電子封裝工藝及過程管控體系

張華洪，鄢勝虎

(汕頭華汕電子器件有限公司工程部，廣東汕頭515300)

汕頭華汕電子器件有限公司（以下簡稱華汕電子）目前國內(nèi)半導(dǎo)體分立器件生產(chǎn)規(guī)模最大的企業(yè)之一，主要從事中、大功率分立器件的OEM加工及華汕品牌產(chǎn)品的生產(chǎn)銷售。自1993年以來，華汕電子先后與韓國三星電子株式會社、美國快捷半導(dǎo)體公司、臺灣華昕電子、Philip(飛利浦)半導(dǎo)體、AOS（萬代半導(dǎo)體）、Vishay半導(dǎo)體、NXP（恩智浦）半導(dǎo)體、Renesas(瑞薩)半導(dǎo)體等建立合作伙伴關(guān)系。目前華汕電子生產(chǎn)的產(chǎn)品按照封裝形式分有：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時華汕電子的產(chǎn)品發(fā)展趨勢。

華汕電子所封裝的產(chǎn)品技術(shù)含量和價值競爭力不斷地提升。2010年開發(fā)成功新品IGBT、SOD113CD、TO-220F-4L產(chǎn)品，這些產(chǎn)品的測試良率均達到98%以上。隨著產(chǎn)品的封裝形式的不斷增多，產(chǎn)品價值越來越高，如何保證產(chǎn)品的質(zhì)量，并穩(wěn)定產(chǎn)品的封裝良率，最大限度的降低成本，這些都對封裝工藝及過程管理提出更嚴格的要求，需要質(zhì)量管理體系來保證。

1 質(zhì)量管理體系

華汕電子器件有限公司有其完善的質(zhì)量管理體系，1999年通過挪威船級社的ISO9002質(zhì)量體系認證，2003年通過UL公司的產(chǎn)品安全認證，2006年 05月通過挪威船級社（DNV）的ISO/TS16949:2002質(zhì)量體系認證，正式取得進入生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品領(lǐng)域的“通行證”，標志著公司在生產(chǎn)高端電子器件方面取得重大的進展。

華汕電子作為一個OEM廠商，產(chǎn)品質(zhì)量是其生命線，從材料進廠到產(chǎn)品交付都有著一套完整的控制體系，如圖1所示。

圖1 品質(zhì)管理體系

2 裝配過程品質(zhì)控制

除了整體的質(zhì)量管理體系外，在半導(dǎo)體的封裝過程中，每個環(huán)節(jié)的品質(zhì)控制也是非常關(guān)鍵的。因每個工藝環(huán)節(jié)都有其特殊的要求及規(guī)定，下面將主要討論分立器件在裝配過程中的最關(guān)鍵的步驟的過程品質(zhì)控制。圖2為IGBT產(chǎn)品（TO-3P封裝）的封裝流程圖。

圖2 封裝流程圖

2.1 劃片過程的鋸痕控制

劃片工藝（Die Sawing工藝）是利用金剛石刀片將整片wafer切割分離為單個有效單元的過程，以利于后續(xù)的上芯操作。切割時，高速旋轉(zhuǎn)的金剛石刀片將晶圓的切割道硅層逐步磨削掉，因晶圓的硅材質(zhì)具有硬而脆的特性，在切割過程中，晶圓存在暗裂的風(fēng)險。而鋸痕寬度檢查（Saw width check）就是為了檢查切割過程中產(chǎn)生的圓片邊緣鋸齒是否傷及晶圓內(nèi)部，保證device結(jié)構(gòu)不受損壞。

通過實驗證明，切割時的鋸痕質(zhì)量與主軸轉(zhuǎn)速、切割速度、刀片的選用直接相關(guān)。一般來說，主軸轉(zhuǎn)速越快、切割速度越慢，切割時產(chǎn)生的鋸齒狀也越小。另外，因IGBT產(chǎn)品內(nèi)部有2種不同類型的芯片，一為IGBT，芯片大而薄，另一為FRD，芯片小而厚，相應(yīng)的兩者的切割參數(shù)也需要單獨區(qū)分。

此外，劃片過程的鋸痕寬度需要采用SPC控制。通過X-R（均值-極差）圖的控制，可以及時發(fā)現(xiàn)過程、設(shè)備上的一些變化趨勢，便于保證切割的穩(wěn)定性。

2.2 上芯過程的推力檢驗

大功率器件的上芯過程是利用焊料在高溫下將芯片粘合到引線框架PAD的過程，目的是固定芯片，便于后續(xù)的焊線作業(yè)，同時將芯片工作時發(fā)出的熱量傳導(dǎo)出去，保護芯片不受損壞。

Punch test（芯片粘合強度的推力敲擊測試）是一種快捷、簡便的用于測試芯片與框架間結(jié)合強度的檢驗方法。它的優(yōu)點在于操作簡單，結(jié)果判定直接（GO NO GO）。圖3為punch test的作業(yè)方法。

圖3 punch test的作業(yè)方法

如圖示，芯片在完成上芯后，用金屬硬物直接敲擊芯片表面，將芯片砸碎，然后查看敲擊后的芯片下方硅殘留情況。敲擊后，推力判定標準如下：

（1）芯片下方未殘留硅渣，露出背材，則判定芯片自身的背面金屬與襯底結(jié)合不良

（2）芯片下方未殘留硅渣，露出焊料層，則判定芯片與焊料層結(jié)合不良

（3）芯片下方硅殘留部分超過90%，則芯片推力測試合格

2.3 引線鍵合過程中的拉力測試及彈坑檢查

在大功率分立器件產(chǎn)品中，引線鍵合通常是采用5mil以上的粗鋁絲進行焊接。引線鍵合過程就是利用粗鋁絲或鋁帶將PAD和內(nèi)部管腳通過超聲波冷焊的方法連接起來，以實現(xiàn)芯片與外部電路的電氣性能。

拉力測試（pull test）是用于考核引線鍵合的強度。與金線/銅線的拉力測試方法一樣，粗鋁線的拉力測試同樣也是采用拉力設(shè)備將焊接的鋁線拉斷，讀取數(shù)值，并同步判斷鋁線的斷點位置。如圖4，a和c是斷在鋁線的頸部，b是斷在鋁線的中間，d是鋁線焊球脫離框架，e是鋁線焊球脫離芯片。一般來說，斷在a、b、c位置時正常的；如果斷在d處，就說明鋁線與leadframe間的鍵合存在虛焊，可能導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性失效；如果斷在e處，就說明在焊接時，芯片PAD處的鋁層已經(jīng)受到損傷（見圖5）。

圖4 粗鋁線拉力測試示意圖

圖5 拉力測試后，PAD鋁層損傷

因目前功率MOSFET芯片因結(jié)構(gòu)設(shè)計原因，使得表面的鋁層厚度很薄，一般約為2～4 μm，在粗鋁線焊接時，很容易造成芯片的內(nèi)部損傷，而這種內(nèi)部損傷很難直接判斷出來，這就需要進行彈坑試驗后，查看芯片的內(nèi)在損傷情況。

彈坑試驗是通過強堿溶液在高溫下與鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的原理，來將芯片表層的鋁進行腐蝕剝離，從而來查看芯片內(nèi)部的損傷情況。一般而言，彈坑試驗時采用NAOH/KOH與水按比例混合，在80℃的恒溫下快速進行鋁層腐蝕。如果彈坑試驗后，芯片表面出現(xiàn)柵格損傷或是明顯顏色深淺不一的焊球印記，則說明芯片內(nèi)部遭到破壞，芯片失效。見圖6。

圖6 芯片表面出現(xiàn)柵格損傷或是明顯顏色深淺不一的焊球印記

3 過程成品率控制及測試成品率控制

華汕電子執(zhí)行了一套非常嚴格的過程成品率控制標準，并且借助公司內(nèi)部先進的生產(chǎn)管理系統(tǒng)進行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)過程異常產(chǎn)生異常成品率不達標，電腦系統(tǒng)對該批產(chǎn)品自動扣留并報警，無法流通到下一道工作，每道工序都有一組專門負責(zé)異常分析的 MBR（Material review board）小組，小組成員由質(zhì)量、工程、制造等人員組成，分析流程按照OCAP(Out of control action plan）進行，重大問題時必須召開MRB小會議進行風(fēng)險評估，直到確認對產(chǎn)品質(zhì)量沒有影響時該批才能夠流通。

測試成品率控制則采用目前比較高級的MAVERICK LOT控制方法，測試異常批控制限實行 SYA（Statistical Yield Analysis）分析，初始化數(shù)據(jù)采集使用前30天的測試數(shù)據(jù)，通過電腦系統(tǒng)自動計算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必須每3個月更新一次，因此必須統(tǒng)計保存近期3個月各封裝產(chǎn)品的測試成品率達成情況，這種控制方法基本上與汽車產(chǎn)品PAT（Part Average Testing）控制要求是一致的。

4 ESD防靜電保障系統(tǒng)

在行業(yè)內(nèi)，通常把進行防靜電措施的行為稱之為“蝕金蟲”，這是由于為了防止靜電所投入的費用不能立竿見影的見到效果的緣故，在電子生產(chǎn)制造的環(huán)境中，如要建立一個基本完整的防靜電系統(tǒng)，則首先必須在硬件和軟件上進行完善，其次必須進行全員培訓(xùn)，最后是定期的檢驗，以確保有效性，在實際工作中忽略任何一個方面或者是一個環(huán)節(jié)，都有可能導(dǎo)致防靜電防護失敗或效果不顯著。華汕電子作為專業(yè)生產(chǎn)MOSFET和IGBT等高值大功率產(chǎn)品廠家，MOSFET產(chǎn)品在制造過程中極容易受到靜電破壞，ESD防靜電防護方面必須慣穿到各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，華汕電子的ESD防護體系建立是參照國際JESD625-A標準進行的，在硬件和軟件方面主要做好以下工作：

(1)編制防靜電系統(tǒng)體系文件，系統(tǒng)規(guī)定防靜電工作總體性大綱。

(2)按照標準建立EPA（防靜電工作區(qū)），完善工作區(qū)要求的硬件要求。

(3)成立防靜電工作小組，由工程部指定專人總負責(zé)，以下各EPA工作區(qū)指定至少2-3位組員，負責(zé)日常ESD設(shè)施檢測、計量、維護。

(4)建立定期審核制度，發(fā)現(xiàn)問題及時整改。

(5)充足的新工ESD培訓(xùn)，編寫《華汕電了新進員工防靜電培訓(xùn)》資料，每一位新員入廠后必須進行相應(yīng)的培訓(xùn)。

5 結(jié)束語

本文闡述了華汕電子封裝過程品質(zhì)控制體系，重點介紹了封裝過程關(guān)鍵工序品質(zhì)控制要求，結(jié)合過程異常及測試成品率管控措施，及時發(fā)現(xiàn)品質(zhì)異常及時處理，最后介紹華汕ESD靜電防護體系，保證產(chǎn)品制造過程都處于一個安全的環(huán)境中進行，通過以上措施都能夠充分保證華汕電子器件有限公司的產(chǎn)品品質(zhì)。