介紹，在美國芯片廠(chǎng)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(chǎng)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(jiàn)IC線(xiàn)條寬度越細，其危害越突出。相應的在IC封裝過(guò)程中超純水的重要性就顯而易見(jiàn)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(zhù)就進(jìn)人高溫過(guò)程，若此時(shí)水中含有雜質(zhì)就會(huì )進(jìn)入硅片而導致IC器件性能下降、成品率降低。確切一點(diǎn)說(shuō)，向生產(chǎn)線(xiàn)提供穩定優(yōu)質(zhì)的超純水將涉及到企業(yè)的成本問(wèn)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(gè)重要的環(huán)節，就是嚴格控制加工過(guò)程中所用氣體的純度。所謂"高純"或"超純"也不是無(wú)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列出了半導體大規模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(guò)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(xiàn)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(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和芯粒表面的硅粉雜質(zhì)，以此來(lái)減少封裝過(guò)程中的芯粒浪費。

　　1．4溫、濕度的影響溫、濕度在IC的生產(chǎn)中扮演著(zhù)相當重要的角色，幾乎每個(gè)工序都與它們有密不可分的關(guān)系。

　　GB-2001《潔凈廠(chǎng)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(chǎn)工藝要求來(lái)確定，并按冬、夏季分別規定。根據國家要求標準，也結合我廠(chǎng)IC塑封生產(chǎn)線(xiàn)的實(shí)際情況，特對相關(guān)工序確定了溫、濕度控制的范圍，運行數年來(lái)效果不錯?？刂魄闆r見(jiàn)表6。

　　但是，由于空調系統發(fā)生故障，在2001年12月18日9：30~9：40期間，粘片工序工作區域發(fā)生了一起濕度嚴重超標事故。當時(shí)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(shí)濕度異常時(shí)粘片現場(chǎng)狀況描述如下：所有現場(chǎng)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(guò)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(chǎng)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(jiàn)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(guò)了一次"蒸汽浴"一樣。從下表可看出或說(shuō)明以下問(wèn)題：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(chǎn)品加工期間的各種工藝參數，原材料等使用情況進(jìn)行了詳細匯總，沒(méi)有發(fā)現異常情況，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)現均有不同程度的離層，經(jīng)解剖發(fā)現：從離層處發(fā)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(chǎn)生裂痕，導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產(chǎn)生。由此可見(jiàn)，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(jiàn)的。在科技飛速發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)高度自動(dòng)化的今天，靜電在工業(yè)生產(chǎn)中的危害已是顯而易見(jiàn)的，它可以造成各種障礙，限制自動(dòng)化水平的提高和影響產(chǎn)品質(zhì)量。這里結合我廠(chǎng)在集成電路封裝、生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際情況來(lái)說(shuō)明之所以有靜電的產(chǎn)生，主要有以下幾個(gè)方面的原因。

　　2．1生產(chǎn)車(chē)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(chē)間或超凈車(chē)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(gè)／m3。為此，除了安裝各吸塵設備之外，還要采用無(wú)機和有機不發(fā)塵材料，以防起塵。但對于建材的電性能沒(méi)有作為一項指標考慮進(jìn)去。工業(yè)企業(yè)潔凈廠(chǎng)房設計規范中也未作規定。IC工廠(chǎng)的潔凈廠(chǎng)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(shù)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(chǎn)生靜電不容易通過(guò)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(chǎng)房操作人員的不同動(dòng)作和來(lái)回走動(dòng)，鞋底和地面不斷的緊密接觸和分離，人體各部分也有活動(dòng)和磨擦，不論是快走、慢走，小跑都會(huì )產(chǎn)生靜電，即所謂步行帶電；人體活動(dòng)后起立，人體穿的工作服與椅子面接觸后又分離也會(huì )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(jué)中造成IC的擊穿。

　　3．3空氣調節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)行空氣調節，同時(shí)要進(jìn)行空氣凈化。降濕的空氣要經(jīng)過(guò)初效過(guò)濾器、中效過(guò)濾器、高效過(guò)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)管內壁涂油漆，當干燥的空氣和風(fēng)管，干燥的空氣和過(guò)濾器作相對運動(dòng)時(shí)，都會(huì )產(chǎn)生靜電。應該引起注意的是靜電與濕度有著(zhù)較敏感的關(guān)系。另外，運送半成品和IC成品在包裝運輸過(guò)程中都會(huì )產(chǎn)生靜電，這都是靜電起電的因素之一。

　　其次，靜電對IC的危害是相當大的。一般來(lái)說(shuō)，靜電具有高電位、強電場(chǎng)的特點(diǎn)，在靜電起電-放電過(guò)程中，有時(shí)會(huì )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(chǎng)。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(guò)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(guò)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，據報道每年因靜電造成直接經(jīng)濟損失高達幾億元人民幣，靜電危害以成為發(fā)展微電子工業(yè)的重大障礙。

　　在半導體器件生產(chǎn)車(chē)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(huì )大大下降。IC生產(chǎn)車(chē)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(chǎng)的話(huà)，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(xiàn)條寬度約100μm時(shí)，薄膜厚度在50μm下時(shí)，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(jué)，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(méi)有明顯的下降，但多次累加放電會(huì )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(huì )遭受靜電破壞呢可以這么說(shuō)，從一個(gè)IC芯片產(chǎn)生以后一直到它損壞以前，所有的過(guò)程都受到靜電的威脅，而這些靜電的產(chǎn)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(chǎn)品的精、細、微小的結構特點(diǎn)而費時(shí)、費事、費財，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(jué)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(chǎn)和封裝過(guò)程中建立起靜電防護系統是很有必要的!IC封裝生產(chǎn)線(xiàn)對靜電的要求更為嚴格。

　　為了保證生產(chǎn)線(xiàn)的正常運行，對其潔凈廠(chǎng)房進(jìn)行防靜電建筑材料的整體裝修，對進(jìn)出潔凈廠(chǎng)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)可根據國家有關(guān)標準和本企業(yè)的實(shí)際隋況制定出在防靜電方面的企業(yè)標準或具體要求，來(lái)配合IC封裝生產(chǎn)線(xiàn)的正常運轉。隨著(zhù)我國IC封裝線(xiàn)的擴建、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，相應地對各種軟、硬件要求和對全體從業(yè)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(zhù)影響我們產(chǎn)品質(zhì)量的"主要角色"和"無(wú)形殺手"。

　　所以說(shuō)，靜電防護將是目前和今后擺在我們整個(gè)IC行業(yè)的一大課題。

　　4.結束語(yǔ)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(guò)程起著(zhù)很重要的作用，這也是IC的發(fā)展趨勢和封裝加工過(guò)程的固有特性所決定的，微電子半導體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”