电子封装工艺及过程管控体系

2011-03-26张华洪鄢胜虎

电子工业专用设备 2011年7期

张华洪，鄢胜虎

(汕头华汕电子器件有限公司工程部，广东汕头515300)

汕头华汕电子器件有限公司（以下简称华汕电子）目前国内半导体分立器件生产规模最大的企业之一，主要从事中、大功率分立器件的OEM加工及华汕品牌产品的生产销售。自1993年以来，华汕电子先后与韩国三星电子株式会社、美国快捷半导体公司、台湾华昕电子、Philip(飞利浦)半导体、AOS（万代半导体）、Vishay半导体、NXP（恩智浦）半导体、Renesas(瑞萨)半导体等建立合作伙伴关系。目前华汕电子生产的产品按照封装形式分有：TO-92、TO-126、TO-251、TO-220（FP）、TO-263、SOD59、SOT82、SOT186A、SOD113、II TO-220、TO-3P、SOD113CD、SOT226、TO-220F-4L等，表1时华汕电子的产品发展趋势。

华汕电子所封装的产品技术含量和价值竞争力不断地提升。2010年开发成功新品IGBT、SOD113CD、TO-220F-4L产品，这些产品的测试良率均达到98%以上。随着产品的封装形式的不断增多，产品价值越来越高，如何保证产品的质量，并稳定产品的封装良率，最大限度的降低成本，这些都对封装工艺及过程管理提出更严格的要求，需要质量管理体系来保证。

1 质量管理体系

华汕电子器件有限公司有其完善的质量管理体系，1999年通过挪威船级社的ISO9002质量体系认证，2003年通过UL公司的产品安全认证，2006年 05月通过挪威船级社（DNV）的ISO/TS16949:2002质量体系认证，正式取得进入生产汽车电子产品领域的“通行证”，标志着公司在生产高端电子器件方面取得重大的进展。

华汕电子作为一个OEM厂商，产品质量是其生命线，从材料进厂到产品交付都有着一套完整的控制体系，如图1所示。

图1 品质管理体系

2 装配过程品质控制

除了整体的质量管理体系外，在半导体的封装过程中，每个环节的品质控制也是非常关键的。因每个工艺环节都有其特殊的要求及规定，下面将主要讨论分立器件在装配过程中的最关键的步骤的过程品质控制。图2为IGBT产品（TO-3P封装）的封装流程图。

图2 封装流程图

2.1 划片过程的锯痕控制

划片工艺（Die Sawing工艺）是利用金刚石刀片将整片wafer切割分离为单个有效单元的过程，以利于后续的上芯操作。切割时，高速旋转的金刚石刀片将晶圆的切割道硅层逐步磨削掉，因晶圆的硅材质具有硬而脆的特性，在切割过程中，晶圆存在暗裂的风险。而锯痕宽度检查（Saw width check）就是为了检查切割过程中产生的圆片边缘锯齿是否伤及晶圆内部，保证device结构不受损坏。

通过实验证明，切割时的锯痕质量与主轴转速、切割速度、刀片的选用直接相关。一般来说，主轴转速越快、切割速度越慢，切割时产生的锯齿状也越小。另外，因IGBT产品内部有2种不同类型的芯片，一为IGBT，芯片大而薄，另一为FRD，芯片小而厚，相应的两者的切割参数也需要单独区分。

此外，划片过程的锯痕宽度需要采用SPC控制。通过X-R（均值-极差）图的控制，可以及时发现过程、设备上的一些变化趋势，便于保证切割的稳定性。

2.2 上芯过程的推力检验

大功率器件的上芯过程是利用焊料在高温下将芯片粘合到引线框架PAD的过程，目的是固定芯片，便于后续的焊线作业，同时将芯片工作时发出的热量传导出去，保护芯片不受损坏。

Punch test（芯片粘合强度的推力敲击测试）是一种快捷、简便的用于测试芯片与框架间结合强度的检验方法。它的优点在于操作简单，结果判定直接（GO NO GO）。图3为punch test的作业方法。

图3 punch test的作业方法

如图示，芯片在完成上芯后，用金属硬物直接敲击芯片表面，将芯片砸碎，然后查看敲击后的芯片下方硅残留情况。敲击后，推力判定标准如下：

（1）芯片下方未残留硅渣，露出背材，则判定芯片自身的背面金属与衬底结合不良

（2）芯片下方未残留硅渣，露出焊料层，则判定芯片与焊料层结合不良

（3）芯片下方硅残留部分超过90%，则芯片推力测试合格

2.3 引线键合过程中的拉力测试及弹坑检查

在大功率分立器件产品中，引线键合通常是采用5mil以上的粗铝丝进行焊接。引线键合过程就是利用粗铝丝或铝带将PAD和内部管脚通过超声波冷焊的方法连接起来，以实现芯片与外部电路的电气性能。

拉力测试（pull test）是用于考核引线键合的强度。与金线/铜线的拉力测试方法一样，粗铝线的拉力测试同样也是采用拉力设备将焊接的铝线拉断，读取数值，并同步判断铝线的断点位置。如图4，a和c是断在铝线的颈部，b是断在铝线的中间，d是铝线焊球脱离框架，e是铝线焊球脱离芯片。一般来说，断在a、b、c位置时正常的；如果断在d处，就说明铝线与leadframe间的键合存在虚焊，可能导致产品可靠性失效；如果断在e处，就说明在焊接时，芯片PAD处的铝层已经受到损伤（见图5）。

图4 粗铝线拉力测试示意图

图5 拉力测试后，PAD铝层损伤

因目前功率MOSFET芯片因结构设计原因，使得表面的铝层厚度很薄，一般约为2～4 μm，在粗铝线焊接时，很容易造成芯片的内部损伤，而这种内部损伤很难直接判断出来，这就需要进行弹坑试验后，查看芯片的内在损伤情况。

弹坑试验是通过强碱溶液在高温下与铝发生化学反应的原理，来将芯片表层的铝进行腐蚀剥离，从而来查看芯片内部的损伤情况。一般而言，弹坑试验时采用NAOH/KOH与水按比例混合，在80℃的恒温下快速进行铝层腐蚀。如果弹坑试验后，芯片表面出现栅格损伤或是明显颜色深浅不一的焊球印记，则说明芯片内部遭到破坏，芯片失效。见图6。

图6 芯片表面出现栅格损伤或是明显颜色深浅不一的焊球印记

3 过程成品率控制及测试成品率控制

华汕电子执行了一套非常严格的过程成品率控制标准，并且借助公司内部先进的生产管理系统进行监控，一旦发现过程异常产生异常成品率不达标，电脑系统对该批产品自动扣留并报警，无法流通到下一道工作，每道工序都有一组专门负责异常分析的 MBR（Material review board）小组，小组成员由质量、工程、制造等人员组成，分析流程按照OCAP(Out of control action plan）进行，重大问题时必须召开MRB小会议进行风险评估，直到确认对产品质量没有影响时该批才能够流通。

测试成品率控制则采用目前比较高级的MAVERICK LOT控制方法，测试异常批控制限实行 SYA（Statistical Yield Analysis）分析，初始化数据采集使用前30天的测试数据，通过电脑系统自动计算SYL1及SYL2控制值：

SYL1（上管制限）=均值-3Sigma

SYL2（下管制限）=均值-4Sigma

SYL1及SYL2必须每3个月更新一次，因此必须统计保存近期3个月各封装产品的测试成品率达成情况，这种控制方法基本上与汽车产品PAT（Part Average Testing）控制要求是一致的。

4 ESD防静电保障系统

在行业内，通常把进行防静电措施的行为称之为“蚀金虫”，这是由于为了防止静电所投入的费用不能立竿见影的见到效果的缘故，在电子生产制造的环境中，如要建立一个基本完整的防静电系统，则首先必须在硬件和软件上进行完善，其次必须进行全员培训，最后是定期的检验，以确保有效性，在实际工作中忽略任何一个方面或者是一个环节，都有可能导致防静电防护失败或效果不显著。华汕电子作为专业生产MOSFET和IGBT等高值大功率产品厂家，MOSFET产品在制造过程中极容易受到静电破坏，ESD防静电防护方面必须惯穿到各个生产环节，华汕电子的ESD防护体系建立是参照国际JESD625-A标准进行的，在硬件和软件方面主要做好以下工作：

(1)编制防静电系统体系文件，系统规定防静电工作总体性大纲。

(2)按照标准建立EPA（防静电工作区），完善工作区要求的硬件要求。

(3)成立防静电工作小组，由工程部指定专人总负责，以下各EPA工作区指定至少2-3位组员，负责日常ESD设施检测、计量、维护。

(4)建立定期审核制度，发现问题及时整改。

(5)充足的新工ESD培训，编写《华汕电了新进员工防静电培训》资料，每一位新员入厂后必须进行相应的培训。