提高集成電路質(zhì)量等級(jí)的封裝過(guò)程控制方法

關(guān)亞男，趙鶴然，馬仲麗

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110000）

1 引 言

進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著人類(lèi)向太空領(lǐng)域的不斷探索，載人航天、深空探測(cè)等重大航天活動(dòng)的蓬勃開(kāi)展?fàn)恳詈礁呖萍技夹g(shù)跨越式的進(jìn)步。我國(guó)僅“十三五”期間就計(jì)劃在實(shí)施的載人航天、控月工程、深空探測(cè)、北斗導(dǎo)航、通信遙感等領(lǐng)域內(nèi)研制、發(fā)射數(shù)百顆各類(lèi)航天器。相比于地面應(yīng)用，空間環(huán)境更加復(fù)雜和惡劣[1-3]。宇航器件具有不可維修性，器件本身的可靠性成為影響航天器使用壽命的關(guān)鍵因素[4-5]。在此背景下，對(duì)集成電路的可靠性要求越來(lái)越高，為保證集成電路的質(zhì)量可靠性，篩選和一致性質(zhì)量檢驗(yàn)必不可少，但這些只是檢驗(yàn)監(jiān)測(cè)手段，可靠性設(shè)計(jì)和封裝過(guò)程控制才是制備高可靠性集成電路的關(guān)鍵[6-8]。在此，以某款典型的集成電路產(chǎn)品為研究對(duì)象，針對(duì)在封裝過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，找到解決方法，在過(guò)程中探索如何對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高可靠性。

2 半導(dǎo)體集成電路質(zhì)量等級(jí)

根據(jù)GJB597B-2012，質(zhì)量保證等級(jí)分為S 級(jí)、BG 級(jí)和B 級(jí)。S 級(jí)是最高質(zhì)量等級(jí)，供宇航用；BG級(jí)介于S 級(jí)和B 級(jí)間；B 級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)軍用質(zhì)量保證等級(jí)。各質(zhì)量等級(jí)的篩選要求如表1 所示。

表1 篩選要求

從表中可以看出，電路質(zhì)量等級(jí)從B 級(jí)提升到更高的質(zhì)量等級(jí)需要滿(mǎn)足的篩選要求有：100%的非破壞性鍵合拉力、粒子碰撞噪聲檢測(cè)、反偏老煉及X射線照相。直接和封裝相關(guān)的篩選要求有：100%的非破壞性鍵合拉力、內(nèi)部目檢（密封前）、粒子碰撞噪聲檢測(cè)、密封（細(xì)檢和粗檢）以及X 射線照相。

3 封裝過(guò)程質(zhì)量控制

集成電路的封裝過(guò)程并不復(fù)雜，生產(chǎn)環(huán)境控制、工藝過(guò)程的操作控制和工序質(zhì)量檢驗(yàn)都是封裝過(guò)程中質(zhì)量控制必不可少的環(huán)節(jié)。在保證生產(chǎn)環(huán)境控制要求的基礎(chǔ)上，以下結(jié)合表1 中和封裝相關(guān)的篩選要求，有針對(duì)性地逐工序介紹封裝過(guò)程中的工藝過(guò)程控制和質(zhì)量控制方法。

3.1 封裝工藝的選擇

集成電路封裝流程如下：

劃片→粘片→鍵合→密封

其中，可供選用的粘片工藝包括金硅合金粘片、真空燒結(jié)粘片以及導(dǎo)熱膠粘片等；鍵合工藝包括金絲鍵合、鋁硅絲鍵合、粗鋁絲鍵合等；密封工藝包括低溫?zé)Y(jié)封蓋、平行縫焊封蓋、儲(chǔ)能焊封蓋等。這些封裝工藝都可以很好滿(mǎn)足普通質(zhì)量等級(jí)的要求。

封裝過(guò)程中涉及的原材料包括管殼（蓋板）、粘片用的粘接材料、鍵合用金屬絲等。在封裝工藝中應(yīng)盡可能選用非禁用限用的材料，以保證產(chǎn)品可靠性。

此處采用某款實(shí)際科研中用到的集成電路為例（后文中提到的對(duì)電路的要求，均是以該款電路為例）。封裝工藝優(yōu)先選擇金屬焊接材料（鉛銦銀合金焊片）的真空燒結(jié)工藝、鋁硅絲鍵合、低溫?zé)Y(jié)封蓋。

選擇金屬焊接材料是因?yàn)樵摲N金屬焊片焊接后無(wú)揮發(fā)性殘留物質(zhì)，可以很好地控制封裝腔體內(nèi)的氣氛；選擇真空燒結(jié)工藝，可避免工藝過(guò)程中產(chǎn)生可移動(dòng)的多余粒子，提高粒子碰撞噪聲檢測(cè)合格率；選擇鋁硅絲鍵合工藝，可以有效避免金鋁效應(yīng)，提高鍵合的可靠性；鍵合后施加100%非破壞性鍵合拉力，可以有效剔除鍵合質(zhì)量不合格的半成品。

該款集成電路選用的是陶瓷管殼、金屬蓋板（帶焊料環(huán)），更適合用低溫?zé)Y(jié)封蓋以保證集成電路的氣密性封裝，故此選擇低溫?zé)Y(jié)封蓋。在封裝開(kāi)始前對(duì)管殼蓋板進(jìn)行高溫處理，以保證封裝腔體內(nèi)的氣氛不受到水汽、氫氣等其他氣氛的影響。在封裝過(guò)程中逐工序?qū)Ψ庋b腔體內(nèi)的氣氛進(jìn)行控制，以滿(mǎn)足更高質(zhì)量等級(jí)的集成電路對(duì)封裝腔體內(nèi)氣氛的要求。

在每道封裝工序后都有嚴(yán)格的檢驗(yàn)要求，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)按照GJB548 中相關(guān)條款要求執(zhí)行。

3.2 各封裝工序的質(zhì)量控制

3.2.1 劃片

如果封裝的芯粒是以從晶圓中獲得，劃片將是必不可少的封裝工序。目前的劃片方式有多種，新的劃片設(shè)備也層出不窮，但仍以砂輪刀為主要?jiǎng)澠ぞ摺澠瑫r(shí)的刀具旋轉(zhuǎn)速度、運(yùn)行速度，刀具的冷卻速度、晶圓的清洗速度都將影響劃片的質(zhì)量，最終對(duì)芯粒的質(zhì)量產(chǎn)生影響。

3.2.2 粘片

待提高電路質(zhì)量等級(jí)的電路對(duì)粘片主要有以下幾點(diǎn)要求：一是芯片的粘接強(qiáng)度；二是同批次產(chǎn)品的芯片粘接強(qiáng)度的離散性，即抽樣粘接強(qiáng)度檢測(cè)的最大值與最小值之間的倍數(shù)關(guān)系不能超過(guò)一定的數(shù)值（例如小于等于3）；三是芯片粘接面積達(dá)到一定的比例要求（例如不小于75%），粘接的單個(gè)空洞面積不能超過(guò)10%。除此之外還要對(duì)封裝腔體內(nèi)的氣氛進(jìn)行控制，因此粘片工藝應(yīng)盡可能選擇溫度較高的金屬粘接材料，并且芯片本身要求背面蒸金，以實(shí)現(xiàn)良好的粘接。為了增加有效粘接面積，應(yīng)在工藝過(guò)程中選擇重量、尺寸合適的壓塊放在芯片上來(lái)增加芯片的重量。在真空的作用下，此舉可以更好地排出芯片與金屬焊片間、金屬焊片與管殼間的氣體，最終達(dá)到粘接要求和對(duì)氣氛的控制要求。

粘片后的檢驗(yàn)主要是針對(duì)芯片的粘接情況、管殼腔體內(nèi)的多余粒子情況以及芯片在粘接操作過(guò)程中的受損情況。芯片質(zhì)量檢查要在高放大倍數(shù)下進(jìn)行；芯片的粘接情況和管殼內(nèi)的多余粒子情況可以低放大倍數(shù)下進(jìn)行。

圖1 所示為芯片的粘接情況。其中，有焊料溢出的粘接為理想粘接情況，沒(méi)有焊料溢出的粘接為不理想粘接情況。當(dāng)沒(méi)有焊料溢出的粘接連續(xù)到一定程度的時(shí)候，判定為粘接不合格。在顯微鏡下不易全面觀察到芯片的粘接情況，因此檢驗(yàn)時(shí)需要將管殼傾斜一定的角度檢查芯片邊緣的粘接情況。如果發(fā)現(xiàn)焊料未溢出的點(diǎn)比較多，則可采用X 射線照相的手段檢查整個(gè)芯片的粘接情況，以判斷是否需要進(jìn)行工藝調(diào)整；若封裝腔體內(nèi)有多余粒子，需要用一定氣壓的氣流吹走或用干凈的軟毛刷清理。

圖1 芯片粘接情況

圖2 所示為粘接后發(fā)現(xiàn)了芯片裂紋。圖2(a)為芯片表面的裂紋，此種情況在顯微鏡下觀察很容易發(fā)現(xiàn)；圖2(b)為芯片側(cè)壁上的裂紋，一般的檢驗(yàn)操作都是垂直方向檢查，因此很難在檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)此種異常，而是要在檢查芯片粘接情況時(shí)發(fā)現(xiàn)，這就需要檢驗(yàn)操作人員有一定程度的檢驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)及檢驗(yàn)操作技巧，利用光的反射發(fā)現(xiàn)異常，從而進(jìn)行進(jìn)一步的檢察，以及時(shí)準(zhǔn)確地找出問(wèn)題所在。

圖2 芯片裂紋

3.2.3 鍵合

在相同的鍵合條件下，建議在鍵合前將半成品電路在100~120 ℃下預(yù)烘10~20 分鐘，以此來(lái)提高鍵合質(zhì)量，也對(duì)控制封裝腔體內(nèi)的氣氛有利。一般情況下還要對(duì)完成鍵合的半成品抽樣100%進(jìn)行非破壞性鍵合試驗(yàn)，以保證鍵合強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。鍵合完成后，要對(duì)鍵合整體質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，包括鍵、引線等。

3.2.4 密封

電路不僅對(duì)氣密性封裝有要求，對(duì)密封區(qū)的封接面積也有一定的要求。用X 射線對(duì)封接面積進(jìn)行檢查，可以觀察密封效果是否滿(mǎn)足要求。在密封前，將半成品在真空-高純氮狀態(tài)下循環(huán)5～7 次，同時(shí)溫度控制在120±5 ℃，以控制封裝腔體內(nèi)的氣氛。密封時(shí)，組裝后的蓋板和管殼用夾具固定，放入高純氮的環(huán)境下加熱。固定夾具要有一定的壓力，并且這個(gè)壓力應(yīng)盡量均勻地分布在蓋板上，以達(dá)到良好的封接效果。密封完成后，還要再對(duì)密封質(zhì)量進(jìn)行檢查。

4 驗(yàn)證結(jié)果

分三批次封裝300 只樣品進(jìn)行統(tǒng)一篩選，每批封裝100 只。在封裝過(guò)程中，粘片工序的首件剪切強(qiáng)度均大于200 N；鍵合工序的首件鍵合拉力均大于7.0 g；100%非破壞性鍵合拉力全部合格；封蓋前內(nèi)部目檢全部合格。

封蓋后再進(jìn)行篩選，篩選統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。從表中統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：此處采用的控制方法能夠滿(mǎn)足高等級(jí)質(zhì)量要求。

表2 篩選統(tǒng)計(jì)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

在集成電路的封裝過(guò)程中，環(huán)境控制必不可少，對(duì)檢驗(yàn)的要求要更加嚴(yán)格，對(duì)操作過(guò)程的控制更是重中之重。嚴(yán)格的生產(chǎn)過(guò)程控制，并輔以嚴(yán)格的檢驗(yàn)，在有效的篩選手段的支持下，才可有效提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，滿(mǎn)足集成電路更高質(zhì)量等級(jí)的要求。