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芯片制造是當(dāng)今世界最為復(fù)雜的工藝過程。這是一個由眾多頂尖企業(yè)共同完成的一個復(fù)雜過程。本文努力將這一工藝過程做一個匯總,對這個復(fù)雜的過程有一個全面而概括的描述。
半導(dǎo)體制造工藝過程非常多,據(jù)說有幾百甚至幾千個步驟。這不是夸張的說法,一個百億投資的工廠做的可能也只是其中的一小部分工藝過程。對于這么復(fù)雜的工藝,本文將分成五個大類進行解說:晶圓制造、光刻蝕刻、離子注入、薄膜沉積、封裝測試。
晶圓制造(Wafer Manufacturing)又可分為以下5 個主要過程:
(1)拉晶Crystal Pulling
?
摻雜多晶硅在1400度熔煉?注入高純氬氣的惰性氣體
?將單晶硅“種子”放入熔體中,并在“拔出”時緩慢旋轉(zhuǎn)。
?
單晶錠直徑由溫度和提取速度決定(2)晶圓切片 (Wafer slicing)
用精密的“鋸(Saw)”將硅錠切成獨立的晶圓。
(3)晶圓研磨、侵蝕(Wafer lapping,etching)
? 切片的晶圓片使用旋轉(zhuǎn)研磨機和氧化鋁漿料進行機械研磨,使晶圓片表面平整、平行,減少機械缺陷。
?然后在氮化酸/乙酸溶液中蝕刻晶圓,以去除微觀裂紋或表面損傷,然后進行一系列高純度RO/DI水浴。
(4) 硅片拋光、清洗 (Wafer polishing and Cleaning)
?接下來,晶圓在一系列化學(xué)和機械拋光過程中拋光,稱為CMP(Chemical Mechanical Polish)。
?拋光過程通常包括兩到三個拋光步驟,使用越來越細(xì)的漿液和使用RO/DI水的中間清洗。
?使用SC1溶液(氨,過氧化氫和RO/DI水)進行最終清洗,以去除有機雜質(zhì)和顆粒。然后,用HF除去天然氧化物和金屬雜質(zhì),最后SC2溶液使超干凈的新的天然氧化物在表面生長。
(5)晶片外延加工 (Wafer epitaxial processing)
?外延工藝(EPI)被用來在高溫下從蒸汽生長一層單晶硅到單晶硅襯底上。
?氣相生長單晶硅層的工藝被稱為氣相外延(VPE)。
SiCl4 + 2H2Si + 4HCl
該反應(yīng)是可逆的,即如果加入HCl,硅就會從晶圓片表面蝕刻出來。
另一個生成Si的反應(yīng)是不可逆的:
SiH4→Si + 2H2(硅烷)
? EPI生長的目的是在襯底上形成具有不同(通常較低)濃度的電活性摻雜劑的層。例如,p型晶圓片上的N型層。
?約為晶圓片厚度的3%。
?對后續(xù)晶體管結(jié)構(gòu)無污染。
半導(dǎo)體制造工藝 - 光刻 (Photolithography)
近年大量提及的光刻機,只是眾多工藝設(shè)備中的一個。即使是光刻,也有很多的工藝過程和設(shè)備。
(1)光刻膠涂層Photoresist coating
光刻膠是一種光敏材料。將少量光刻膠液體加在晶圓片上。晶圓片在1000到5000 RPM的速度下旋轉(zhuǎn),將光刻膠擴散成2到200um厚的均勻涂層。
光刻膠有兩種類型:負(fù)膠和正膠。
正膠:暴露于光下可以分解復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu),使其易于溶解。
負(fù)膠:曝光使分子結(jié)構(gòu)變得更復(fù)雜,更難以溶解。
每個光刻步驟所涉及的步驟如下
?清潔晶圓片
?沉積屏障層SiO2,Si3N4,金屬
?涂上光刻膠
?軟烤
?對齊蒙版
?圖形曝光
?顯影
?烘焙
?蝕刻
?去除光刻膠
(2)圖案準(zhǔn)備Pattern Preparation
IC設(shè)計人員使用CAD軟件設(shè)計每層的圖案。然后使用激光圖案發(fā)生器或電子束將圖案轉(zhuǎn)移到具有圖案的光學(xué)透明石英襯底(模板)上。
(3)圖案轉(zhuǎn)移(曝光)
這里使用光刻機,將圖案從模板上,投影復(fù)制到芯片層板上。
(4)顯影、烘烤
?曝光后,晶圓片在酸溶液或堿溶液中顯影,以去除光刻膠的暴露區(qū)域。
?一旦除去暴露的光刻膠,晶圓片將在低溫下“烘烤”以硬化剩余的光刻膠。
半導(dǎo)體制造工藝 - 蝕刻和離子注入 (Etching and Ion Implantation)
(1)濕式和干式蝕刻
?在大型濕平臺上進行化學(xué)蝕刻。
?不同類型的酸,堿和苛性堿溶液用于去除不同材料的選定區(qū)域。
? BOE,或緩沖氧化物蝕刻劑,由氟化銨緩沖的氫氟酸制備,用于去除二氧化硅,而不會蝕刻掉底層的硅或多晶硅層。
?磷酸用于蝕刻氮化硅層。
?硝酸用來蝕刻金屬。
?用硫酸去除光刻膠。
?對于干式蝕刻,晶圓片被放置在蝕刻室中,通過等離子體進行蝕刻。
?人員安全是首要問題。
?許多晶圓廠使用自動化設(shè)備執(zhí)行蝕刻過程。
(2)抗蝕劑剝離
然后光刻膠完全從晶圓上剝離,在晶圓上留下氧化物圖案。
(3)離子注入
?離子注入改變晶圓片上現(xiàn)有層內(nèi)精確區(qū)域的電特性。
?離子注入器使用高電流加速器管和轉(zhuǎn)向聚焦磁鐵,用特定摻雜劑的離子轟擊晶圓表面。
?當(dāng)摻雜化學(xué)物質(zhì)沉積在表面并擴散到表面時,氧化物充當(dāng)屏障。
?將硅表面加熱到900℃來進行退火,注入的摻雜離子進一步擴散到硅片中。
半導(dǎo)體制造工藝 - 薄膜沉積 (Thin Film Deposition)
薄膜沉積的方式和內(nèi)容也比較多,下面逐個說明:
(1)氧化硅
當(dāng)硅在氧氣中存在時,SiO2會熱生長。氧氣來自氧氣或水蒸氣。環(huán)境溫度要求為900 ~ 1200℃。發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)是
Si + O2→SiO2
Si +2H2O —> SiO2 + 2H2
選擇性氧化后的硅片表面如下圖所示:
氧氣和水都會通過現(xiàn)有的SiO2擴散,并與Si結(jié)合形成額外的SiO2。水(蒸汽)比氧氣更容易擴散,因此蒸汽的生長速度要快得多。
氧化物用于提供絕緣和鈍化層,形成晶體管柵極。干氧用于形成柵極和薄氧化層。蒸汽被用來形成厚厚的氧化層。絕緣氧化層通常在1500nm左右,柵極層通常在200nm到500nm間。
(2)化學(xué)氣相沉積Chemical Vapor Deposition
化學(xué)氣相沉積(CVD)通過熱分解和/或氣體化合物的反應(yīng)在襯底表面形成薄膜。
CVD反應(yīng)器有三種基本類型:
?大氣化學(xué)氣相沉積
?低壓CVD (LPCVD)
?等離子增強CVD (PECVD)
低壓CVD工藝示意圖如下圖所示。
CVD的主要有下面幾種反應(yīng)過程
i). 多晶硅 Polysilicon
SiH4 —> Si + 2H2(600℃)
沉積速度 100 - 200 nm/min
可添加磷(磷化氫)、硼(二硼烷)或砷氣體。多晶硅也可以在沉積后用擴散氣體摻雜。
ii). 二氧化硅Dioxide
SiH4 + O2→SiO2 + 2H2 (300 - 500℃)
SiO2用作絕緣體或鈍化層。通常添加磷是為了獲得更好的電子流動性能。
iii). 氮化硅 Siicon Nitride
3SiH4 + 4NH3 —> Si3N4 + 12H2
(硅烷) (氨) (氮化物)
(3)濺射
目標(biāo)被高能離子如Ar+轟擊,目標(biāo)中的原子將被移動并輸送到基材上。
金屬如鋁、鈦可以用作靶材。
(4)蒸鍍
Al或Au(金)被加熱到蒸發(fā)點,蒸汽將凝結(jié)并形成覆蓋晶圓片表面的薄膜。
下面用一個案例,來詳細(xì)說明一下光刻、蝕刻,到離子沉積的過程中,硅片上的電路是如何一步步成型的:
半導(dǎo)體制造工藝 - 封裝測試 (Post-processing)
(1)晶圓測試Probe Test
在最終線路制備完成后,使用自動化探針測試方法測試晶圓上測試器件,剔除不良品。
(2) 晶圓切割Wafer Dicing
探針測試后,晶圓片被切成單個的芯片。
(3) 接線、封裝
?單個芯片連接到引線框架,鋁或金引線通過熱壓縮或超聲波焊接連接。
?通過將設(shè)備密封到陶瓷或塑料包裝中來完成包裝。
?多數(shù)芯片還需要經(jīng)過最后的功能測試,才會送到下游用戶手上。
微電子封裝切割熔錫失效分析及對策
方欣
華潤安盛科技有限公司
摘要:
熔錫是微電子封裝QFN(Quad Flat No-leads Package,方形扁平無引腳封裝)產(chǎn)品在切割生產(chǎn)過程中的核心質(zhì)量不良,是導(dǎo)致產(chǎn)品可焊性失效的關(guān)鍵風(fēng)險點。本文針對QFN封裝產(chǎn)品的切割生產(chǎn)過程進行熔錫失效的原因分析和對策探討。
0引言
QFN封裝切割的工藝特點是通過高速旋轉(zhuǎn)的切割刀片將整條料片切割分離成單顆的產(chǎn)品。在切割生產(chǎn)過程中,刀片和產(chǎn)品本身容易受到切削高溫的影響,使產(chǎn)品引腳表面的錫層發(fā)生異常熔化,這一現(xiàn)象通常稱為切割熔錫。由于熔錫不良會導(dǎo)致產(chǎn)品可焊性失效,這在微電子封裝生產(chǎn)過程中屬于嚴(yán)重的質(zhì)量不良。因此,解決QFN產(chǎn)品的切割熔錫問題顯得非常重要,本文著重分析微電子QFN封裝產(chǎn)品在切割過程中的熔錫成因和探討其控制方法。
1切割熔錫的成因
1.1 QFN切割工藝簡述
通常,QFN產(chǎn)品在封裝后道的工藝流程如下:
塑封→電鍍→后烘→打印→切割
其中,QFN封裝產(chǎn)品切割工藝如圖1所示,整條料片通過刀片旋轉(zhuǎn)切割分離成單顆的產(chǎn)品。切割移動過程中,刀片表面和產(chǎn)品表面錫層同時采用冷卻水進行噴射降溫處理,以降低刀片和產(chǎn)品所產(chǎn)生的切削高溫,避免產(chǎn)品造成切割熔錫等質(zhì)量不良。
1.2切割熔錫失效的成因及特征
(1)當(dāng)傳遞到產(chǎn)品切割面的切削溫度高于純錫的熔點溫度232℃時,QFN封裝產(chǎn)品切割面的引腳則有熔錫的風(fēng)險;
(2)當(dāng)傳遞到產(chǎn)品切割面的切削溫度低于純錫的熔點溫度232℃時,QFN封裝產(chǎn)品切割面的引腳則沒有熔錫的風(fēng)險。
根據(jù)成因分析可知,切割熔錫失效主要是由于切割刀片傳遞到產(chǎn)品引腳表面錫層的溫度超過了純錫的熔點。根據(jù)熔錫位置不同,QFN封裝產(chǎn)品切割熔錫失效有兩種特征:
如圖2,產(chǎn)品引腳錫層產(chǎn)生局部的熔錫失效:
如圖3,產(chǎn)品引腳錫層產(chǎn)生整體的熔錫失效:
1.3熔錫失效的不良后果
在QFN封裝產(chǎn)品從整條料片切割成單顆產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中,當(dāng)切削所釋放出來的溫度高于產(chǎn)品錫層熔點時,產(chǎn)品引腳表面的錫層會產(chǎn)生熔化。這樣會造成引腳錫層脫落、銅層裸露氧化的現(xiàn)象,使產(chǎn)品在PCB板、電路板等焊接應(yīng)用的過程中,產(chǎn)生引腳虛焊、脫焊、短路等可焊性失效的質(zhì)量異常。
綜上所述,切割熔錫失效將直接造成產(chǎn)品可焊性失效的問題,這在電子元器件生產(chǎn)應(yīng)用中是重要的質(zhì)量隱患。因此,控制切割熔錫是微電子QFN封裝生產(chǎn)的一個關(guān)鍵點,我們從切割工藝設(shè)計和設(shè)備應(yīng)用的角度來實驗分析,針對影響切割熔錫的風(fēng)險因素進行相應(yīng)的對策探討。
2切割熔錫的風(fēng)險點分析
如表1所示,通過人、機、料、法、環(huán)五個維度來分析整體料片切割成單顆產(chǎn)品的過程,識別出QFN封裝切割過程中的熔錫風(fēng)險點。
從分析可知,切割熔錫的過程風(fēng)險因素中,人員方面、設(shè)備本身、生產(chǎn)工藝方法、生產(chǎn)環(huán)境所造成產(chǎn)品切割熔錫的風(fēng)險低,基本不會產(chǎn)生切割熔錫的問題。料片、切割刀片產(chǎn)生切割熔錫的風(fēng)險中等,在其選型方面,應(yīng)遵循料片和刀片材料在常規(guī)的切割工藝條件下,本身不會造成切割熔錫這一原則。而設(shè)備噴嘴、供給冷卻水直接作用于料片和刀片的表面,是切割熔錫的高風(fēng)險因素,也是解決和控制切削高溫造成切割熔錫的關(guān)鍵點。我們著重對噴嘴和冷卻水這兩個因素進行分析和探討。
3冷卻水的影響
3.1冷卻水的溫度過高
冷卻水溫度是影響切割熔錫失效的關(guān)鍵因素,在產(chǎn)品切割過程中,控制切割冷卻水的溫度至關(guān)重要。如圖4所示,為冷卻水溫度對產(chǎn)品熔錫的影響趨勢分析。由批量生產(chǎn)驗證數(shù)據(jù)得知,隨著冷卻水溫度的升高,產(chǎn)品熔錫的風(fēng)險比例越高,熔錫數(shù)量也逐步增加;而水溫越低,產(chǎn)品熔錫的風(fēng)險越小,熔錫的比例越少。結(jié)合廠務(wù)動力成本和產(chǎn)品品質(zhì)來綜合考慮,切割冷卻水的輸出溫度控制在10±2℃,能夠有效降低切割熔錫的風(fēng)險,且較為經(jīng)濟合理。
3.2冷卻水的流量過小
3.2.1冷卻水流量的區(qū)間控制
如表2所示,在水溫條件穩(wěn)定的情況下,采用大小不同的水流量進行產(chǎn)品切割實驗分析。從數(shù)據(jù)分析可以看出,異常的水流量大小,會產(chǎn)生刀片崩刀、切割偏移、切割熔錫等質(zhì)量不良。當(dāng)切割冷卻水流量過小時,切割刀片所產(chǎn)生的高溫不能及時降低而傳遞到產(chǎn)品引腳的錫層面,導(dǎo)致切割熔錫的問題。理論上,切割冷卻水流量越大其冷卻效果越好,在實際應(yīng)用過程中,應(yīng)綜合考慮如水流量過大容易造成刀片崩刀、產(chǎn)品位移切偏等不良因素。從實驗結(jié)果可知,切割冷卻水流量控制在1.0-2.0L/Min這一區(qū)間相對穩(wěn)定可靠。
3.2.2冷卻水流量的穩(wěn)定性控制
如上述分析可知,噴嘴出水流量的大小會影響到切割熔錫失效的比例,因此冷卻水流量輸出的穩(wěn)定性也是非常關(guān)鍵的一個控制點。在實際應(yīng)用過程中,水流量穩(wěn)定性控制可從動力供給和設(shè)備裝置兩方面來考慮。動力供給方面,可優(yōu)先選用潔凈度等級高于普通自來水的純水,并在設(shè)備冷卻水的進水口安裝過濾器裝置來提高冷卻水水質(zhì)的穩(wěn)定性。而設(shè)備裝置方面,可采用電子流量計控制的設(shè)計方式來輸出冷卻噴射水的水流量,通過設(shè)定輸出目標(biāo)值,自動監(jiān)測和自動識別補償實際出水供給的水流量大小。相比較傳統(tǒng)的機械流量計而言,電子流量計能夠自動調(diào)節(jié)控制,自動修復(fù)水流波動、管路堵塞等供給不穩(wěn)定的因素,可提前預(yù)防水流量異常的問題,提升冷卻系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
4噴嘴的影響
噴嘴是切割冷卻水的傳輸裝置,它將切割冷卻水均勻地噴射到刀片和產(chǎn)品的表面,使刀片和產(chǎn)品在切割過程中的有限空間實現(xiàn)快速降溫。針對噴嘴的設(shè)計應(yīng)用,應(yīng)從噴嘴冷卻的均勻性、噴射的覆蓋面積、排屑的有效性這三個方面來考慮,以避免產(chǎn)品切割熔錫的風(fēng)險。
4.1噴嘴的功能結(jié)構(gòu)設(shè)計
實際應(yīng)用中,刀片兩側(cè)的刃口通常需要實現(xiàn)瞬間降溫,以滿足各種QFN產(chǎn)品尺寸、材料類別的加工需求。特別是在切割有特殊工藝要求、熔錫敏感的產(chǎn)品時,提升刀片和產(chǎn)品的冷卻效果尤為重要。
如圖5所示,在A點部位設(shè)計90°垂直于刀片表面的噴嘴裝置,可提升噴嘴傳輸冷卻水的有效性,使冷卻水有效地作用于刀片,起到良好的刀片冷卻效果。同時,還可在B點部位設(shè)計帶有60°扇形角度的產(chǎn)品噴嘴裝置,這樣能夠?qū)Ξa(chǎn)品的引腳表面及切割槽深度同步進行噴射冷卻。這樣的設(shè)計方式提高了產(chǎn)品切割的排屑能力,且大幅度提升了設(shè)備冷卻系統(tǒng)的兼容能力,降低了切割熔錫的風(fēng)險。
如表3所示,從噴嘴功能設(shè)計實驗分析的結(jié)果可以看出:實驗4,在A部位的刀片區(qū)域、B部位的產(chǎn)品切割區(qū)域采用雙路冷卻水噴嘴裝置的設(shè)計,其降溫冷卻效果明顯,質(zhì)量控制最為穩(wěn)定,產(chǎn)品沒有切割熔錫不良的問題。而實驗1、2、3,不采用冷卻噴嘴裝置或采用單一的噴嘴功能設(shè)計,產(chǎn)品的冷卻效果均存在一定的局限性,在切割特定產(chǎn)品或特殊工藝條件下,均有切割熔錫的質(zhì)量不良。
從實驗結(jié)果得知,設(shè)備噴嘴采用雙路冷卻的功能設(shè)計,能夠提升切割不同產(chǎn)品的兼容能力,提升切割效率,減少切割熔錫失效的風(fēng)險。
4.2噴嘴口的形狀設(shè)計
噴嘴的噴射口采用不同的形狀設(shè)計,其作用效果有很大差別。如表4所示,切割冷卻噴嘴的噴射口采用3種不同的形狀設(shè)計,其冷卻效果和熔錫風(fēng)險明顯不同。具體如下:
1、采用聯(lián)排孔形狀的設(shè)計方式,噴射出水為圓柱形狀。該形狀設(shè)計的噴水集中作用于刀片局部的固定區(qū)域,刀片局部面積受到水壓的沖擊力較大。在實際應(yīng)用中,其崩刀風(fēng)險高,且噴射覆蓋的面積小,整體的冷卻效果差,熔錫的風(fēng)險高。
2、采用“一”字形狀的設(shè)計,噴射出水為直線形狀。整體的冷卻效果比聯(lián)排孔設(shè)計好,噴射覆蓋面積、崩刀和熔錫風(fēng)險有明顯的改善。
3、采用“I”字形狀的設(shè)計,噴射出水為扇面形狀。該結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計的噴嘴呈扇形霧狀的形態(tài)噴射,因此降低了水壓對于產(chǎn)品和刀片的沖擊力,減少了切偏和崩刀的風(fēng)險。同時,出水呈扇面形狀噴射,其噴射覆蓋面積廣,能夠?qū)⒗鋮s水有效地噴射到刀片和產(chǎn)品所需降溫的全部區(qū)域,這樣就大幅度地提升了冷卻效果,產(chǎn)品熔錫風(fēng)險則明顯降低。
通過實驗對比,刀片冷卻噴嘴采用“I”字形狀的結(jié)構(gòu)設(shè)計,其實用性最好。應(yīng)用到實際生產(chǎn)中,能夠有效降低切割熔錫等質(zhì)量隱患,從而提升QFN封裝切割的穩(wěn)定性。
5切割熔錫失效的管控
針對切割熔錫的控制,可以從廠務(wù)動力供給布局、產(chǎn)品工藝流程管控、設(shè)備功能結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面來考慮。
1、建立廠務(wù)動力車間,采用冷水機等制冷設(shè)備將常溫的切割水降低到切割工藝所需的水溫。盡可能縮短冷卻水輸入和輸出管道的距離,并采用隔熱保溫棉包裹,減少水溫在傳輸過程中的熱量消耗,確保冷卻水的供給溫度穩(wěn)定且可控制。
2、建立新產(chǎn)品、新材料的風(fēng)險評估流程。根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)評估結(jié)果,將切割參數(shù)、工藝條件、生產(chǎn)要求等制定標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)流程。針對核心風(fēng)險點進行分級授權(quán)管控,避免量產(chǎn)時造成切割熔錫失效。
3、在設(shè)備設(shè)計層面,將應(yīng)用穩(wěn)定的噴嘴機構(gòu)等備件圖紙進行標(biāo)準(zhǔn)化。同步上傳系統(tǒng)存檔并更新到設(shè)備技術(shù)協(xié)議,為后續(xù)新購設(shè)備提供技術(shù)參考。
4、影響切割熔錫的核心備件,如刀架噴嘴、刀片等,建立安裝調(diào)試和維護技能培訓(xùn)指導(dǎo)書,培訓(xùn)工程技術(shù)人員,提高設(shè)備切割熔錫的管控能力。
5、冷卻水輸出設(shè)備、傳輸管路、過濾裝置、噴嘴裝置等硬件設(shè)施,制定預(yù)防性維護要求和管理周期。定期對影響切割熔錫的部件進行數(shù)據(jù)跟蹤、功能檢查,定期維護保養(yǎng)及更換。
6結(jié)束語
微電子封裝QFN產(chǎn)品的外形結(jié)構(gòu)緊湊,體積小、重量輕、電性能和散熱性好,因此多應(yīng)用于集成度相對較高的高端電子產(chǎn)品中。根據(jù)其方形扁平的形狀特點,整條料片分離成單顆的電路產(chǎn)品,通常采用效率高、成本低的切割工藝。本文是基于切割工藝生產(chǎn)中的切割熔錫失效現(xiàn)狀,從實際應(yīng)用和設(shè)計的角度給予分析和對策探討,以供參考。
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