面向工業(yè)實(shí)踐的集成電路封裝設(shè)備可靠性改善方法

1、中國電子科技訪集團(tuán)公司第四十五研究所副總工程師何田摘要集成電路制造工藝的不斷發(fā)展給集成電路主生產(chǎn)設(shè)備的可靠性提出了極高的要求。這在像引線鍵合機(jī)這樣積累了十分可觀制造成本的集成電路封裝環(huán)節(jié)上尤為突出。產(chǎn)品的可靠性實(shí)際上也是長期以來阻礙國產(chǎn)封裝設(shè)備規(guī)?；鋫渲髁魃a(chǎn)線，制約國內(nèi)集成電路封裝裝備產(chǎn)業(yè)長足發(fā)展的重要因素。以引線鍵合設(shè)備為典型示例，全面深入地回顧了各種提高集成電路封裝設(shè)備可靠性的方法。針對實(shí)際封裝設(shè)備機(jī)電光軟件高度耦合的復(fù)雜多樣特

2、性，指出了傳統(tǒng)可靠性設(shè)計和新興虛擬樣機(jī)技術(shù)在適用性和有效性上的局限。通過剖析國產(chǎn)引線鍵合機(jī)在封裝生產(chǎn)線上的實(shí)際運(yùn)行故障記錄，指明了實(shí)體樣機(jī)試錯方法在封裝設(shè)備可靠性提升中不可或缺的重要地位。在以上分析的基礎(chǔ)上結(jié)合國際主流封裝設(shè)備生產(chǎn)商的成熟經(jīng)驗(yàn)最終提出了可靠性設(shè)計規(guī)范仿真分析與批量實(shí)體樣機(jī)測試驗(yàn)證故障分析設(shè)計優(yōu)化循環(huán)相結(jié)合，適宜工業(yè)實(shí)踐的集成電路封裝設(shè)備可靠性改善方法。I。集成電路封裝設(shè)備的可靠性特殊要求m的崩邊都是極高的可靠性指標(biāo)。作為

3、封裝核心環(huán)節(jié)的引線鍵合機(jī)則是超高精度和速度的矛盾要求下達(dá)到苛刻可靠性指標(biāo)的集成電路封裝設(shè)備的最典型代表。?集成電路制造工藝用不斷縮小的特征尺寸和持續(xù)增大的晶圓尺寸來滿足產(chǎn)業(yè)提升性能和降低成本的基本需要。這使集成電路主生產(chǎn)設(shè)備必須在更大的尺度上達(dá)到更高精度的同時實(shí)現(xiàn)更高的效率?？煽啃宰鳛楦叱善仿屎偷统杀镜谋ＷC一直是集成電路生產(chǎn)設(shè)備的核心指標(biāo)，在累積了大量前期制造成本的封裝環(huán)節(jié)尤為顯著。封裝生產(chǎn)線上晶圓減薄機(jī)小于萬分之一的碎片率以及劃片機(jī)低

4、于5電子打火形成金屬球。目前生產(chǎn)線主流引線鍵合機(jī)的實(shí)際運(yùn)行速度都在10線秒以上。這意味著設(shè)備在每一秒鐘之內(nèi)不僅完成一百多個微米級精度的空間運(yùn)動，并且精確協(xié)調(diào)超聲波換能器、線夾、電子打火等裝置的時序關(guān)系，以精確一致的線弧形狀用頭發(fā)三分之一粗細(xì)的金屬絲在芯片焊盤和封裝管腳之間形成牢固的焊線。?劈刀上升到打火高度拉斷金屬絲?劈刀上升到線尾高度線夾關(guān)閉?劈刀與管腳鍵合面接觸施加力和超聲波形成第二鍵合線夾打開?劈刀向下搜索鍵合面?劈刀下降到搜索高

5、度?劈刀上升到弧長高度線夾關(guān)閉?劈刀與芯片鍵合面接觸施加力和超聲波形成第一鍵合?劈刀向下搜索鍵合面?引線鍵合機(jī)完成集成電路封裝中芯片與封裝之間電氣互連的核心環(huán)節(jié)。圖1顯示了引線鍵合機(jī)在對應(yīng)芯片焊盤和封裝管腳之間用金屬絲形成一根互連焊線的基本工藝過程，可以分為以下10個步驟：劈刀下降到搜索高度性問題是國產(chǎn)集成電路封裝設(shè)備產(chǎn)業(yè)化道路上無法規(guī)避的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而在可靠性上填補(bǔ)與國際主流設(shè)備之間的巨大差距的任務(wù)較前期完成可行性樣機(jī)的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)單一關(guān)

6、鍵技術(shù)的突破遠(yuǎn)為復(fù)雜和艱巨。II。傳統(tǒng)可靠性設(shè)計可靠性設(shè)計早已成為系統(tǒng)成熟的學(xué)科，可以對比較單一的對象例如機(jī)械零件機(jī)構(gòu)、電子元器件電路板等提供系統(tǒng)有效的提高可靠性的途徑。增加安全裕度、冗余設(shè)計等常規(guī)設(shè)計方法被廣泛地用來減小設(shè)計對象失效的可能。基于概率論的串聯(lián)和并聯(lián)模型可以對簡單系統(tǒng)進(jìn)行可靠性建模和分析。然而面對集成電路封裝設(shè)備的復(fù)雜性和多樣性，傳統(tǒng)可靠性設(shè)計的方法顯現(xiàn)出了極大的局限性。首先，封裝設(shè)備中存在著大量的多層次架構(gòu)。機(jī)械系統(tǒng)包括

7、從零件到部件再到子系統(tǒng)最后到整機(jī)結(jié)構(gòu)多個層次；電氣系統(tǒng)由元器件、電路板、功能模塊、子系統(tǒng)逐級組成；軟件系統(tǒng)包括可編程器件程序、嵌入式模塊程序、主控功能模塊、主控程序等。數(shù)量龐大、層級復(fù)雜的對象使針對單一機(jī)、電或軟件系統(tǒng)采用傳統(tǒng)可靠性設(shè)計方法進(jìn)行逐級建模和分析已經(jīng)十分困難。而封裝設(shè)備整機(jī)中機(jī)、電、軟件系統(tǒng)密切耦合，多種物理量共存的狀態(tài)就更是導(dǎo)致基于單一機(jī)械電氣物理量的傳統(tǒng)可靠性設(shè)計方法幾乎不可能有效準(zhǔn)確地獲得整機(jī)的可靠性估計。其次，封裝設(shè)

8、備中大量采用來自主流廠商的零部件如電機(jī)驅(qū)動、光柵尺、傳感器、電磁閥、導(dǎo)軌、絲杠等。對于這些缺乏詳細(xì)準(zhǔn)確的可靠性數(shù)據(jù)但已經(jīng)具備很高可靠性的零部件沒有必要也不便于進(jìn)行傳統(tǒng)意義上的可靠性分析。傳統(tǒng)可靠性設(shè)計方法在封裝設(shè)備這些組成部分上沒有意義。最為重要的是，集成電路封裝設(shè)備的可靠性問題更多地集中在設(shè)備的加工對象和工藝過程上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)意義上的一般設(shè)備失效模式的分析和預(yù)防。也就是說問題的焦點(diǎn)已經(jīng)不是設(shè)備本身的斷裂、碰撞、形變、短路、擊穿、過

9、熱等普通失效（這些問題已經(jīng)在過去無數(shù)次的產(chǎn)品優(yōu)化循環(huán)中得到了充分的解決），而是設(shè)備加工對象的完整性及工藝過程的正確和一致性。相應(yīng)地對設(shè)備可靠性指標(biāo)的關(guān)注也由MTBF（平均故障間時間）向MTBA轉(zhuǎn)移。還是以最具代表性的引線鍵合機(jī)為例，在一根引線的焊接過程中即使所有的機(jī)械、電氣和軟件系統(tǒng)都運(yùn)轉(zhuǎn)正常甚至所有的空間運(yùn)動和協(xié)同時序都準(zhǔn)確無誤，仍然可能因?yàn)楦咚龠\(yùn)動下金屬絲送線路徑某一環(huán)節(jié)的微小偏差、引線框架夾持效果的變化或金屬絲鍵合面的輕微污染而導(dǎo)