集成电路陶瓷封装内部气氛及PIND控制

　　摘 要：本文介绍了集成电路（IC）陶瓷封装工艺过程，为了提高器件的可靠性，针对封装工艺的特点，在工艺过程的材料、设备、测量、超净环境、技术状态等方面分析了产生内部气氛及PIND超标的原因，提出了解决方法。 

　　关键词：多余物；导电胶；键合；平行缝焊 

　　根据国家标准，质量等级为S、B级的微电路内部水汽含量不大于5000ppm[1]， 同时也规定了对内部的可动微粒进行粒子碰撞噪声检测（PIND）试验，由于IC封装工序的精细化生产工艺可直接影响内部水汽含量及PIND数值，所以利用稳定划片机运行状态、陶瓷管壳的预处理、导电胶粘贴后烘烤、压焊台及平行缝焊机封盖的工艺控制，使内部腔体的内部气氛及PIND检测结果达到产品的筛选、质量一致性检验要求。 

　　1 封装工艺流程及原理 

　　IC的生产工艺流程包括芯片的制造及管芯的封装，可划分为芯片前工序及封装后工序，以下为封装后工序流程： 

　　晶圆划片——陶瓷管壳除氢——装架烘烤——内、外引线压焊——封盖前烘烤——平行缝焊——标识打印 

　　晶圆划片工序通过划片机将整个晶圆分裂为若干芯片。以高强力磨削为切割原理，刀片以高转速切割晶圆，将具有独立功能的芯片分裂出来；陶瓷管壳除氢工序通过冷泵真空设备在红外线烘烤下将陶瓷管壳内部吸附的极微量的氢气脱离；装架烘烤工序通过导电胶的粘接及固化将芯片牢固地粘接在陶瓷管壳腔体中心，并达到剪切力的要求；内、外引线压焊工序使用超声压焊台将芯片键合区和陶瓷管壳内部焊盘用硅铝丝通过超声能量对应的焊接起来，使芯片键合区和管壳引线形成良好的导电连接；封盖前烘烤工序利用恒温氮气烘箱对键合后的待封电路放置于内在一定温度下烘焙，以除去表面水汽；平行缝焊工序使用平行缝焊机采用电阻熔焊方法，利用两个圆锥形滚轮电极与封装外壳进行相对运动，使电极始终与金属上框和盖板保持良好的接触，对键合后电路进行焊接，并达到气密性和水汽含量的要求。标识打印工序利用激光打印机对盖板表面进行型号、品种、质量等级等内容的标识。 

　　2 内部气氛控制原理 

　　研究表明水汽含量大于5000ppm的电路内部通常含有大量杂质气氛，包括水汽、氮气、氧气、氩气、二氧化碳、氦气等[2]。IC陶瓷封装电路的失效，很大程度上是由于封装腔体内过多的水汽引起的，内部气氛超标会对电路的性能、寿命、可靠性产生重大影响。控制内部气氛的原则就是隔绝产生气氛源头。IC陶瓷封装采用的管壳及导电胶原材料应为不易释放气体或释放气体中水汽含量不超过5000ppm，并能顺利通过耐湿、盐雾等例行试验。封装使用的原材料表面清洁、干燥；管壳内部无吸附的气体；工艺过程中粘片采用的导电胶不能过量；导电胶固化程度彻底；真空设备保持高真空度及高洁净；操作人员的净化服、口帘及手套净化度符合超净要求；恒温烘箱洁净度符合超净等级及氮气纯度满足要求；恒温烘箱的烘烤温度及精度满足工艺条件；平行缝焊机焊接室氮气纯度及露点符合工艺条件；陶瓷管壳与盖板的定位正确；平行缝焊机的电极轮及时更换，维修后必须进行首件鉴定；关键工序和特殊工序按照程序执行；存放芯片及管壳的工作台满足超净等级；工序之间装载半成品的传递盒保持密闭、超净。定期更换净化厂房高效、中效过滤器，确保划片、除氢、烘烤、压焊的工作环境条件符合超净10000级标准。 

　　3 PIND控制原理 

　　IC的外部封装包括密封和非密封两种形式，其中密封又分为空腔封装和实体封装，空腔封装的IC封装腔内含有组成元器件的零部件和有一定的空间填充某种气态的介质。多余物就是由于工艺技术的不完善被封装在腔体内部的多余物质[3]。多余物控制不良常常导致IC的致命失效[4]，防止产生多余物就是PIND控制关键点；管壳和盖板的边缘不能有毛刺，否则在焊接状态下会产生金属微粒。避免划片机划片后芯片侧面崩边及裂纹。划片机划片前，主轴自动空转时间30 min以上，以使刀片转动状态稳定，刀片不抖动。每次划片前，对刀口距离测量；恒温烘箱洁净度符合超净等级及氮气纯度满足要求；避免导电胶的脱离，粘片前对导电胶充分搅拌，使导电胶银浆成分均匀。粘片使用的导电胶不能过量，防止溢出；导电胶固化程度彻底；压焊台工艺净化度符合超净要求；压焊的硅铝丝丝头长度不能过长；避免管壳和夹具之间的摩擦，产生微夹具材料的小颗粒，平行缝焊隔离箱内放置的管壳夹具应采用耐磨损、耐高温的聚四氟乙烯，不能采用其他金属或塑料，如采用则材料表面需进行激光抛光处理；防止接触管壳的橡胶手套产生微粒；保持工艺超净度10000级标准。 

　　4 封装工艺技术条件的具体控制 

　　划片机水压：0.8～1.2L/MIN，冷却水水压：1.0～1.5L/MIN，管道的去离子水压：2.5～4kg，循环水压：2～4kg压缩空气压力≥0.5Mpa。划片机启动后主轴自动空转。载片盘在每批晶片划片前都要清洁。用酒精和纤维纸清洁划片机的载片盘，载片盘不能有任何污染和颗粒物。划片速度25mm/s，刀刃外漏量=0.060-上一轮次的刀片高度补偿。刀痕超过40um时从材料备用处取出新刀并进行检查。将刀片放在50倍显微镜下检查刀刃是否有缺口、洞眼、裂纹等缺陷。装卸固定螺帽治具扭力为30kgf.cm，划片结束后晶片放在清洗机的载片盘上进行清洗。 

　　陶瓷管壳除氢处理，由于陶瓷管壳易吸附氢气，所以在装架前进行高真空条件下的烘烤。真空度6x10-4Torr，温度170℃±10℃，时间50min。 

　　装架烘烤，芯片与管壳腔体中心相对位移<1mm， 芯片相对于管腔底面倾斜度<10°，相对于管腔X轴线旋转度<10°。导电胶呈球冠状均匀分布于芯片四周，无尖峰，点胶面积100%覆盖芯片的底面积，四周至少有周长50%以上的区域有导电胶包敷。固化后的导电胶呈银灰色，表面致密，无气孔，无异物。芯片粘接材料不得剥落。在氮气气氛下导电胶固化条件，温度：100℃±10℃ （2h） → 150℃±10℃ （2h）→ 200℃±10℃ （2h），氮气流量：（9±1）L/min，氮气含水量：≤5PPM， 氮气含氧量：≤10PPM ，工作环境温度：20℃～25℃，湿度：35%～50%，洁净度：≤10000级，风速：≥0.2m/s。 

　　内、外引线压焊，键合电流280?A～480?A键合时间0.05S，芯片或封装键合区上的超声楔形键合点长度为引线直径的1.5倍～6.0倍，引线直径为Φ30?m时，为45?m～180?m，键合点宽度为引线直径的1.2倍～3.0倍，为36?m ～90?m。第一键合点应占键合区面积的50%以上，第二键合点应完全在键合区的周界内。第一键合点丝头长度不得超过硅铝丝直径的2倍，第二键合区内不得有残留硅铝丝。 

　　封盖前烘烤，烘焙温度：150℃±10℃；时间：48±2 h；氮气流量：（8±1）L/min。 

　　焊接预烘：将电路放入预烘烘箱中烘焙，预烘温度150℃±10℃；待烘箱恒温后烘烤60 min 。预烘过程： 

　　（1）预烘烘箱抽真空：打开预烘烘箱外侧的门把电路放入，烘箱开始升温，抽真空充氮气。 

　　（2）待温度升至150℃抽真空充氮气； 

　　（3）恒温30min后抽真空充氮气； 

　　（4）恒温60min后抽真空充氮气。上面四步中，按抽真空方法，每次当温度或时间达到要求值时，均将烘箱内真空抽至0.2Torr以下，再充氮气至760Torr，循环操作。选择与待封电路的引线数相同的模具，固定在载料台上，用镊子夹取待封电路一只放入模具卡槽中并夹取盖板一只，准确对位压下顶针使盖板固定于柯伐框上。 

　　平行缝焊，焊接电流：0.26～0.40kA； 焊接时间：1ms～3ms。焊接压力：600g～1500g， 焊接速度：0.4～0.6in/s。氮气露点： ≤-40℃，氮气含氧量：≤400ppm。技术要求，电路盖板和金属上框要对位准确，不能有偏移。自动封焊。电路外壳盖板两个边的边缘形成两条平行的、由重叠的焊点组成的连续的鱼鳞状焊缝。检测仪器为显微镜、氦质谱检漏仪。在氦质谱检漏仪中进行细检检验，检漏仪加压时不能过压，控制加压时间符合标准要求。 

　　5 封装工艺控制的结果 

　　经过封装工序工艺过程的原材料、工艺参数、净化度等方面的控制可以避免内部气氛及PIND超标，能够满足GJB548B及GJB597B的筛选、质量一致性检验要求。目前国产IC用陶瓷管壳、盖板还没有统一的尺寸标准，国产导电胶的水平与进口材料还有一定的差距，封装工序的关键设备仍需要进口，给自动化生产造成一定的困难，因此内部气氛及PIND控制是伴随新工艺、新材料、新设备的升级而提升的。 

　　参考文献： 

　　[1]陈裕焜，贾新章.GJB548B-2005微电子器件试验方法和程序[S].总装备部军标出版发行部出版，2007（66）. 

　　[2]肖玲.混合集成电路内部气氛研究[D].第十四届全国混合集成电路会议学术论文集，2005：291-295. 

　　[3]罗辑，赵和义等.军用电子元器件质量管理与质量控制[S].北京：国防工业出版社，2004：231-246 

　　[4]陈亚兰，肖玲.混合集成电路PIND试验特征波形研究及控制方法[M].微电子学，2010，40（01）.