環(huán)境與靜電對集成電路封裝的影響

1 引言

　　現(xiàn)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IC)產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速。自從1958年世界上第一塊IC問世以來，特別是近20年來，幾乎每隔2-3年就有一代產(chǎn)品問世，至目前，產(chǎn)品以由初期的小規(guī)模IC發(fā)展到當今的超大規(guī)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和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前導和基礎。有了微電子技術的超前發(fā)展，便能夠更有效地推動其它前沿技術的進步。隨著IC的集成度和復雜性越來越高，污染控制、環(huán)境保護和靜電防護技術就越盲膨響或制約微電子技術的發(fā)展。同時，隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)定增長和生產(chǎn)技術的不斷創(chuàng)新發(fā)展，生產(chǎn)工藝對生產(chǎn)環(huán)境的要求越來越高。大規(guī)模和超大規(guī)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。

2 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IC業(yè)快速發(fā)展而同步發(fā)展。據(jù)中國半導體信息網(wǎng)對我國國內28家重點IC制造業(yè)的IC總產(chǎn)量統(tǒng)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。

　　眾所周知，封裝業(yè)屬于整個IC生產(chǎn)中的后道生產(chǎn)過程，在該過程中，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房內設立，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)氧樹脂包裹起來。這樣，包封以后不僅能對IC芯粒起著機械保護和引線向外電學連接的功能，而且對整個芯片的各種參數(shù)、性能及質量都起著根本的保持作用。在以上各工序中，哪個環(huán)節(jié)或因素不合要求都將造成芯粒的報廢，所以說，凈化區(qū)內工序對環(huán)境諸因素要求比較嚴格和苛刻。超凈廠房的設計施工要嚴格按照國家標準GB50073-2001《潔凈廠房設計規(guī)范》的內容進行。

　　2．1 空調系統(tǒng)中潔凈度的影響

　　對于凈化空調系統(tǒng)來講，空氣調節(jié)區(qū)域的潔凈度是最重要的技術參數(shù)之一。潔凈廠房的潔凈級別常以單位體積的空氣中最大允許的顆粒數(shù)即粒子計數(shù)濃度來衡量。為了和國際標準盡快接軌，我國在根據(jù)IS014644-1的基礎上制定了新的國家標準GB50073-2001《潔凈廠房設計規(guī)范》，其中把潔凈室的潔凈度劃分了9個級別。

　　結合不同封裝企業(yè)的凈化區(qū)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確定合適恰當?shù)牟杉瘻y試點和頻次，使?jié)崈魠^(qū)域內潔凈度控制工作既有可行性，又具有經(jīng)濟性，進而避免偶然性，各封裝企業(yè)可依據(jù)國家行業(yè)標準JGJ71-91《潔凈室施工及驗收規(guī)范》中的規(guī)定靈活掌握。

　　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(guī)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封裝來說，凈化區(qū)內的各工序的潔凈度至少必須達到1級。

　　2．2超純水的影響

　　IC的生產(chǎn)，包括IC封裝，大多數(shù)工序都需要超純水進行清洗，晶圓及工件與水直接接觸，在封裝過程中的減薄工序和劃片工序，更是離不開超純水，一方面晶圓在減薄和劃片過程中的硅粉雜質得到洗凈，而另一方面純水中的微量雜質又可能使芯粒再污染，這毫無疑問將對封裝后的IC質量有著極大的影響。

　　隨著IC集成度的進一步提高，對水中污染物的要求也將更加嚴格。據(jù)美國提出的水質指標說明，集成度每提高一代，雜質都要減少1／2~1／10。

　　隨著半導體IC設計規(guī)則從1．5~0．25μm的變化，相應地超純水的水質除電阻率已接近理論極限值外，其TOC(總有機碳)、DO(溶解氧)、Si02、微粒和離子性雜質均減少2-4個數(shù)量級。

　　在當前的水處理中，各項雜質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(xiàn)在IC技術的發(fā)展趨勢中，芯片上柵膜越來越薄，故降低TOC是當前和今后的最大難點，因而已成為當今超純水水質的象征和重心。據(jù)有關資料介紹，在美國芯片廠中，50％以上的成品率損失起因于化學雜質和微粒污染；在日本工廠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(guī)模IC的90％以上，可見IC線條寬度越細，其危害越突出。相應的在IC封裝過程中超純水的重要性就顯而易見了。

　　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，緊接著就進人高溫過程，若此時水中含有雜質就會進入硅片而導致IC器件性能下降、成品率降低。確切一點說，向生產(chǎn)線提供穩(wěn)定優(yōu)質的超純水將涉及到企業(yè)的成本問題。

　　2．3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，其中一個重要的環(huán)節(jié)，就是嚴格控制加工過程中所用氣體的純度。所謂高純或超純也不是無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及塵粒必須減少到一定值以下。

　　例如在IC封裝過程中，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，以此來減少封裝過程中的芯粒浪費。

　　2．4 溫、濕度的影響

　　溫、濕度在IC的生產(chǎn)中扮演著相當重要的角色，幾乎每個工序都與它們有密不可分的關系。GB50073-2001《潔凈廠房設計規(guī)范》中明確強調了對潔凈室溫、濕度的要求要按生產(chǎn)工藝要求來確定，并按冬、夏季分別規(guī)定。

　　根據(jù)國家要求標準，也結合我廠IC塑封生產(chǎn)線的實際情況，特對相關工序確定了溫、濕度控制的范圍，運行數(shù)年來效果不錯。

　　但是，由于空調系統(tǒng)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(qū)域發(fā)生了一起濕度嚴重超標事故。當時相對濕度高達86．7％RH，而在正常情況下相對濕度為45~55％RH。

　　當時濕度異常時粘片現(xiàn)場狀況描述如下：

　　所有現(xiàn)場桌椅板凳、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(xiàn)場存放的芯片有許多，其中SOPl6L產(chǎn)品7088就在其列。所有這些產(chǎn)品中還包括其它系列產(chǎn)品，都象經(jīng)過了一次蒸汽浴一樣。

　　 針對這批7088成品率由穩(wěn)到不穩(wěn)，再到嚴重下降這一現(xiàn)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(shù)，原材料等使用情況進行了詳細匯總，沒有發(fā)現(xiàn)異常情況，排除了工藝等方面的原因。

　　事后進一步對廢品率極高的18#、21#、25#、340、55#卡中不合格晶進行了超聲波掃描，發(fā)現(xiàn)均有不同程度的離層，經(jīng)解剖發(fā)現(xiàn)：從離層處發(fā)生裂痕、金絲斷裂、部分芯片出現(xiàn)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，溫、濕度對IC封裝生產(chǎn)中的重大影響。

　　2．5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。