半导体工艺知识.doc

1Vishay’XIAN BASIC TRAINING第八章 组装工艺组装是把管芯焊接到底座上，使芯与底座形成良好欧姆接触和散热通路，然后将 管芯正面电极与器件外引线连接起来，再用塑料或金属或陶瓷封装形式把管芯包封起 来，使器件在各种环境和工作条件下能稳定，可靠地工作器件的后部组装工序还包 括器件管腿搪锡、测试、打印、包装等工序第一节 划 片 采用金刚石、激光束或金刚砂轮等方法将大园片上的管芯分割成单个独立的管芯 1、 划片方向的确定 硅单晶材料具有各向异向的特点沿（110）晶向划刀时刀痕比较平滑和连续，园 片能沿划痕断裂若偏离此晶向划片，硅片就会沿着自身的解理面碎裂，不能得到 完整的芯片 对于（111）面的园片，第一次划片方向与硅刀定位面垂直，第二次划片方向和定 位面平行 2、 两种划片形式 （1）局部划片，在硅片表面划线，划痕没有全部穿过全部硅片金刚刀、激光束划 片 （2）划硅片划穿 金铡砂轮划片 3、 各种划片方法比较 激光束划片设备昂贵，成本高，熔融硅滴量溅到硅片表面 金刚刀划片可靠性差，成品率底，在刀痕附近产生应力损伤晶格 金刚砂轮划片是具有划片质量好，切割深度可探，划片损伤小，已广泛用于生产。

4、 砂轮划片工艺及要求 贴膜→划片→清洗 贴膜质量要求：放显硅片和框架有方向性，硅片与蓝膜之间无空隙、气泡、残渣等划片质量要求；划槽深度深及蓝膜 1/3-2/3 处 划槽宽度：中心值 50μm（刀刃宽 30μm）无崩边、崩角、划错行 正方形芯片：USL=175μm LSL=25μm 长方形芯片：USL=75μm LSL=25μm第二节 芯片焊接工艺将芯片焊接在框架（或金属外壳）的指定位置上 基本要求是： （1）达到一定的机械强度 （2）具有良好的欧姆接触，热阻小 （3）化学稳定性好，不受环境和温度的影响 焊接方法：2Vishay’XIAN BASIC TRAINING（1）导电胶粘结法：适用于集成电路装片 （2）银浆烧结法：适用于小功率晶体管，超高频或微波小功率管 （3）金锑合金烧结法：适合大功率管 （4）Pb-Sn 合金焊片烧结法：适大功率晶体管 （5）Sn-Sb-Ag 焊料粘片工艺：塑封大功率器件一、大功率器件的热疲劳的产生 芯片背面电极材料、焊料、底座材料之间线性膨胀系数不同，在器件电热循 环过程中产生应力切变，引起器件热阻增加，饱和压降大，最终导致器件性能下 降和完全失效。

材料名称 α（10-6/℃）Si 3Ni 13Mo 5Cu 17Fe 12Au 14.8Sn 46Pb 15Cr 6Ag 19Ti 8.5V 8焊料两大类： （1）硬焊料：(Ag-Cu 系列) 弹性形变 间歇寿命脉 10 万次数缺点：烧结温度高，成本高 （2）软焊料：Cau 基、Pb、Su、Ja 基配以 Ag、Sb 等本公司采用 Su:Sb:Ag=65:10:25 属 Su 基 焊接温度：360℃－380℃软焊料焊接器件在热循环过程中产生的是常见性形变。

焊料层可以吸收塑 性剪切应力Ag 与 Cu 的热膨胀系数 α 很接近Cu：α=17×10-6/℃ Ag：α=19×10-6/℃器件间歇寿 10000 次以上（可靠性要求）二、粘片主要工艺条件 1、通 N2+H2 保护 温度 360℃ H2：8－12%N2、H2 中含 O2 量含水量有要求，否则引线和芯片氧化 2、焊接质量要求： （1）焊料充分熔化，但不能翻 Su （2）无氧化空洞：影响压焊，影响散热 （3）焊料杂质少，延伸性好 （4）焊料层厚度适当，太厚器件热阻大，太薄吸收应变力差 1.65－2.05mm （5）芯片位置正确，离包封线>0.8mm管芯不能上翘 （6）铝层、引线不能划伤3Vishay’XIAN BASIC TRAINING三、焊层空洞对散热影响 Q=KA△T/△X Q：单位时间内通过的热量 K：材料导热系数 A：热流截面积 △X：热使导体的厚度 △T：发热源和冷端温度差 公式反映了功率器件热量散发的定量关系 在试验条件不确定条件下，K 与△T 一定，如果焊层有空洞 A 小 Q 低；焊层太厚 （△X 厚）Q 小第三节 键 合 工 艺将芯片上的电极与底座外引线连接起来的过程称键合。

键合方法很多，由早期 的烧结镍丝法（合金管）和拉丝法（合金扩散管）逐步发展到热压键合法和超声键 合法一、焊接用引线材料应具备以下特点： （1） 能够与半导体材料形成低阻的欧姆接触 （2） 化学性稳定，不会形成有害的金属间化合物 （3） 与半导材料之间结合力强 （4） 电阻率低，具有良好的导电性能 （5） 可塑性好，容易焊接 （6） 键合过程中能保持一定的几何形状 热压法用金丝、铜铝丝、铜硅铝丝 超声键合大多用纯铝丝、硅铝丝、铜铝丝、铜硅铝丝最常用的材料是： 金丝、纯铝丝、硅铝丝二、焊接方法 1、热压法：焊接时加热加压 根据压焊工具和引线切断方法不同，热压焊接可分为楔焊、针焊、王术焊 2、超声键合 利用超声波的能量将铝丝与铝电极在不加热情况下直接键合的一种方法 （1）原理： 由超声波发生器产生的几十千周的超声振荡电能，通过磁致伸缩换能器， 在超声高频磁场感应下，迅速伸缩而产生的弹性振动，经变幅杆传给劈刀同 时在劈刀上边施加一定的压力劈刀就在两种力的共同作用下，带动铝丝在被 焊接的铝膜表面迅速摩擦，使铝丝和铝膜表面产生塑性形变该形变破坏了铝 质界面的氧化膜，使两个纯净的金属面紧密接触，形成分子键合。

（2）超声键合优点（与热压键合相比）： a、 键合用铝丝直径可根据产品不同而改变，热压只适合细键合丝 b、 不需加温，常温即可键合 c、 不用任何焊剂，不会形成任何化合物而影响器件可靠性4Vishay’XIAN BASIC TRAININGd、 超声强度高于热压键合 （3）超声键合设备组成： a、 振动系统：超声波发生器、换能器、变幅杆、劈刀等 b、 电气系统：振荡器、放大器、键合时间控制部分、电源部分、振幅调 节和指示部分等三、键合质量要求 焊点位置、铝丝拉力、剪力、弧度 不良品项目：虚压、崩角崩边、 “刹松” 、焊坑、尾巴长、 “耳朵” 、压线、 第一焊点（管脚）悬空第四节 封装工艺封装主要目的： （1）使管芯与外界环境隔绝，避免外界气氛的侵袭，保证表面清洁 （2）为器件提供合适的外引线 （3）使器件有一个外壳，能经受各种恶劣环境的考验，并提高器件的机械强度，能 长期正常工作 （4）对于大功率和高频器件，外壳还可以起散热和屏蔽作用 按封装材料不同可以分为：金属封装、陶瓷封装、玻璃封装和塑料封装等一、塑料封装 是一种以塑料为管壳材料的一种封装，形式它利用专用模具，在一定的压力 和温度条件下用塑封树脂把键合后的半成品封装保护起来。

其优点是：（1）能节约大量的金属和合金 （2）能大大简化管壳的制造工艺，提高生产效率 （3）减轻器重量，缩小体积 （4）管壳成本低 （5）适用于机械自动化生产 缺点：（1）塑料机械性能较差，导热能力弱 （2） 气密性不如金属、陶瓷封装 1、 封装塑料的选择 环氧类：粘附性好，不易开裂，机械强度高，耐温性能欠佳 硅酮类：耐温特性好，粘附性不如环氧类 材料选择的原则： （1）注塑时熔化粘度低不引起元件内引线的切断或电极端引线的移动 （2）成型固化时收缩率热膨胀系数小 （3）热导和机械强度高 （4）电绝缘和耐湿性良好 （5）在固化和高温使用时不产生有害气体 （6）阻燃性好 （7）贮藏稳定性好 2、 塑封材料组成：基本料、固化剂、填充剂、脱模剂、增塑剂、稀释剂、阻燃剂、 颜料等5Vishay’XIAN BASIC TRAINING（1）基本料：主要材料为改性环氧或硅酮树脂 （2）固化剂：使原来热塑性、线性的高分子交联成网状结构的巨大分子，成为不溶 的树脂 环氧树脂固化剂有脂胺类：DETA（二乙撑三胺）和 TETA（三乙撑四胺） ，劳族胺 （间苯二胺、甲撑二胺）催化剂固化剂（氨乙环）和（酸酐固化剂、十二碳烯基 琥珀 DDSA 能在高温下工作） 。

（3）填充剂：使用目的，减少树脂用量，降低成本，改善塑料的性能，降低固化时 收缩率和热膨胀系数，增大热导率，提高抗压强度一般选择绝缘、中性、能树 脂充分混合的材料常用的有石英粉、气柏 SiO2、氧化铝、氧化锌、二氧化钛、 碳酸钙、To 横纤维、无机或有机纤维不同器件、不同树脂材料用不同填充剂 （4）脱模剂：作用：防止塑料在成型过程中粘在模具上，常用硬脂酸钙、石腊等 （5）阻燃剂：提高器件工作温度，增加阻燃性和延长贮存寿命，常用四溴双酚－A 和 Sb2O3 （6）颜料：为区别不同器件而添加的黑色（碳黑） 、棕色、白色（氧化钛） 、绿色（氧化铝） 、红色（氧化铁）等3、 塑封树脂的性质 （1）抗湿性： 水渗入器件内部有两种途径：a、树脂本身B、树脂与引线柜交界处其中 b 途径最严重提高树脂纯度，减少树脂中遇水分解的氯和单体氯离子，提高阻燃 剂的品级，可提高树脂抗湿性 （2）耐热性： 半导体器件由多种材料组成由于多层材料热膨胀系数 α 不同（表 12.11） ， 当温度变化时将产生应力另外树脂的玻璃转变温度（Tg）时，树脂的膨胀系数 是室温时的 2.5－3.5 倍，此时树脂的膨胀系数为硅片，引线框架和内引线的 3－10 倍，树脂的膨胀使内引线受到的应力可达几百公斤/cm2，造成内引线断裂。

塑封料在固化时，体积会发生变化，称收缩率收缩率与塑料配方中的固化剂、 固化方式密切相关高温短时间与低温长时间固化时的收缩率不同 合理选取注塑成形后固化、高温筛选的工艺条件及树脂类型，就可以改善由 耐热性差而带来的质量问题 另外，树脂的热导率也直接塑封器件质量，尤其是功率器件希望树脂热导 率高，用填充剂调节热导率 （3）杂质含量： 树脂中的杂质离子如 Cl-、Na+影响塑封器件质量水分渗入树脂与 Cl-作用，对 铝丝、铝层有腐蚀作用Na+引起器件 IR 增加，影响 MOS 器件开启电压二、封装工艺 1、 树脂检验：检验其熔融粘度及脱模性是否合格，螺旋流动试验法和离化式流动试 验法 2、 保管：树脂的流动性与贮存温度和时间有关保存温度-4－4℃室温贮存有效期 96 小时，包括醒料时间 24 小时 3、 包封工艺流程： 包封前检查→产品、饼予热→注塑成形→打毛刺→自检→后固化6Vishay’XIAN BASIC TRAINING（1）包封前检查目的：剔除不合格品 （2）清模目的：去除模具上残留物 （3）框架予热目的：烘干管芯上水气，使框架温度接近模具温度，防止热应力损伤 管芯和内引线 （4）后固化目的：通过加强，使环氧树中高分子间充分交联，以使形成稳定的分子 结构，同时也产品高温贮存筛选。

（5）制饼予热目的：保证塑封料受热均匀，去除在空气中吸收的水气，缩短固化时 间，保证有好的流动性。