提高集成電路質量等級的封裝過程控制方法

關亞男，趙鶴然，馬仲麗

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽110000）

1 引 言

進入21 世紀，隨著人類向太空領域的不斷探索，載人航天、深空探測等重大航天活動的蓬勃開展牽引著宇航高科技技術跨越式的進步。我國僅“十三五”期間就計劃在實施的載人航天、控月工程、深空探測、北斗導航、通信遙感等領域內研制、發(fā)射數(shù)百顆各類航天器。相比于地面應用，空間環(huán)境更加復雜和惡劣[1-3]。宇航器件具有不可維修性，器件本身的可靠性成為影響航天器使用壽命的關鍵因素[4-5]。在此背景下，對集成電路的可靠性要求越來越高，為保證集成電路的質量可靠性，篩選和一致性質量檢驗必不可少，但這些只是檢驗監(jiān)測手段，可靠性設計和封裝過程控制才是制備高可靠性集成電路的關鍵[6-8]。在此，以某款典型的集成電路產(chǎn)品為研究對象，針對在封裝過程中出現(xiàn)的問題，找到解決方法，在過程中探索如何對其進行質量控制，進而實現(xiàn)產(chǎn)品的高可靠性。

2 半導體集成電路質量等級

根據(jù)GJB597B-2012，質量保證等級分為S 級、BG 級和B 級。S 級是最高質量等級，供宇航用；BG級介于S 級和B 級間；B 級為標準軍用質量保證等級。各質量等級的篩選要求如表1 所示。

表1 篩選要求

從表中可以看出，電路質量等級從B 級提升到更高的質量等級需要滿足的篩選要求有：100%的非破壞性鍵合拉力、粒子碰撞噪聲檢測、反偏老煉及X射線照相。直接和封裝相關的篩選要求有：100%的非破壞性鍵合拉力、內部目檢（密封前）、粒子碰撞噪聲檢測、密封（細檢和粗檢）以及X 射線照相。

3 封裝過程質量控制

集成電路的封裝過程并不復雜，生產(chǎn)環(huán)境控制、工藝過程的操作控制和工序質量檢驗都是封裝過程中質量控制必不可少的環(huán)節(jié)。在保證生產(chǎn)環(huán)境控制要求的基礎上，以下結合表1 中和封裝相關的篩選要求，有針對性地逐工序介紹封裝過程中的工藝過程控制和質量控制方法。

3.1 封裝工藝的選擇

集成電路封裝流程如下：

劃片→粘片→鍵合→密封

其中，可供選用的粘片工藝包括金硅合金粘片、真空燒結粘片以及導熱膠粘片等；鍵合工藝包括金絲鍵合、鋁硅絲鍵合、粗鋁絲鍵合等；密封工藝包括低溫燒結封蓋、平行縫焊封蓋、儲能焊封蓋等。這些封裝工藝都可以很好滿足普通質量等級的要求。

封裝過程中涉及的原材料包括管殼（蓋板）、粘片用的粘接材料、鍵合用金屬絲等。在封裝工藝中應盡可能選用非禁用限用的材料，以保證產(chǎn)品可靠性。

此處采用某款實際科研中用到的集成電路為例（后文中提到的對電路的要求，均是以該款電路為例）。封裝工藝優(yōu)先選擇金屬焊接材料（鉛銦銀合金焊片）的真空燒結工藝、鋁硅絲鍵合、低溫燒結封蓋。

選擇金屬焊接材料是因為該種金屬焊片焊接后無揮發(fā)性殘留物質，可以很好地控制封裝腔體內的氣氛；選擇真空燒結工藝，可避免工藝過程中產(chǎn)生可移動的多余粒子，提高粒子碰撞噪聲檢測合格率；選擇鋁硅絲鍵合工藝，可以有效避免金鋁效應，提高鍵合的可靠性；鍵合后施加100%非破壞性鍵合拉力，可以有效剔除鍵合質量不合格的半成品。

該款集成電路選用的是陶瓷管殼、金屬蓋板（帶焊料環(huán)），更適合用低溫燒結封蓋以保證集成電路的氣密性封裝，故此選擇低溫燒結封蓋。在封裝開始前對管殼蓋板進行高溫處理，以保證封裝腔體內的氣氛不受到水汽、氫氣等其他氣氛的影響。在封裝過程中逐工序對封裝腔體內的氣氛進行控制，以滿足更高質量等級的集成電路對封裝腔體內氣氛的要求。

在每道封裝工序后都有嚴格的檢驗要求，檢驗標準按照GJB548 中相關條款要求執(zhí)行。

3.2 各封裝工序的質量控制

3.2.1 劃片

如果封裝的芯粒是以從晶圓中獲得，劃片將是必不可少的封裝工序。目前的劃片方式有多種，新的劃片設備也層出不窮，但仍以砂輪刀為主要劃片工具。劃片時的刀具旋轉速度、運行速度，刀具的冷卻速度、晶圓的清洗速度都將影響劃片的質量，最終對芯粒的質量產(chǎn)生影響。

3.2.2 粘片

待提高電路質量等級的電路對粘片主要有以下幾點要求：一是芯片的粘接強度；二是同批次產(chǎn)品的芯片粘接強度的離散性，即抽樣粘接強度檢測的最大值與最小值之間的倍數(shù)關系不能超過一定的數(shù)值（例如小于等于3）；三是芯片粘接面積達到一定的比例要求（例如不小于75%），粘接的單個空洞面積不能超過10%。除此之外還要對封裝腔體內的氣氛進行控制，因此粘片工藝應盡可能選擇溫度較高的金屬粘接材料，并且芯片本身要求背面蒸金，以實現(xiàn)良好的粘接。為了增加有效粘接面積，應在工藝過程中選擇重量、尺寸合適的壓塊放在芯片上來增加芯片的重量。在真空的作用下，此舉可以更好地排出芯片與金屬焊片間、金屬焊片與管殼間的氣體，最終達到粘接要求和對氣氛的控制要求。

粘片后的檢驗主要是針對芯片的粘接情況、管殼腔體內的多余粒子情況以及芯片在粘接操作過程中的受損情況。芯片質量檢查要在高放大倍數(shù)下進行；芯片的粘接情況和管殼內的多余粒子情況可以低放大倍數(shù)下進行。

圖1 所示為芯片的粘接情況。其中，有焊料溢出的粘接為理想粘接情況，沒有焊料溢出的粘接為不理想粘接情況。當沒有焊料溢出的粘接連續(xù)到一定程度的時候，判定為粘接不合格。在顯微鏡下不易全面觀察到芯片的粘接情況，因此檢驗時需要將管殼傾斜一定的角度檢查芯片邊緣的粘接情況。如果發(fā)現(xiàn)焊料未溢出的點比較多，則可采用X 射線照相的手段檢查整個芯片的粘接情況，以判斷是否需要進行工藝調整；若封裝腔體內有多余粒子，需要用一定氣壓的氣流吹走或用干凈的軟毛刷清理。

圖1 芯片粘接情況

圖2 所示為粘接后發(fā)現(xiàn)了芯片裂紋。圖2(a)為芯片表面的裂紋，此種情況在顯微鏡下觀察很容易發(fā)現(xiàn)；圖2(b)為芯片側壁上的裂紋，一般的檢驗操作都是垂直方向檢查，因此很難在檢查時發(fā)現(xiàn)此種異常，而是要在檢查芯片粘接情況時發(fā)現(xiàn)，這就需要檢驗操作人員有一定程度的檢驗經(jīng)驗及檢驗操作技巧，利用光的反射發(fā)現(xiàn)異常，從而進行進一步的檢察，以及時準確地找出問題所在。

圖2 芯片裂紋

3.2.3 鍵合

在相同的鍵合條件下，建議在鍵合前將半成品電路在100~120 ℃下預烘10~20 分鐘，以此來提高鍵合質量，也對控制封裝腔體內的氣氛有利。一般情況下還要對完成鍵合的半成品抽樣100%進行非破壞性鍵合試驗，以保證鍵合強度滿足要求。鍵合完成后，要對鍵合整體質量進行檢驗，包括鍵、引線等。

3.2.4 密封

電路不僅對氣密性封裝有要求，對密封區(qū)的封接面積也有一定的要求。用X 射線對封接面積進行檢查，可以觀察密封效果是否滿足要求。在密封前，將半成品在真空-高純氮狀態(tài)下循環(huán)5～7 次，同時溫度控制在120±5 ℃，以控制封裝腔體內的氣氛。密封時，組裝后的蓋板和管殼用夾具固定，放入高純氮的環(huán)境下加熱。固定夾具要有一定的壓力，并且這個壓力應盡量均勻地分布在蓋板上，以達到良好的封接效果。密封完成后，還要再對密封質量進行檢查。

4 驗證結果

分三批次封裝300 只樣品進行統(tǒng)一篩選，每批封裝100 只。在封裝過程中，粘片工序的首件剪切強度均大于200 N；鍵合工序的首件鍵合拉力均大于7.0 g；100%非破壞性鍵合拉力全部合格；封蓋前內部目檢全部合格。

封蓋后再進行篩選，篩選統(tǒng)計結果見表2。從表中統(tǒng)計結果可以看出：此處采用的控制方法能夠滿足高等級質量要求。

表2 篩選統(tǒng)計結果

5 結束語

在集成電路的封裝過程中，環(huán)境控制必不可少，對檢驗的要求要更加嚴格，對操作過程的控制更是重中之重。嚴格的生產(chǎn)過程控制，并輔以嚴格的檢驗，在有效的篩選手段的支持下，才可有效提高產(chǎn)品質量的一致性，滿足集成電路更高質量等級的要求。