面向工业实践地集成电路封装设备可靠性改善方法

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1、实用标准文案中国电子科技访集团公司第四十五研究所副总工程师何田  摘要  集成电路制造工艺的不断发展给集成电路主生产设备的可靠性提出了极高的要求。这在像引线键合机这样积累了十分可观制造成本的集成电路封装环节上尤为突出。产品的可靠性实际上也是长期以来阻碍国产封装设备规模化配备主流生产线,制约国内集成电路封装装备产业长足发展的重要因素。以引线键合设备为典型示例,全面深入地回顾了各种提高集成电路封装设备可靠性的方法。针对实际封装设备机电光软件高度耦合的复杂多样特性,指出了传统可靠性设计和新兴虚拟样机技术在适用性和有效性上的局限。通过剖析国产引线键合机在封装生产

2、线上的实际运行故障记录,指明了实体样机试错方法在封装设备可靠性提升中不可或缺的重要地位。在以上分析的基础上结合国际主流封装设备生产商的成熟经验最终提出了可靠性设计规范/仿真分析与批量实体样机测试验证-故障分析-设计优化循环相结合,适宜工业实践的集成电路封装设备可靠性改善方法。  I。集成电路封装设备的可靠性特殊要求m的崩边都是极高的可靠性指标。作为封装核心环节的引线键合机则是超高精度和速度的矛盾要求下达到苛刻可靠性指标的集成电路封装设备的最典型代表。m  集成电路制造工艺用不断缩小的特征尺寸和持续增大的晶圆尺寸来满足产业提升性能和降低成本的基本需要。这使

3、集成电路主生产设备必须在更大的尺度上达到更高精度的同时实现更高的效率。可靠性作为高成品率和低成本的保证一直是集成电路生产设备的核心指标,在累积了大量前期制造成本的封装环节尤为显著。封装生产线上晶圆减薄机小于万分之一的碎片率以及划片机低于5电子打火/形成金属球。目前生产线主流引线键合机的实际运行速度都在10线/秒以上。这意味着设备在每一秒钟之内不仅完成一百多个微米级精度的空间运动,并且精确协调超声波换能器、线夹、电子打火等装置的时序关系,以精确一致的线弧形状用头发三分之一粗细的金属丝在芯片焊盘和封装管脚之间形成牢固的焊线。®劈刀上升到打火高度/拉断金属丝®

4、劈刀上升到线尾高度/线夹关闭®劈刀与管脚键合面接触/施加力和超声波/形成第二键合/线夹打开®劈刀向下搜索键合面®劈刀下降到搜索高度®劈刀上升到弧长高度/线夹关闭®劈刀与芯片键合面接触/施加力和超声波/形成第一键合®劈刀向下搜索键合面®  引线键合机完成集成电路封装中芯片与封装之间电气互连的核心环节。图1显示了引线键合机在对应芯片焊盘和封装管脚之间用金属丝形成一根互连焊线的基本工艺过程,可以分为以下10个步骤:劈刀下降到搜索高度精彩文档实用标准文案  图1。引线键合基本工艺过程  以上键合工艺过程是最为简化的基本线弧类型,实际生产中的线弧往往具有更多的单元

5、运动和更加复杂的协同时序。另外作为全自动设备必不可少的部分,机器视觉的图像采集-定位、物料传输的上料-分度-夹持-下料都必须高速、精密、可靠地运行以保证整个键合工艺的顺利完成。根据国际领先设备生产商引线键合机产品MTBA(平均协助间时间,指设备无人工干预独立正常运行的平均时间)大于4小时,实际运行速度10线/秒以上估算,设备的键合故障率在十四万分之一以下。也就是说,在设备持续高速精确焊线的过程中每完成十四万根引线还不能发生一次第一键失败、第二键失败及短尾等键合故障。这样超高精度和速度下的极高可靠性几乎达到了机电设备的极限,对引线键合机的开发提出了前所未有

6、的挑战。  设备的可靠性水平是用户选择的分水岭,直接决定着产品的市场定位。当前引线键合机全球市场的格局清晰地印证着这一规律。长期处于技术领先的美国K&S的产品是行业内公认最为稳定可靠的设备,一直占据着高端集成电路市场。全球的前几大封装企业如ASE(日月光)、SPIL(矽品)和ChipPAC(金鹏)等都和K&S形成了非常稳固的采购关系,通常单一订单的数量达到200到500台之多。国内代表性的封装企业如江苏长电和南通富士通等引线键合机也多数采购K&S的产品。香港ASM和日本Shinkawa(新川)、Kaijo等的产品近年来在技术上有很大进步,许多性能指标已经

7、和K&S十分接近,甚至成本和售价还低于K&S。而由于在可靠性上和K&S还存在着相当的距离,这些公司产品的应用多数还局限于以LED为主的分立器件、低端集成电路或本国市场。这也充分证明了产品可靠性是封装设备企业长期积累的产业化技术的集中体现,也是企业之间最难以跨越的差距。精彩文档实用标准文案  目前国产引线键合设备的键合故障率徘徊在千分之一附近,和国外先进设备有着两个数量级的巨大差异。在目前国产引线键合设备整机完成了从无到有的过程、关键技术取得了一定突破、性能指标逐渐接近进口设备的情况下,产品可靠性问题显得尤其突出和紧迫。类似的情况也不同程度地体现在国产减薄

8、机、划片机和粘片机等集成电路封装设备上。可靠性问题是国产封装设备一直无法获得主流

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