集成电路封装线系统性静电防护

��发布时间：2020-12-01 ��浏览次数：91849次

 

摘　要：文中分析了静电产生的原因、电路静电损伤机理及失效机制。制定了集成电路封装线系统性静电防护措施。其涉及到封装厂房环境静电防护、封装生产设备静电防护、工艺操作静电防护、电路包装和运输过程中的静电防护以及静电防护检测等多个环节。对这些环节的全面控制有利于消除静电对集成电路的损伤。

关键词：静电防护；静电损伤；集成电路封装

 

 

1 .    引言

随着微米、亚微米、深亚微米及纳米级IC工艺的发展，集成电路的内绝缘层越来越薄，其抗静电性能越来越弱，而产生和积累电荷材料（如塑料、橡胶等高分子有机物）的大量使用，以及使用环节中静电防护不足，导致静电放电对集成电路的危害越来越突出，因此制定相关静电防护措施刻不容缓。集成电路静电防护需结合芯片设计、晶圆加工、封装等多方面因素综合考虑。静电放电与集成电路性能、成品率以及可靠性有着密不可分的关系。芯片一般通过电源钳位ESD保护电路结构、电源总线ESD保护电路结构和电流分流等方面设计，利用半浮栅、镇流、衬底耦合等技术对电路进行改良，从而在静电放电时对电路进行有效的保护[1]。晶圆加工和集成电路封装工艺线的静电防护措施类似。静电放电对集成电路的损坏具有破坏性、潜在性和缓慢失效性，在封装过程中被静电完全击穿损坏的电路，在生产或检测过程中可被剔除；但如未被静电放电完全损坏的电路，将存在潜在的可靠性隐患，即使精密的仪器也很难测出其性能的变化，但随着电路的使用，静电放电造成的累计损伤加深，严重的导致电路失效[2]。因此有效的系统静电防护对保证集成电路封装线电路的生产、制造等的质量和可靠性有着相当重要的意义。本文针对封装厂房环境静电防护、封装生产设备静电防护、工艺操作静电防护、电路包装和运输过程中的静电防护以及静电防护检测等多个环节的分析，制定了集成电路封装线系统性静电防护措施。

 

2.      IC封装线静电损伤机理及失效机制

 

集成电路封装线的静电防护要达到全面防护，需要清楚静电如何产生，封装过程中哪些环节容易产生静电，集成电路如何受静电损伤，损伤机理是什么，其如何导致集成电路失效。

静电的产生是电子在外力的作用下，从一个物体转移到另一个物体或者是受外界磁场的影响而产生的极化现象，在具有不同静电势的两个物体之间的静电转移。在图1[3]中，如果一个物体和另一个物体在起电序列中离得越远就越容易产生静电。

 

图1  常用物品的起电序列

静电常态下表现为静止电荷。静电在集成电路封装中的影响主要有：吸尘，间接引起集成电路的各种质量问题；放电破坏，放电产生热等引起集成电路性能、功能和可靠性问题；放电产生电磁场形成干扰噪声等。

静电吸尘涉及集成电路封装的全过程。芯片或圆片带有静电就容易吸附附近的带电尘埃微粒，微粒一旦被吸附了就很难去掉；磨削减薄时，微粒容易在带电芯片表面粘牢，用洗耳球吹、高压水洗、胶粘等方式处理也很难去掉，用牙签等物理法剥离则容易损伤芯片表面或形成新的沾污；键合时，芯片等焊盘上粘附有小的尘埃颗粒等，会影响键合点的粘附强度，甚至造成键合强度不达标；MEMS等密封前因静电也会吸附尘埃，尘埃小颗粒将成为微机械结构损伤的主要因素之一；标记打印时遇到颗粒也会影响标记粘附性。以上这些均表明防止静电产生和积累是封装工艺线净化管理的重要内容之一。

一般而言，静电放电都是在微秒或纳秒量级完成的，放电的瞬间通过回路的大电流，使集成电路形成局部的高温。因为时间太短，热量来不及向外扩散，尤其在深亚微米和纳米工艺流片的芯片，当大于温度阈值的时候，造成电路的局部热损伤，电性能参数退化甚至功能失效或引起潜在的可靠性隐患。集成电路静电放电破坏就是静电放电产生强电场使MOS栅氧化层被击穿，使器件完全失效；或因静电损伤的累积效应[4]加快集成电路的老化从而降低了它们的寿命。

静电放电产生的电磁场幅度很大（达几百伏/米）、频谱极宽（从几十兆赫兹到几千兆赫兹），通常情况下对封装工艺及其所封装的集成电路无影响。

集成电路封装过程中的静电防护就是消除静电积累，积累的静电要安全地被中和或泄放掉，达到集成电路封装工艺的要求。

 

3 .    集成电路封装线系统性静电防护

 

集成电路封装线的静电防护需从厂房及环境的静电防护与控制、封装工艺设备及设施的静电防护、工艺操作的静电防护、封装集成电路包装、运输过程中的静电防护等做全方位、系统性的静电防护措施，保证各类集成电路在封装过程中免受静电损伤。

 

3.1    封装厂房及环境的静电防护与控制系统

 

集成电路封装厂房在无法远离大功率源辐射电磁场或预测今后是否不受大功率源辐射电磁场影响，故厂房建造时均会采用轻钢龙骨结构的石棉填充彩钢板做墙壁，顶层及净化FFU等也优选铝质等导电性材质，地面敷设接地良好的防静电地板。厂房墙壁、顶层、地板和埋入的各类设施均需要接地以达到“屏蔽作用”，将可能产生的静电、电位通过接地使其保持在零电位。接地电流流过大地时，主要以离子运动的形式流动，离子导电性与土壤的温湿度、水分中含盐的浓度和种类有关，故厂房接地要保证电极插入当地地下水水位2 m以下，并用单电极法、四电极法[5]等测量当地土壤的电阻率来确认是否要添加一定量的水溶性电解质（如食盐等）来保证接地的良好。厂房墙壁、顶层、地板、净化FFU等采用复合材料（如各类耗散型防静电材料或表面有金属纤维等）也均需符合接地要求。

集成电路封装厂房还需要控制温湿度。由于静电产生与湿度相关性非常大，参见表1，一般情况下，用加湿法消除静电的效果很明显，水分子附在物体表面增加物体的导电性，有利于静电的消散，但湿度过高会造成集成电路引脚或引出端镀层氧化、极少数未钝化裸露芯片被腐蚀等情况发生，通常湿度控制在50％RH～70％RH，随季节不同、芯片工艺不同可做适当调整。

 

 

 

3.2    封装生产设备及设施静电防护

 

集成电路封装过程中，设备仪器由于摩擦或静电感应而产生的静电若不能及时有效、安全地泄放掉，将会因静电积累形成高电压，静电的快速放电可能造成集成电路的损伤。

设备仪器通常采用串联电阻接地法、静电中和法、静电消除材料等方法来达到集成电路封装的静电防护要求。

静电接地就是将静电源产生的静电荷直接泄漏到大地，使静电缓慢泄放消除。设备仪器的接地方式分硬接地和软接地。硬接地就是直接与接地极作导电性连接的一种接地方式，软接地是通过一组以限制电流达到安全值的电阻器连接到接地极的一种接地方式。设备仪器机架通常是金属材料，需要通过串接1 MΩ电阻再接地；而金属工作台等绝缘体表面通常喷涂防静电漆、敷设防静电橡胶垫（耗散型材料），其金属架可硬接地，不是必须串接1 MΩ电阻再接地；设备除电源线、零线外还有接地线，设备各部件与接地线之间的最大电阻不大于10 Ω；通过空气隔开的气动主轴的接地电阻不大于106 Ω；设备接地需要牢固，用按扣或者插座连接到特定的地方。

设备表面涂覆抗静电剂可降低表面电阻率，提高电荷泄漏速率，但容易引起不必要的污染，故对于设备上高速运动或必须使用绝缘材料而易产生静电的，通常采用静电中和，典型的就是安装离子风机（可安装在设备内部也可安装在设备上方，只要达到有效消除静电积累即可），利用空气电离来消除表面异性电荷积累。

对于某些封装工艺，无法通过上述方法来预防静电的产生，如纯水高压喷淋清洗划片圆片表面和划片槽中的硅渣，则对纯水等进行处理来预防静电。去离子高纯水中加入CO2气体，水中产生一定浓度的H+、HCO3-、CO32-离子，0.2～0.3 MΩ·cm电阻率纯水高压喷淋清洗时静电电压不高于100V，有效地消除了静电损伤[6]。

封装生产设备及设施的静电防护需安排专业技术人员定期检查接地、静电消除设备的有效运转情况，才能保证设备仪器防静电损伤的有效性。

 

3.3    员工及工艺操作静电防护

 

集成电路封装线中人员及工艺操作的静电防护是重中之重，操作人员不仅是静电防护的对象，更是静电防护的主动实施者，工艺操作中的静电防护必须贯穿于全员、全过程。人员及工艺操作静电防护需要从静电防护教育、标识与警示，各类静电防护材料、工具、服装等入厂检测，各类静电检测仪器需计量，各类静电防护设施、仪器、服装等的例检等多方面入手。

员工不仅在封装过程中频繁与集成电路接触，而且是控制封装设备仪器以及静电防护措施的主体，对员工的静电防护教育必须是系统性的、全员的，自觉遵守的习惯行为。每一位员工进入封装线前均要清楚认识静电的产生原理、集成电路静电损伤机理及失效机制、封装全过程中静电积累和耗散、环境控制要求、各类静电材料及工装标准、防护用品标准、设施标准、设备仪器技术要求、工艺纪律、检测要求及制度、区域划分、各类静电标识与警示、着装要求、行为规范等，经过培训考察合格后才能上生产线。

在防静电工作区张贴明显的静电放电敏感符号和警示语，也是为了时刻提醒员工执行静电防护的各项要求。静电放电敏感符号的样式、颜色和尺寸及其简化符号样式，应符合GJB1649-1993附录C的规定，标志颜色是黄底黑字，按照实际情况缩放标志，最小尺寸为300 mm×150 mm，参见图2。自制提示标识也参照此执行，如操作必须在离子风扇下操作。

 

封装生产线上使用而需要采购的各类静电防护材料、工具、服装等，除按相关标准采购外，在入库前要按照相关检测标准进行检测，并依据采购标准判定，检测合格才可使用。由于某些材料具有时效性（如防静电液处理的料管等），入库还要依据相关规定进行周期性检测，防止不合格防静电材料、工具等流入封装线。如防静电工作鞋按照GB4386-1984测量防静电胶底鞋、导电胶底鞋电阻值；防静电工作服按照GB/T 23316-2009测试方法测试工作服是否符合防静电性能的要求等。一些新材料或工具也应拟订相应的测试方法、技术要求，以确保封装线所用的均符合工艺防静电要求。

各类静电检测仪器如静电测试仪、静电场检测仪、表面电阻测试仪、万用表等均需进行完好性检查并按规定定期进行计量检测，以保证检测的准确性。

静电防护设施、静电消除仪器、服装等随着时间的推移，其抗静电性能的衰减直接影响着整个系统的静电防护。这就需要制定例检表，必要时采取专人定期检查。员工每次进线穿戴防静电服、帽、鞋，佩戴防静电腕带后，均需用静电放电检测仪自检工作服、鞋、腕带是否符合规定，不符合规定的需立即更换；操作前用静电场测试仪测试工作台操作台面、工具、设备和仪器的接地或带静电电荷状况、仪器表面导电性、静电消除能力等，可以是操作员也可以是专人负责，由生产线规模、分工来决定；而厂房等接地棒的腐蚀情况等则由专人定期负责检测与更换。

 

3.4    集成电路包装、运输过程中的静电防护

 

在集成电路包装、装卸、运输的过程中，需要防止集成电路及其包装与其他材料摩擦或受到震动、冲击以及受到大功率源辐射电磁场后可能会带上一定量和电位的静电，集成电路所带静电需要能通过包装被安全泄放，否则会造成集成电路的损伤，故集成电路包装、运输过程中的静电防护也是非常重要的。

最理想的与集成电路直接接触的包装容器是既能防止摩擦起电又具备安全泄放电且可以对大功率源辐射电磁场屏蔽等功能的，但一种包装材料同时有以上几个性能是非常困难的，一般会采用不同的材料组合或复合来达到目的，如复合材料屏蔽袋等即属于此类。集成电路包装有时也要考虑成本因素而必须采用低成本的包装，这时通常是采用廉价的非防静电包装材料经过防静电液、防静电蜡处理后来包装，需要特别注意的是这类包装材料不能多次使用，防静电有效期也短。与集成电路直接接触的包装材料（包括填充料），应该是静电耗散类的，或者是本体材料不容易产生静电的。外包装要使用如传统的金属化装运袋和碳质线纸板盒等使集成电路包在法拉第筒内，这样完全封闭才能阻挡外界的静电场；当然也可利用运输卡车金属箱子形成的大法拉第筒来使小包装内部集成电路免受大功率源辐射电磁场的影响，但要注意卡车在装卸中的接地或静电泄放。

集成电路包装中，使用或重复利用防静电包装材料应经过检验合格才能使用，以确保静电泄放、屏蔽等性能指标与技术规范要求保持不变，反之就不能再次使用，而必须经过防静电处理并经检验合格后才能再使用。

取放集成电路时，必须放到防静电橡胶垫、防静电海绵、防静电膜、防静电吸塑盘、防静电盒、防静电料管、屏蔽袋、防静电气泡袋等的上面或内部，不允许将其直接放到接地金属物体或者其他非防静电材料表面上；包装材料也须在静电防护工作区内耗散静电电荷消耗达到规定再进行包装，打开包装也是如此。

所有集成电路外包装箱醒目位置上应有静电敏感符号，警示标语“注意，敏感电子元器件，储存中，切勿靠近强静电、强电磁、磁场或放射场”[7]。

 

集成电路封装中静电防护相关标准与集成电路封装有关的静电防护标准有：

 

（1） 术语：GB/T15463-2008静电安全术语；

（2） 静电控制：GJB 1649-1993 电子产品防静电放电控制大纲；GJB/Z 105-1998 电子产品防静电放电控制手册；

（3）工作区：GJB 3007A-2009 防静电工作区技术要求；

（4）设备与设施方面：GJB/Z25-1991 电子设备和设施的接地、搭接和屏蔽设计指南；

（5）着装方面：GB 4385-1995 防静电鞋、导电鞋技术要求；GB 4386-1984 防静电胶底鞋、导电胶底鞋电阻值测量方法；GB/T 23316-2009工作服防静电性能的要求及测试方法；

（6）包装方面：GJB 2835-1997 微电路包装规范；GJB /Z86-1997 防静电包装手册；GJB 2747-1996 防静电缓冲包装材料通用规范；SJ/T 11277-2002 防静电周转容器通用规范；

（7）检测方面：SJ/T 10694-2006 电子产品制造与应用系统防静电检测通用规范；SJ/T10694-1996电子产品制造防静电系统测试方法。

 

5. 集成电路封装中静电防护定期检测

 

静电防护是一个耗财和耗时的庞大系统工程，建立健全了系列防护措施之后，还要在IC封装中定期检测，确保静电防护措施有效。

静电防护定期检测对象几乎涵盖全部，针对封装厂房设施、环境、防静电材料等的静电防护前面已有叙述，此处主要从静电防护测试方法上来进行。

静电工作区的环境温度和湿度应是实时进行的动态监控，相对湿度超出规定范围需要停止封装生产作业。环境湿度应是自动监测，并与厂房温度-湿度控制系统相连。

对于静电为导体的，即表面电阻低于105 Ω的导体面，可以用万用表、兆欧表、接地电阻测试仪等来测量，把表的一端接导体表面，另一端接接地线柱，若电阻小于1 Ω则说明接地良好，串有1 MΩ电阻的则小于1.1 MΩ为接地良好。

对于用静电耗散材料（防静电橡胶垫、地板等），表面其电阻在105 Ω～109 Ω之间需要用表面电阻测试仪来测量。测试前先要检查表面电阻测试仪是否在计量合格期内，在合格期内再进行自检（把表面电阻测试仪两个电极放在金属板上，选择10 V测试电压档，如果测试值小于105 Ω，则说明表面电阻测试仪正常）。在静电耗散材料上随机抽样3个测试点，表面电阻测试仪接地线接在接地线柱上，回路端接在静电地板上，表面电阻测试仪进行测量后显示所测物体的表面电阻，表面电阻值在技术规定范围内的即为合格，超出的为不合格；如测试值接近合格判据的，则需要多测几次再做是否合格的判断。

对于防静电服等与人体接触类的，防静电着装、带腕带后能否达到防静电效果与员工体质、自着装、防静电帽/服/鞋及腕带紧密程度等相关，穿着合格与否需要通过每次的检测才能判断。这些检测则需要采用腕带测试仪、人体静电综合测试仪等来进行。

对于大区域的表面或离子风机/离子风枪产生的气流的静电消耗能力测量，则主要通过非接触式和接触式静电电压表、静电场检测仪（配高压发生器、充电极板）、离子平衡分析仪等，对工作台表面、设备仪器表面、每个离子风机/离子风枪有效工作范围内的表面静电电压、静电消耗能力进行评测。通常是在测量区域内随机抽测三个点，静电电压达到规定静电电压、散电时间在技术规定范围内的即为合格，超出的为不合格。

表2   集成电路封装线主要静电监测项目的

技术要求与检测仪器

 

 

 

 

6 .    结束语

本文从封装厂房、封装环境、封装生产设备仪器、封装人员、封装工艺、静电消除装置及材料、包装和运输等方面论述了集成电路封装线的静电防护，希望对集成电路封装线的管理人员有所帮助。



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