半導(dǎo)體封裝工藝的研究分析

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張?chǎng)?苑明星 楊小渝

（重慶市聲光電有限公司）

摘 要：

對(duì)半導(dǎo)體封裝工藝的研究，先探析半導(dǎo)體工藝概述，能對(duì)其工作原理有一定的了解與掌握；再考慮半導(dǎo)體封裝工藝流程，目的是在作業(yè)階段嚴(yán)謹(jǐn)管控，能采用精細(xì)化管理模式，在細(xì)節(jié)上規(guī)避常規(guī)問(wèn)題發(fā)生；再?gòu)男聲r(shí)代發(fā)展背景下提出半導(dǎo)體封裝工藝面臨的挑戰(zhàn)，建議把工作重心放在半導(dǎo)體封裝工藝質(zhì)量控制方面，要對(duì)其要點(diǎn)內(nèi)容全面掌握，才可有效提升半導(dǎo)體封裝工藝質(zhì)量。

引言

從半導(dǎo)體封裝工藝質(zhì)量控制方面分析，在實(shí)踐階段就有較大難度，主要考慮該工藝流程較多，各流程均有明確的內(nèi)容及要求，工藝流程間還有相互的影響性，在實(shí)踐作業(yè)階段需嚴(yán)謹(jǐn)控制，工作人員能本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度多角度探析，在科技手段的合理應(yīng)用下，提高半導(dǎo)體封裝工藝質(zhì)量與技術(shù)水平，關(guān)系到實(shí)踐應(yīng)用綜合成效，確保良好的綜合效益。

1 半導(dǎo)體工藝概述

半導(dǎo)體工藝主要是應(yīng)用微細(xì)加工技術(shù)、膜技術(shù)，把芯片及其他要素在各個(gè)區(qū)域中充分連接，如：基板、框架等區(qū)域中，有利于引出接線端子，通過(guò)可塑性絕緣介質(zhì)后灌封固定，使其形成一個(gè)整體，以立體結(jié)構(gòu)方式呈現(xiàn)，最終形成半導(dǎo)體封裝工藝。半導(dǎo)體工藝概念也屬于半導(dǎo)體芯片封裝的狹義定義。從廣義方面探究，是指封裝工程，要與基板連接固定，再配置相應(yīng)的電子設(shè)備，構(gòu)建成一個(gè)完整的系統(tǒng)，并有較強(qiáng)的綜合性能。

2 半導(dǎo)體封裝工藝流程

半導(dǎo)體封裝工藝流程所包括的工作內(nèi)容較多，如圖 1 所示，各流程中的具體要求不同，但作業(yè)流程間存在密切關(guān)系，還需在實(shí)踐階段詳細(xì)分析，具體內(nèi)容如下。

2.1 芯片切割

半導(dǎo)體封裝工藝中半導(dǎo)體封裝工藝芯片切割，主要是把硅片切成單個(gè)芯片，并第一時(shí)間處理硅片上的硅屑，避免對(duì)后續(xù)工作開(kāi)展及質(zhì)量控制造成阻礙。

2.2 貼片工藝

貼片工藝主要考慮到硅片在磨片過(guò)程避免其電路受損，選擇外貼一層保護(hù)膜的方式對(duì)其有效處理，始終都強(qiáng)調(diào)著電路完整性。

2.3 焊接鍵合工藝

控制焊接鍵合工藝質(zhì)量，會(huì)應(yīng)用到不同類型的金線，并把芯片上的引線孔與框架襯墊上的引腳充分連接，保證芯片能與外部電路相連，影響工藝整體性 [1] 。通常情況下，會(huì)應(yīng)用搭配摻雜金線、合金金線。

例如：摻雜金線包括 GS、GW、TS 三種型號(hào)，均處于半硬態(tài)的狀態(tài)。其中，GS 摻雜金線適合應(yīng)用在弧高大于 250 μm 的高弧鍵合范疇內(nèi)；GW 摻雜金線適合應(yīng)用在弧高 200~300 μm 的中高弧鍵合范疇內(nèi)；TS 摻雜金線適合應(yīng)用在弧高 100~200 μm 的中低弧鍵合范疇內(nèi)。而合金金線主要包括兩種型號(hào)，分別是 AG2、AG3，適合應(yīng)用在弧高 70~100 μm 的低弧鍵合范疇內(nèi)。較特殊的是摻雜金線、合金金線直徑可選擇性較多，如：0.013 mm、0.014 mm、0.015 mm、…、0.045 mm、0.050 mm、0.060 mm、0.070 mm。在工藝質(zhì)量控制階段需依據(jù)作業(yè)要求及標(biāo)準(zhǔn)，合理選擇金線類型及直徑，也能滿足工藝質(zhì)量管控要求。

2.4 塑封工藝

塑封元件的主要線路是模塑，塑封工藝的質(zhì)量控制，是為了對(duì)各元件進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，尤其是在外力因素影響下，部分元件損壞程度不同，需在工藝質(zhì)量控制階段就能對(duì)元件物理特性詳細(xì)分析。

當(dāng)前，在塑封工藝處理階段會(huì)主要應(yīng)用 3 種方式，分別是陶瓷封裝、塑料封裝、傳統(tǒng)封裝，考慮全球芯片生產(chǎn)要求，所有封裝類型的比例控制也是一項(xiàng)極其重要的工作，在整個(gè)操作的過(guò)程中對(duì)人員綜合能力提出較高要求，把已經(jīng)完工的芯片在環(huán)氧樹(shù)脂集合物的應(yīng)用條件下，與引線框架包封在一起，先對(duì)引線鍵合的芯片、引線框架預(yù)熱處理，然后放在封裝模上（壓模機(jī)），啟動(dòng)壓膜、關(guān)閉上下模，使樹(shù)脂處于半融化狀態(tài)被擠到模當(dāng)中，待其充分填充及硬化后可開(kāi)模取出成品。

在操作環(huán)節(jié)中需要注意的是突發(fā)性問(wèn)題，如：封裝方式、尺寸差異等，建議在模具選擇與使用階段均能嚴(yán)謹(jǐn)控制，不能單一化地考慮模具專用設(shè)備的價(jià)格，還需保證整個(gè)工藝質(zhì)量與作業(yè)成效，其中就把控自動(dòng)上料系統(tǒng)（如圖 2 所示），在實(shí)踐中做好質(zhì)量控制工作，才能實(shí)現(xiàn)預(yù)期作業(yè)目標(biāo)。

2.5 后固化工藝

待塑封工藝處理工作完成后，還需對(duì)其進(jìn)行后固化處理，重點(diǎn)考慮工藝周圍或管殼附近有多余材料，如：無(wú)關(guān)緊要的連接材料，還需在此環(huán)節(jié)中也需做好工藝質(zhì)量控制，尤其是把管殼周圍多余的材料必須去除，避免影響整體工藝質(zhì)量及外觀效果。

2.6 測(cè)試工藝

待上述工藝流程均順利地完成后，還需對(duì)該工藝的整體質(zhì)量做好測(cè)試工作，此環(huán)節(jié)中應(yīng)用到先進(jìn)的測(cè)試技術(shù)及配套設(shè)施，保證各項(xiàng)條件能滿足測(cè)試工作開(kāi)展要求。同時(shí)，還能在測(cè)試過(guò)程中對(duì)各信息數(shù)據(jù)詳細(xì)記錄，核心要點(diǎn)是芯片是否正常工作，主要是根據(jù)芯片性能等級(jí)進(jìn)行詳細(xì)分析。因測(cè)試設(shè)備采購(gòu)價(jià)格較高，會(huì)在此方面產(chǎn)生較大的投資成本，為避免產(chǎn)生不利的影響，依然是把工作要點(diǎn)放在工序段工藝質(zhì)控方面，主要包含外觀檢測(cè)、電氣性能測(cè)試兩部分。

例如：電氣性能測(cè)試，主要是對(duì)集成電路進(jìn)行測(cè)試，會(huì)選擇自動(dòng)測(cè)試設(shè)備開(kāi)展單芯片測(cè)試工作，還能在測(cè)試的過(guò)程中把各集成電路快速地插入到測(cè)試儀所對(duì)應(yīng)的電氣連接小孔中，各小孔均有針，并有一定的彈性，與芯片的管腳充分接觸，順利地完成了電學(xué)測(cè)試工作。而外觀檢測(cè)，是工作人員借助顯微鏡對(duì)各完成封裝芯片詳細(xì)觀察，保證其外觀無(wú)瑕疵，也能確保半導(dǎo)體封裝工藝質(zhì)量。

2.7 打標(biāo)工藝

打標(biāo)工藝是把已經(jīng)完成測(cè)試的芯片傳輸?shù)桨氤善穫}(cāng)庫(kù)中，完成最后的終加工，檢查工藝質(zhì)量，做好包裝及發(fā)貨工作。此工藝的流程包括三方面。

1）電鍍。待管腳成型后，要在其表面涂刷防腐材料，避免管腳出現(xiàn)氧化、腐蝕等現(xiàn)象。通常情況下，均會(huì)采用電鍍沉淀技術(shù)，是因?yàn)榇蟛糠值墓苣_在加工階段均會(huì)選擇錫材料，考慮此類材料自身的性質(zhì)與特點(diǎn)，也需做好防腐、防蝕工作。

2）打彎。簡(jiǎn)單是說(shuō)，是把上述環(huán)節(jié)中處理后的管腳進(jìn)行成型操作，待鑄模成型后，能把集成電路的條帶置于管腳去邊成型工具中，主要是對(duì)管腳加工處理，控制管腳形狀，一般為 J 型或 L 型，并在其表面貼片封裝，也關(guān)系工藝整體質(zhì)量。

3）激光打印。主要就是在已經(jīng)成型的產(chǎn)品印制圖案，是在前期設(shè)計(jì)階段就做好了圖案設(shè)計(jì)工作，也相當(dāng)于半導(dǎo)體封裝工藝的一種特殊標(biāo)志（如圖 3 所示）。

3 半導(dǎo)體封裝工藝面臨的挑戰(zhàn)

半導(dǎo)體封裝的現(xiàn)有工藝手段正在逐步得到改進(jìn)，半導(dǎo)體封裝中的自動(dòng)化設(shè)備與技術(shù)手段能否得到推廣普及運(yùn)用，直接決定了半導(dǎo)體封裝的預(yù)期效果實(shí)現(xiàn)程度。目前現(xiàn)有的半導(dǎo)體封裝處理工藝仍然存在滯后性的缺陷，企業(yè)技術(shù)人員對(duì)于半導(dǎo)體的自動(dòng)封裝處理設(shè)備系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行充分地利用。因此，缺少自動(dòng)控制技術(shù)支撐的半導(dǎo)體封裝處理流程將會(huì)產(chǎn)生較多的人力成本與時(shí)間成本消耗，而且不利于企業(yè)技術(shù)人員嚴(yán)格控制半導(dǎo)體封裝的質(zhì)量效果。

其中，在封裝工藝對(duì)低 k 產(chǎn)品可靠性的影響方面要詳細(xì)分析，通過(guò)該工藝在生產(chǎn)階段所產(chǎn)生的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)分析結(jié)果方面探究，金鋁焊線界面的完整性會(huì)受時(shí)間、溫度等因素影響，其可靠性會(huì)持續(xù)下降，其化倉(cāng)物相態(tài)也發(fā)生改變，容易使工藝出現(xiàn)分層情況 [2] 。對(duì)此，還需在工藝質(zhì)量控制階段引起重視，結(jié)合具體的工作內(nèi)容，為在細(xì)節(jié)上做好工藝質(zhì)量控制工作，建議在此問(wèn)題處理中，需組建專業(yè)化的工作隊(duì)伍，在每項(xiàng)工作實(shí)施階段就能嚴(yán)謹(jǐn)管理，分析引發(fā)常規(guī)問(wèn)題的具體因素，提出具體針對(duì)性、可靠性的實(shí)施方案，能及時(shí)處理，關(guān)系到工藝綜合質(zhì)量。尤其是在初始焊線狀況發(fā)分析方面探究，要點(diǎn)內(nèi)容包括焊線墊及其下方的材料、結(jié)構(gòu)，要求焊線墊表面必須保持清潔，所選擇及應(yīng)用的焊線材料、焊接工具、焊線參數(shù)等均要最大化地滿足工藝要求。建議對(duì) k 銅工藝技術(shù)與細(xì)間距焊線充分結(jié)合，能保證金鋁 IMC 對(duì)封裝可靠性的影響程度更顯著地突出。如果使用的是細(xì)間距焊線，一旦出現(xiàn)變形情況，其焊球尺寸會(huì)產(chǎn)生不同程度的影響，并對(duì) IMC 面積造成制約。對(duì)此，均需在實(shí)踐階段做好質(zhì)量控制工作，要求各隊(duì)伍及工作人員均根據(jù)自身的工作內(nèi)容與職責(zé)詳細(xì)探究，遵循工藝作業(yè)要求及流程規(guī)范性，才能解決更多問(wèn)題。

半導(dǎo)體封裝的全面實(shí)施過(guò)程具有專業(yè)化特征，企業(yè)操作技術(shù)人員必須要嚴(yán)格結(jié)合半導(dǎo)體封裝的操作實(shí)施步驟來(lái)進(jìn)行零部件的封裝處理。但是某些企業(yè)的操作實(shí)施人員沒(méi)有運(yùn)用規(guī)范化的技術(shù)方法來(lái)完成半導(dǎo)體的封裝處理過(guò)程，企業(yè)人員甚至忽視了核對(duì)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)部件規(guī)格與型號(hào)。半導(dǎo)體的某些零部件被錯(cuò)誤進(jìn)行了封裝處理，造成經(jīng)過(guò)封裝后的半導(dǎo)體無(wú)法發(fā)

揮基本的使用功能，影響到制造企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益提升。

從總體角度來(lái)講，半導(dǎo)體封裝的技術(shù)水平仍然需要實(shí)現(xiàn)有序地提高。半導(dǎo)體制造的企業(yè)技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)正確使用自動(dòng)化的封裝設(shè)備系統(tǒng)，確保實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體的各個(gè)零部件正確組裝目標(biāo)。企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)檢人員通過(guò)實(shí)施全面嚴(yán)格的審查工作，應(yīng)當(dāng)能夠準(zhǔn)確查找存在錯(cuò)誤封裝情況的半導(dǎo)體儀器設(shè)備，及時(shí)督促企業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行有效的整改。

此外，從焊線工藝質(zhì)量控制方面探究，受低 k 材料質(zhì)地因素影響焊線區(qū)金屬層與 ILD 層易出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，尤其是在焊線階段焊線墊及其下方金屬 /ILD層杯狀變形，主要原因是焊線機(jī)對(duì)焊線墊施加壓力、超聲波能量的影響，逐漸減弱超聲波能量，并傳輸?shù)胶妇€區(qū)，使金鋁兩種原子相互擴(kuò)散受阻 [3] 。尤其是在初始階段，低 k 芯片焊線評(píng)估顯示焊線程序參數(shù)較敏感，如果焊線參數(shù)設(shè)置較小，會(huì)引發(fā)斷焊、弱焊等情況。而選擇超聲波能量增大方式進(jìn)行彌補(bǔ)，損失超聲波能量的同時(shí)，還會(huì)引發(fā)杯狀變形情況，甚至變形情況會(huì)更嚴(yán)重。再加上 ILD 層與金屬層較弱的粘接力、低 k 材料脆性，均成為引發(fā)金屬層與 ILD 層剝離問(wèn)題的主要原因之一，也是當(dāng)前半導(dǎo)體封裝工藝質(zhì)量控制、工藝創(chuàng)新的主要原因之一。

4 半導(dǎo)體封裝工藝質(zhì)量控制要點(diǎn)

在目前的情況下，半導(dǎo)體封裝的工藝技術(shù)手段已經(jīng)獲得了明顯地優(yōu)化改進(jìn)。但是從總體角度來(lái)講，半導(dǎo)體封裝的工藝流程與工藝方法沒(méi)有達(dá)到最為完善程度。半導(dǎo)體的設(shè)備組成部件具有精密性的特征，對(duì)于半導(dǎo)體實(shí)施封裝操作的基本工藝流程步驟較為復(fù)雜。具體而言，確保半導(dǎo)體的封裝工藝達(dá)到良好質(zhì)量要求應(yīng)當(dāng)包含以下的質(zhì)量控制要點(diǎn)。

1）準(zhǔn)確核對(duì)半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)部件型號(hào)。半導(dǎo)體的產(chǎn)品組成結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜性，企業(yè)技術(shù)人員為了達(dá)到正確封裝半導(dǎo)體系統(tǒng)設(shè)備的目標(biāo)，那么關(guān)鍵前提就要體現(xiàn)在嚴(yán)格核對(duì)半導(dǎo)體的部件型號(hào)與規(guī)格。作為企業(yè)的零件采購(gòu)人員必須要負(fù)責(zé)全面審查半導(dǎo)體型號(hào)，避免采購(gòu)的半導(dǎo)體組成部件型號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤。企業(yè)技術(shù)人員在全面組裝與密封半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)件過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)確保再

次核查半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)件是否存在型號(hào)規(guī)格的錯(cuò)誤，從而達(dá)到準(zhǔn)確匹配半導(dǎo)體各種型號(hào)結(jié)構(gòu)件的目的。

2）全面引進(jìn)自動(dòng)化的封裝工藝設(shè)備系統(tǒng)。自動(dòng)化的產(chǎn)品封裝生產(chǎn)線目前已經(jīng)在半導(dǎo)體企業(yè)中廣泛投入使用，半導(dǎo)體的制造生產(chǎn)企業(yè)在全面引進(jìn)自動(dòng)封裝生產(chǎn)線的前提下，編制完善的作業(yè)流程及管理方案，在生產(chǎn)階段就能做好質(zhì)量處理工作，對(duì)于企業(yè)人工勞動(dòng)的成本進(jìn)行了合理控制。半導(dǎo)體的生產(chǎn)制造企業(yè)人員目前對(duì)于自動(dòng)化的封裝工藝生產(chǎn)線應(yīng)當(dāng)能夠予以

實(shí)時(shí)性的控制監(jiān)管，能對(duì)各工藝進(jìn)展情況詳細(xì)掌握，進(jìn)一步完善具體的信息數(shù)據(jù)，均是重要的參考依據(jù)，切實(shí)避免半導(dǎo)體的自動(dòng)封裝操作過(guò)程存在錯(cuò)誤。

3）確保半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)件的外包裝完整性。半導(dǎo)體的產(chǎn)品外包裝如果出現(xiàn)了損壞情況，那么半導(dǎo)體的正常使用功能就無(wú)法得到充分的發(fā)揮 [4] 。因此，企業(yè)技術(shù)人員對(duì)于半導(dǎo)體的外包裝完整程度應(yīng)當(dāng)進(jìn)行全面檢測(cè)，避免半導(dǎo)體的外包裝出現(xiàn)破損或者嚴(yán)重腐蝕等情況，不僅要在工藝流程中做好質(zhì)量控制工作，還需借助先進(jìn)技術(shù)對(duì)常規(guī)問(wèn)題細(xì)致處理，能在根源上處理好基本問(wèn)題。同時(shí)，企業(yè)技術(shù)人員通過(guò)實(shí)施專業(yè)化檢測(cè)的方法，應(yīng)當(dāng)能夠有效保證半導(dǎo)體的密封程度良好，延長(zhǎng)了半導(dǎo)體的儀器設(shè)備使用期限，擴(kuò)大其應(yīng)用范疇，能對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展帶來(lái)巨大影響。

4）加大現(xiàn)代化技術(shù)的引進(jìn)與應(yīng)用力度。主要是從半導(dǎo)體封裝工藝質(zhì)量及技術(shù)水平提升方面探究，此項(xiàng)工藝實(shí)踐工作開(kāi)展，所包括的作業(yè)流程較多，實(shí)施階段所面臨的影響因素也比較多，不僅會(huì)增大工藝質(zhì)量控制難度，還會(huì)因某個(gè)環(huán)節(jié)的工藝質(zhì)量處理不佳而影響后續(xù)作業(yè)成效及進(jìn)度。對(duì)此，在半導(dǎo)體封裝工藝質(zhì)量控制階段，還需加大現(xiàn)代化技術(shù)的引進(jìn)與應(yīng)用力度，要求生產(chǎn)部門能對(duì)此引起重視，儲(chǔ)備大量資金費(fèi)用，能在新技術(shù)手段應(yīng)用過(guò)程中，就能做好工作內(nèi)容與職責(zé)劃分工作，保證每項(xiàng)工作環(huán)節(jié)中均具備專業(yè)化的技術(shù)人員，通過(guò)細(xì)節(jié)上的規(guī)范處理，避免常規(guī)問(wèn)題持續(xù)發(fā)生，實(shí)施成效依然有良好的基礎(chǔ)保障，也能擴(kuò)大新技術(shù)手段的應(yīng)用及影響范疇，顯著提升半導(dǎo)體封裝工藝技術(shù)水平。

5 結(jié)語(yǔ)

半導(dǎo)體封裝工藝需從廣義、狹義角度分別探究，只有對(duì)其內(nèi)涵充分理解與掌握，才能對(duì)該工藝的作業(yè)流程全面掌握，并在具體的工作環(huán)節(jié)中處理常規(guī)問(wèn)題，始終都控制著整體質(zhì)量。在此基礎(chǔ)上，也能加強(qiáng)芯片切割工藝、貼片工藝、焊接鍵合工藝、塑封工藝、后固化工藝、測(cè)試工藝、打標(biāo)工藝的控制力度，面對(duì)新的挑戰(zhàn)能有具體的解決方案及措施，借助現(xiàn)代化技術(shù)手段，有效提升工藝質(zhì)量與技術(shù)水平，也能影響著相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展成效。

審核編輯 黃宇