功率半導體生產(chǎn)工藝問題及分析

PAGEPAGE21.引言1.1選題理由目前，全球新能源汽車市場正慢慢崛起，節(jié)能減排加速清潔能源普及，智慧城市帶動智能發(fā)電和電網(wǎng)部署進程，疊加電池和能源存儲需求加大等因素，加大了對功率半導體器件的需求。而功率半導體作為電子電力設備中電能轉(zhuǎn)換與電路控制的核心，主要用于改變電子裝置中電壓和頻率、直流交流轉(zhuǎn)換（變頻、變壓、變流和功率管理）等，可以提高能量轉(zhuǎn)換效率，減少功率損失，具有應用范圍廣、用量大等特點。功率半導體的適用面非常廣泛，與用途相對狹窄高端CPU不同，新能源汽車、智能家居、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、電網(wǎng)改造、充電樁等應用都需要大功率驅(qū)動，因此功率半導體是增量最大的半導體元器件。中國功率半導體市場被境外企業(yè)所壟斷，國產(chǎn)化率低。在中高端IGBT器件中，中國90%以上的產(chǎn)品依賴進口。因此中國進口占需求比較高的半導體分立器件等，國產(chǎn)替代空間廣闊。本文將介紹功率半導體的制作工藝，基于ASMX（汽車電子工藝）產(chǎn)線，分析其自動化生產(chǎn)工藝及主要問題。1.2功率半導體簡介功率半導體主要分為功率分立器件和功率IC兩大類，其中功率分立器件主要包括二極管、晶閘管、MOSFET、IGBT等產(chǎn)品。根據(jù)IHSMarkit的預測，MOSFET和IGBT將成為近5年增長最強勁的半導體功率器件。IGBT（絕緣柵雙極晶體管）：InsulatedGateBipolarTransistor，是MOSFET和GTR(功率晶管)相結合的產(chǎn)物。IGBT是一種由控制電路來控制，是否導電的半導體。比如控制電路指示為通，那么IGBT就是導體，電流暢通，如果控制電路指示為斷，那么IGBT就是絕緣體，電流斷開。IGBT只要通過脈寬調(diào)制，就能輕松的把輸入的直流電流變成人們所需要頻率的交流電，或者將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。主要應用與工業(yè)、4C(通信、計算機、消費電子、汽車電子)、航空航天、新能源汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)領域。MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）：MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor。以金屬層（M）的柵極隔著氧化層（O）利用電場的效應來控制半導體（S）的場效應晶體管。MOSFET具有輸入阻抗高、開關速度快、熱穩(wěn)定性好、電壓控制電流等特性，在電路中，可以用作放大器、電子開關等用途

2.功率半導體的晶圓工藝2.1功率半導體晶圓工藝的發(fā)展現(xiàn)狀在半導體領域，晶圓生產(chǎn)能力是根本，目前擁有晶圓生產(chǎn)能力的企業(yè)有兩類：晶圓代工企業(yè)和IDM(垂直一體化企業(yè))。晶圓代工賺的是加工費，而IDM模式則覆蓋了半導體產(chǎn)業(yè)鏈三個環(huán)節(jié)：設計+制造+封裝測試。水平,已成為衡量一個國家和地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志。由于晶圓生產(chǎn)工藝中，其表面會形成薄膜，這需要光刻技術將它去掉。在晶圓制造過程中，晶體、電容、電阻等在晶圓表面或表層內(nèi)構成，這些部件是每次在一個掩膜層上生成的，并且結合生成薄膜及去除特定部分，通過光刻工藝過程，最終在晶圓上保留特征圖形的部分。但我國的高端光刻機產(chǎn)能嚴重不足光刻機也叫掩模對準曝光機，曝光系統(tǒng)，光刻系統(tǒng)等，常用的光刻機是掩膜對準光刻。光刻工藝要經(jīng)歷硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻膠、軟烘、對準曝光、后烘、顯影、硬烘、刻蝕等工序。目前光刻機市場，以荷蘭、日本的企業(yè)為主力軍，全球能制造出光刻機的企業(yè)不足百家，能造出頂尖的光刻機的不足五家，在高端光刻機市場，中國企業(yè)幾乎全軍覆沒。2.2功率半導體的晶圓貼膜工藝當一片片晶圓被制造出來后首先會經(jīng)過晶圓貼膜（Wafermounting）這道工序。目前國內(nèi)外廠家采用的大部分采用的都是全自動貼膜設備（如圖2.1所示），此道工序的主要是將晶圓粘貼在粘膜的保護工藝，在后續(xù)的過程中晶圓可能會在機械應力的作用下而破裂或者卷曲，且晶圓的面積越大，約容易受到外力的影響，為了減少廢品產(chǎn)生，通常會貼上一片薄薄的藍膜來用于保護晶圓并方便切割時不散落。在貼膜的過程中，需要保持粘附力，以確保在晶圓片和藍色薄膜之間沒有間隙或氣泡，但在切割后，藍色薄膜的粘附殘留物不能留在晶圓片的表面。在生產(chǎn)中值得注意的是，該工藝通常是使用非紫外線減粘膜處理，這樣的好處是附著力低，在設置好機器內(nèi)的張力后，可顯著降低氣泡生產(chǎn)的固定方便，且該膜價格低廉，適用于大批量生產(chǎn)。圖2.1全自動貼膜設備2.3功率半導體的晶圓切割工藝晶圓切割則是封裝過程中非常重要的一步，因為晶圓非常的薄，它更容易受到重大的機械應力損傷，導致嚴重產(chǎn)品的可靠性問題和晶圓片的損壞。切割晶圓片的方法有激光切割、劃刀劈裂法或是金剛線切割等等，但最傳統(tǒng)切割方法是用刀片切割，這也是最常用的方法。下面，我將主要介紹金剛石劃片刀的切割原理及其影響。晶圓金剛石劃片切割時采用金剛石顆粒與粘結劑組成的刀片，金剛石顆粒作為切割時的磨粒被金屬鎳固定在刀體上，刀片按一定的速度的旋轉(zhuǎn)和進給，采用水為切削液，切割時金剛石顆粒凸起并與粘結劑形成一種稱作“容屑槽”的結構，對切割道材料進行鏟挖進而分割開來。金剛石劃片刀切割晶圓也會有大量的因素對切割質(zhì)量造成影響，包括材料，切割儀器，工作環(huán)境，切割方法以及其他人為因素等。第一，從材料的角度來看，每個原材料中的硅分子以不同的方式分布，而不同的電路材料在切割過程中產(chǎn)生形變也不同，從而產(chǎn)生不同的切割質(zhì)量。第二，選擇不同的切割設備也會影響切割質(zhì)量。新設備和舊設備的磨損程度可能因機器使用強度而異。在切割過程中，為了確保刀片不會被熱量所侵蝕，添加了冷卻水。冷卻水的消耗和壓力大小也是影響切割質(zhì)量的最重要因素之一，較小的壓力會造成冷卻效果欠佳，較大的壓力則會擊穿芯片。由于硅材料的熱傳導不良，在切割過程中積累的熱量無法及時釋放出來，這可能也會導致刀刃的崩口和撕裂，削弱了刀刃的切割能力，降低了切割的準確性，這也可能導致機器無法自動識別及時移除它，從而影響機器的切割效率。第三，合適的切割參數(shù)會影響切割進程，當確定好機器中預設的切割深度，刀片旋轉(zhuǎn)速度以及進給速度時，切割將會按預設步驟進行下去，適宜的參數(shù)就是保證獲得良好切割質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率的前提。最后就是環(huán)境和人為因素了，操作工今天的心情，新手老手與否，操作環(huán)境是否潔凈，冬夏溫度是否合適，都會對晶圓切割質(zhì)量產(chǎn)生影響。切割前后對比圖如下圖2.2、圖2.3所示。圖2.1晶圓切割前圖2.2晶圓切割后

3.功率半導體的自動焊接工藝自動焊接其實是自動組合和焊接的統(tǒng)稱，是采用錫膏作為焊接材料將芯片和銅片固定在框架上，形成電氣連接的過程。本次研究的是ASM自動焊接線上的設備（如圖3.1所示），是由固晶機1（AD838）、固晶機2（AD838）、固銅片設備（CB830）、焊接爐（RO830）設備連線組合而成，具有高精度和高速度等優(yōu)點。圖3.1自動焊接設備3.1自動焊接工藝的固晶設備固晶機1具有與固晶機2相同的功能，是將晶圓從藍色薄膜焊接到料片上的焊接裝置，主要由七個部分組成。一、配料部分:由抓料臂和放料臺組成，抓料臂將放料臺上的料片真空自動吸上導軌，實現(xiàn)自動放料的功能。二、點膠粘合部分:是由左點膠控制器和點膠頭和右點膠控制器和點膠頭組成，左右點膠頭分工，左點膠頭點料片下半部分焊盤上方，右點膠頭點料片上半部分焊盤上方，相互配合以提高速度（如圖3.2所示）。三、焊錫焊頭部分:利用真空吸力將晶圓上切割分離的芯片吸附到芯片焊盤上的預定位置，通過之前焊盤上的點膠固定芯片，完成芯片的焊錫。四、晶圓安裝部分:由帶晶圓安裝部分和頂針部分組成。晶圓安裝部分用來繃緊在晶圓上的藍色薄膜。，頂針部件的作用是在焊接頭吸藍膜上的芯片時將單顆芯片頂起來以實現(xiàn)芯片和藍膜分離。五、自動裝載晶圓片部分:是由晶圓片料盒放置臺和自動抓片臂組成，晶圓片料盒放置臺用于放置裝晶圓片的料盒，自動抓片臂的作用是在更換晶圓片時將晶圓片推回和拉進晶圓裝載部件中，以實現(xiàn)自動換料功能。六、導軌部分：由前后導軌和四個夾爪組成，前后導軌功能是用于固定焊接墊塊及傳遞料片。夾爪用于夾住料片向前傳遞。七、光學透鏡部分:由焊接光學透鏡和晶圓識別透鏡構成，焊接光學透鏡在焊接芯片之前識別芯片的焊盤并確定位置。晶圓識別透鏡在焊接頭插入芯片之前識別盤上的芯片，并確定芯片的位置。圖3.2點膠粘合部分3.2自動焊接工藝的固銅片設備CB830固銅片設備是在固晶機1和固晶機2已完成芯片焊接和焊腳點膠的情況下，繼續(xù)在芯片的表面點膠，然后由銅片焊接頭將銅片焊在芯片表面和連接腳上，以完成整個焊接過程，實現(xiàn)其電路連接。主要由五個部分組成:一、點膠頭粘合部分：同固晶機一樣，左右點膠頭分工，左點膠頭點料片前半部分芯片上面，右點膠頭點料片后半部分芯片上面，相互分工以提高速度。二、焊接頭部分：在芯片和連接腳上焊接銅片，以實現(xiàn)其電路連接。三、導軌部分：由前后導、四個夾爪、墊塊組成，前后導軌用于固定焊接墊塊及傳遞料片。夾爪用于夾住料片向前傳遞。墊塊功能（點膠墊塊和焊接墊塊組成）是托住料片。四、磨具部分：由磨具和銅片傳送部分組成，磨具功能是將卷裝在一起的銅片分離成單個的銅片，銅片傳送則是持續(xù)的傳遞銅片五、光學透鏡部分：焊接光學透鏡用于在焊接銅片前對料片的焊盤進行識別，找準焊接位置。3.3自動焊接工藝的焊接爐設備焊接爐是將固晶機1和固晶機2及固銅片設備已完成的材料進行烘烤，讓錫膏進行固化，并對錫膏里面的混合物進行分離掉，從而完成整個焊接的前道過程（如圖3.3所示）。主要由五個部分組成:一、進料部分是將CB830銅片焊接設備和焊接爐的爐膛的連接部分，用于傳遞料片。二、銅片卷傳送部分：是固定銅片卷和傳送銅片帶的部件，員工只需更換卷盤機器便能一直運行下去。三、焊接爐膛部分：焊接爐膛部分是將DA和CB完工的材料進行烘烤，以達到工藝要求，并分離出錫膏中的混合物。四、出料部分：出料部分是將通過焊接爐烘烤完成的材料收集到料盒的機構，以便于管理和材料的流通。五、排氣部分：排氣管路將通過焊接爐的材料所分離出來的氣體混合物輸送到回收設備，該設備是通過對混合物氣體進行電離，分離出固體混合物，并對電離過后的氣體進行過濾，以實現(xiàn)環(huán)保要求，然后通過外部抽氣管路將過濾后的氣體進行排放。圖3.3焊接爐設備3.4自動焊接工藝對功率半導體的影響通過對ASMX產(chǎn)線自動焊接工藝的研究，可得出良好的焊接過程，需要晶圓和引線框架粘結牢固，可以保持電性的一致，除了晶圓材料的選擇，優(yōu)質(zhì)的框架及焊接材料的使用，可使最后的產(chǎn)品獲得良好的熱學和電學特性，另外晶圓和框架的熱匹配性良好會使芯片和框架之間的應力達到最小，熱阻也會小并提高散熱性，在焊接的過程在惰性氣體的適當使用也很重要，可避免高溫下材料氧化，在實際的生產(chǎn)過程中一般會使用氮氫氣體。在自動焊接過程中，非常重視的問題是空洞不良，大的散熱焊盤在生產(chǎn)的過程在會出現(xiàn)較大的空洞，其阻礙熱傳導，從而造成功率器件的失效、降低功率器件的使用壽命。而導致空洞的原因是粘合劑錫膏的點錫，不同的錫膏會有不同的使用場景。對于空洞大小，雖然并沒有一定的工業(yè)標準，業(yè)界普遍的認知是：一般電子產(chǎn)品空洞面積的要求是25%以下，汽車電子希望控制在10%以下，而半導體封裝則要求更小的空洞，依客戶和產(chǎn)品需求的精度不同，有的客戶要求單孔小于1%，總孔小于5%。而隨著人們對環(huán)境保護的重視加深，包括功率半導體在內(nèi)的半導體封裝用材料以及封裝工藝都被要求綠色環(huán)保，大部分有鉛合金錫膏都逐步被無鉛錫膏取代。鹵素不僅具有致癌性，對內(nèi)分泌系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)都有不良影響，焊接后的鹵素殘留在熱分解過程中產(chǎn)生的氯離子還會對封裝中的金屬產(chǎn)生腐蝕。這種對功率器件的電氣電路，特別是對焊點的腐蝕，將會產(chǎn)生傳輸信號的負影響。

4.功率半導體的中段工藝及測試在自動焊接工藝結束后，功率半導體的生產(chǎn)進行到了中段工藝部分。這段工藝本質(zhì)是讓半導體成形，并使其產(chǎn)品性能更可靠。在中段工藝結束后，產(chǎn)品們會送去測試站測試電性。本章我會簡單的闡述一下中段工藝中各工序的作用，并介紹功率半導體的電性測試。4.1功率半導體的中段工藝當自動焊接結束后，這些材料會被送往清洗間清洗，清洗的主要目的是為了祛除自動焊接過程中產(chǎn)生的殘留和錫球。清洗完成后會送往成型間，主要是通過融化綠色環(huán)保低應力環(huán)氧注入到模具當中再將芯片及連接片組成的電路保護起來。在成型過程中，最重要的階段就是保壓階段，是持續(xù)施加壓力，壓實熔體，增加環(huán)氧密度，提高機械應力的一個過程。成型后的下一個階段是后固化，該過程是使成型后產(chǎn)品內(nèi)部環(huán)氧反應充分，形成穩(wěn)定的狀態(tài)，會采用高溫烘烤的方式，時間會從8小時到12小時不等。成型結束后會采用全自動化設備進行去膠切連筋，切除料片上產(chǎn)品間連筋，使電鍍時產(chǎn)品引腳能全部鍍上錫。切筋之后，產(chǎn)品會送往回流焊爐，進行260°高溫測試，目的是模擬客戶使用環(huán)境，惡化早期失效產(chǎn)品，使其能在測試被篩選出。回流焊完成后的良品會進入高速電鍍階段，主要是需要產(chǎn)品引腳電鍍上錫，增強產(chǎn)品引腳可焊性，在電鍍過程中要有EDI去殘膠，鍍層均勻，CPK>1.67。高速電鍍完成后，需立即進行退火處理，再次進行高溫烘烤1小時，祛除產(chǎn)品內(nèi)濕氣，確保產(chǎn)品管腳足夠烘干，防止錫須產(chǎn)生。最后是產(chǎn)品的整形采用HAMI全自動切筋整形設備，將材料從料片分割成單顆產(chǎn)品，同時完成管腳折彎成型。整形前后對比圖如下圖4.1、圖4.2所示。圖4.1整形前圖2.1整形后

4.2功率半導體的電性測試在中段工藝結束后，良品將會送到測試站進行測試，測試站將元件測試分類,激光打印并包裝，確保元件電性能和正確的銷售類型，整個過程中會使用高速度、高精度測試儀，一般稱為TMTT（測試、印字、分選、包裝）流程。在電性的數(shù)值上需要測試的有：一、最大整流電流If，If是指二極管長時間運行時允許通過的最大正向平均電流。在規(guī)定散熱條件下，若二極管的正向平均電流超過此值，將導致二極管先發(fā)熱，甚至燒毀。二、最大反向電壓Ur，Ur是指二極管工作時允許加的最大反向工作電壓，若超過此值，二極管有可能被反向擊穿而損壞，通常在Ur是二極管擊穿電壓Ubr的一半。三、反向電流Ir，Ir是指二極管未擊穿時的反向電流。此值越小，二極管的單項導電性越好，而Ir會測三次原因主要是因為Ir對溫度很敏感，在進行鐳射印字后需要進行復測，檢驗溫度是否損害了芯片內(nèi)部。四、最高工作頻率fm，fm是指二極管的工作頻率上限，外加電壓頻率超過此值時，由于結電容效應，二極管有可能失去單向?qū)щ娦?。測試完成后將還會進行人工外觀檢查，確保產(chǎn)品載覆帶和外觀無異常，但產(chǎn)品批次較多時，會進行隨機抽查，但良率低于一定數(shù)值時，會重新研究改批次，對于合格品會把產(chǎn)品裝入包裝盒并貼附正確標貼，需要注意的是在處理和搬運過程中防止物理或靜電損傷。至此功率半導體的工藝流程全部結束。4.3中段工藝與電性測試的探究在中段工藝中，大部分流程已摒棄了的人工作業(yè)，人工的缺點是費時費力，且產(chǎn)能不高，現(xiàn)在絕大多數(shù)采用的是全自動化設備，在各種前端配有自動監(jiān)控進出料，生產(chǎn)效率也得到了質(zhì)的提高，但仍有許多小問題，比如成型過程中，會采用環(huán)氧樹脂塑封材料封裝,這種材料阻燃,應力小,強度高,導熱性好，密封性好，可以保證半導體在大功率使用情況下具有良好散熱能力，且管體溫度低。不過實際的操作過程中，會因流速，溫控，殘留量的原因，導致氣孔的產(chǎn)生，在這一步卻沒有相應的質(zhì)檢設備進行品控，往往是在后期電性檢測階段才發(fā)現(xiàn)該段工藝出現(xiàn)問題，導致原材料的浪費。經(jīng)資料查詢，可通過SPEC（失效模式）導入分析，升級成型設備，使其與監(jiān)控系統(tǒng)連接，進一步解決這個問題。在測試的過程中，電路和芯片都已固定，避免器件發(fā)熱失效重要的途徑就是降低器件的熱阻。降低器件發(fā)熱量的三個途徑主要是：一、通過優(yōu)化電路，避免開關器件進入放大區(qū),減小器件上的功率消耗。二、降低器件的熱阻，即提高器件的散熱能力。三、提高器件的電流性能，降低飽和壓降。并且在測試中濕度和溫度不僅會影響機器的運轉(zhuǎn)還會影響被測芯片的電性參數(shù)，當此批被測產(chǎn)品良率發(fā)生異常時，需要及時開出異常隔離單，并對此次測試產(chǎn)品進行電性研究，找出問題的產(chǎn)生，避免問題的下次產(chǎn)生。

5.結論我國功率半導體存在巨大的供需缺口，國產(chǎn)替代迫在眉睫。近年來，我國功率半導體器件產(chǎn)業(yè)規(guī)模保持較快增長態(tài)勢，但在器件的生產(chǎn)制造和自身消費之間存在巨大缺口。作為全球最大的功率半導體器件消費國，我國功率半導體器件新品等產(chǎn)品仍大量依賴于外國供應商。功率半導體器件供應鏈的相對末端，產(chǎn)品以二極管、晶閘管、低壓MOSFET等低功率半導體器件為主，而在以新型功率半導體器件如MOSFET、IGBT、FRED、高壓MOSFET為代表的高技術、高附加值、市場份額更大的中高檔產(chǎn)品領域，國外企業(yè)擁有絕對的競爭優(yōu)勢，國內(nèi)市場所需產(chǎn)品大量依賴進口，與國外企業(yè)存在較大差距。且我國功率半導體以生產(chǎn)低端器件為主，在高端領域與國