環(huán)境與靜電對集成電路封裝的影響

1 引言

　　微電子已成為當今世界各項**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**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。下面就將對環(huán)境與靜電對集成電路封裝的影響作個(gè)大概闡述。
 

2 環(huán)境因素對IC封裝的影響

　　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?！　?br>2．1 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*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*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IS014644-1的基礎上制定了新的國家標準GB50073-2001《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。

　　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。

2．2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。

　　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*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**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)提供穩定上等的超純水將涉及到企業(yè)的成本問(wèn)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(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。

　　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。

2．4 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。GB50073-2001《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。

　　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。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。

　　 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。*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。

　　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。
環(huán)境與靜電對集成電路封裝的影響還有以下： 

3 靜電因素對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。

　　3．1 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。

　　3．2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*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!