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，針對封裝工藝的特點，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超標的原因，提出了解決方法。

關(guān)鍵詞：多余物；導電膠；鍵合；平行縫焊

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

根據(jù)國家標準，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]， 同時也規(guī)定了對內(nèi)部的可動微粒進行粒子碰撞噪聲檢測（PIND）試驗，由于IC封裝工序的精細化生產(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)定劃片機運行狀態(tài)、陶瓷管殼的預處理、導電膠粘貼后烘烤、壓焊臺及平行縫焊機封蓋的工藝控制，使內(nèi)部腔體的內(nèi)部氣氛及PIND檢測結(jié)果達到產(chǎn)品的篩選、質(zhì)量一致性檢驗要求。

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——標識打印

晶圓劃片工序通過劃片機將整個晶圓分裂為若干芯片。以高強力磨削為切割原理，刀片以高轉(zhuǎn)速切割晶圓，將具有獨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的焊接起來，使芯片鍵合區(qū)和管殼引線形成良好的導電連接；封蓋前烘烤工序利用恒溫氮氣烘箱對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采用電阻熔焊方法，利用兩個圓錐形滾輪電極與封裝外殼進行相對運動，使電極始終與金屬上框和蓋板保持良好的接觸，對鍵合后電路進行焊接，并達到氣密性和水汽含量的要求。標識打印工序利用激光打印機對蓋板表面進行型號、品種、質(zhì)量等級等內(nèi)容的標識。

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、氮氣、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電膠原材料應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。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電膠不能過量；導電膠固化程度徹底；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氣純度滿足要求；恒溫烘箱的烘烤溫度及精度滿足工藝條件；平行縫焊機焊接室氮氣純度及露點符合工藝條件；陶瓷管殼與蓋板的定位正確；平行縫焊機的電極輪及時更換，維修后必須進行首件鑒定；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級標準。

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；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。避免劃片機劃片后芯片側(cè)面崩邊及裂紋。劃片機劃片前，主軸自動空轉(zhuǎn)時間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氣純度滿足要求；避免導電膠的脫離，粘片前對導電膠充分攪拌，使導電膠銀漿成分均勻。粘片使用的導電膠不能過量，防止溢出；導電膠固化程度徹底；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級標準。

4 封裝工藝技術(shù)條件的具體控制

劃片機水壓：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償。刀痕超過40um時從材料備用處取出新刀并進行檢查。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的載片盤上進行清洗。

陶瓷管殼除氫處理，由于陶瓷管殼易吸附氫氣，所以在裝架前進行高真空條件下的烘烤。真空度6x10-4Torr，溫度170℃±10℃，時間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°。導電膠呈球冠狀均勻分布于芯片四周，無尖峰，點膠面積100%覆蓋芯片的底面積，四周至少有周長50%以上的區(qū)域有導電膠包敷。固化后的導電膠呈銀灰色，表面致密，無氣孔，無異物。芯片粘接材料不得剝落。在氮氣氣氛下導電膠固化條件，溫度：100℃±10℃ （2h） → 150℃±10℃ （2h）→ 200℃±10℃ （2h），氮氣流量：（9±1）L/min，氮氣含水量：≤5PPM， 氮氣含氧量：≤10PPM ，工作環(huán)境溫度：20℃～25℃，濕度：35%～50%，潔凈度：≤10000級，風速：≥0.2m/s。

內(nèi)、外引線壓焊，鍵合電流280?A～480?A鍵合時間0.05S，芯片或封裝鍵合區(qū)上的超聲楔形鍵合點長度為引線直徑的1.5倍～6.0倍，引線直徑為Φ30?m時，為45?m～180?m，鍵合點寬度為引線直徑的1.2倍～3.0倍，為36?m ～90?m。第一鍵合點應占鍵合區(qū)面積的50%以上，第二鍵合點應完全在鍵合區(qū)的周界內(nèi)。第一鍵合點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℃；時間：48±2 h；氮氣流量：（8±1）L/min。

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

（1）預烘烘箱抽真空：打開預烘烘箱外側(cè)的門把電路放入，烘箱開始升溫，抽真空充氮氣。

（2）待溫度升至150℃抽真空充氮氣；

（3）恒溫30min后抽真空充氮氣；

（4）恒溫60min后抽真空充氮氣。上面四步中，按抽真空方法，每次當溫度或時間達到要求值時，均將烘箱內(nèi)真空抽至0.2Torr以下，再充氮氣至760Torr，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； 焊接時間：1ms～3ms。焊接壓力：600g～1500g， 焊接速度：0.4～0.6in/s。氮氣露點： ≤-40℃，氮氣含氧量：≤400ppm。技術(shù)要求，電路蓋板和金屬上框要對位準確，不能有偏移。自動封焊。電路外殼蓋板兩個邊的邊緣形成兩條平行的、由重疊的焊點組成的連續(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)譜檢漏儀中進行細檢檢驗，檢漏儀加壓時不能過壓，控制加壓時間符合標準要求。

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，能夠滿足GJB548B及GJB597B的篩選、質(zhì)量一致性檢驗要求。目前國產(chǎn)IC用陶瓷管殼、蓋板還沒有統(tǒng)一的尺寸標準，國產(chǎn)導電膠的水平與進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。

參考文獻：

[1]陳裕焜，賈新章.GJB548B-2005微電子器件試驗方法和程序[S].總裝備部軍標出版發(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試驗特征波形研究及控制方法[M].微電子學，2010，40（01）.

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