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)雜多樣特性，指出了傳統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)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(cuò)方法在封裝設(shè)備可

2、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(jì)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(jì)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。m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(shí)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

3、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(gè)微米級精度的空間運(yùn)動(dòng)，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(shí)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

4、合面®劈刀下降到搜索高度®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(gè)步驟：劈刀下降到搜索高度圖1。引線鍵合基本工藝過程以上鍵合工藝過程是最為簡化的基本線弧類型，實(shí)際生產(chǎn)中的線弧往往具有更多的單元運(yùn)動(dòng)和更加復(fù)雜的協(xié)同時(shí)序。另外作為全自動(dòng)設(shè)備必不可少的部分，機(jī)器視覺的圖像采集-定位、物料傳輸?shù)纳狭?分度-夾持-下料都必須高速

5、、精密、可靠地運(yùn)行以保證整個(gè)鍵合工藝的順利完成。根據(jù)國際領(lǐng)先設(shè)備生產(chǎn)商引線鍵合機(jī)產(chǎn)品MTBA（平均協(xié)助間時(shí)間，指設(shè)備無人工干預(yù)獨(dú)立正常運(yùn)行的平均時(shí)間）大于4小時(shí)，實(shí)際運(yùn)行速度10線/秒以上估算，設(shè)備的鍵合故障率在十四萬分之一以下。也就是說，在設(shè)備持續(xù)高速精確焊線的過程中每完成十四萬根引線還不能發(fā)生一次第一鍵失敗、第二鍵失敗及短尾等鍵合故障。這樣超高精度和速度下的極高可靠性幾乎達(dá)到了機(jī)電設(shè)備的極限，對引線鍵合機(jī)的開發(fā)提出了前所未有的挑戰(zhàn)。設(shè)備的可靠性水平是用戶選擇的分水嶺，直接決定著產(chǎn)品的市場定位。當(dāng)前引線鍵合機(jī)全球市場的格局清晰地印證著這一規(guī)律。長期處于技術(shù)領(lǐng)先的美國K&S的產(chǎn)品是行業(yè)

6、內(nèi)公認(rèn)最為穩(wěn)定可靠的設(shè)備，一直占據(jù)著高端集成電路市場。全球的前幾大封裝企業(yè)如ASE（日月光）、SPIL（矽品）和ChipPAC（金鵬）等都和K&S形成了非常穩(wěn)固的采購關(guān)系，通常單一訂單的數(shù)量達(dá)到200到500臺之多。國內(nèi)代表性的封裝企業(yè)如江蘇長電和南通富士通等引線鍵合機(jī)也多數(shù)采購K&S的產(chǎn)品。香港ASM和日本Shinkawa（新川）、Kaijo等的產(chǎn)品近年來在技術(shù)上有很大進(jìn)步，許多性能指標(biāo)已經(jīng)和K&S十分接近，甚至成本和售價(jià)還低于K&S。而由于在可靠性上和K&S還存在著相當(dāng)?shù)木嚯x，這些公司產(chǎn)品的應(yīng)用多數(shù)還局限于以LED為主的分立器件、低端集成電路或本國市

7、場。這也充分證明了產(chǎn)品可靠性是封裝設(shè)備企業(yè)長期積累的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的集中體現(xiàn)，也是企業(yè)之間最難以跨越的差距。目前國產(chǎn)引線鍵合設(shè)備的鍵合故障率徘徊在千分之一附近，和國外先進(jìn)設(shè)備有著兩個(gè)數(shù)量級的巨大差異。在目前國產(chǎn)引線鍵合設(shè)備整機(jī)完成了從無到有的過程、關(guān)鍵技術(shù)取得了一定突破、性能指標(biāo)逐漸接近進(jìn)口設(shè)備的情況下，產(chǎn)品可靠性問題顯得尤其突出和緊迫。類似的情況也不同程度地體現(xiàn)在國產(chǎn)減薄機(jī)、劃片機(jī)和粘片機(jī)等集成電路封裝設(shè)備上?？煽啃詥栴}是國產(chǎn)封裝設(shè)備一直無法獲得主流生產(chǎn)線批量訂單的根本原因，是長期困擾國內(nèi)封裝設(shè)備行業(yè)的癥結(jié)，是制約國內(nèi)集成電路封裝裝備實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。可靠性問題是國產(chǎn)集成電路封裝設(shè)備產(chǎn)業(yè)化道路上

8、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)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(jì)可靠性設(shè)計(jì)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(jì)等常規(guī)設(shè)計(jì)方法被廣泛地用來減小設(shè)計(jì)對象失效的可能?；诟怕收摰拇?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(jì)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)包括從零件到部件再到子系統(tǒng)最后到整機(jī)結(jié)構(gòu)多個(gè)層次；電

9、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(jì)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(jì)方法幾乎不可能有效準(zhǔn)確地獲得整機(jī)的可靠性估計(jì)。其次，封裝設(shè)備中大量采用來自主流廠商的零部件如電機(jī)/驅(qū)動(dòng)、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(jì)方法

10、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(shí)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(dòng)和協(xié)同時(shí)序都準(zhǔn)確無誤，仍然可能因?yàn)楦咚龠\(yùn)動(dòng)下金屬絲送

11、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)致第一鍵失敗、第二鍵失敗及短尾等鍵合故障。這一類封裝設(shè)備工藝的可靠性問題可以總結(jié)為一個(gè)極敏感的多參數(shù)過程的參數(shù)識別和優(yōu)化的問題，滿足可靠性要求的參數(shù)窗口極其狹窄。這正是集成電路封裝設(shè)備可靠性有別于傳統(tǒng)設(shè)備可靠性的最突出特性，也是提高封裝設(shè)備可靠性的挑戰(zhàn)集中所在。傳統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)在這一挑戰(zhàn)面前完全束手無策，因?yàn)榧词钩霈F(xiàn)了生產(chǎn)線上完全無法接受的工藝失效，絕大多數(shù)情況下在傳統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)的意義上設(shè)備還是處于穩(wěn)定可靠運(yùn)行的理想狀態(tài)。III。新興虛擬樣機(jī)技術(shù)在過去的二、三十年當(dāng)中，隨著計(jì)算機(jī)軟硬件的迅猛發(fā)展，仿真技術(shù)發(fā)生了革命性的

12、變化。有限元等數(shù)值分析方法的能量被充分解放出來，廣泛地運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域并取得了顯著的效果。波音公司波音777飛機(jī)的全無紙化設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和通用汽車公司用于碰撞實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜精確全車虛擬模型都是充分利用仿真技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化的代表性范例。近年來以先進(jìn)的仿真分析技術(shù)為基礎(chǔ)提出了虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念，構(gòu)建產(chǎn)品樣機(jī)的完整數(shù)值模型并通過仿真分析進(jìn)行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化，在虛擬空間中形成設(shè)計(jì)-仿真-優(yōu)化的完整閉環(huán)。仿真技術(shù)在集成電路設(shè)備的設(shè)計(jì)當(dāng)中也得到了廣泛的應(yīng)用以改善設(shè)備的可靠性。圖2左圖顯示引線鍵合機(jī)超聲波換能器研制中使用有限元分析方法預(yù)測換能器的共振頻率及相應(yīng)模態(tài)形狀，以此為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化來獲得需要的

13、共振頻率、模態(tài)形狀及振幅。圖2右圖顯示引線鍵合機(jī)底座的設(shè)計(jì)中有限元方法被用來估計(jì)底座的共振頻率及相應(yīng)模態(tài)形狀，在此基礎(chǔ)上實(shí)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化來抑制可能發(fā)生的有害振動(dòng)。圖2。引線鍵合設(shè)備設(shè)計(jì)優(yōu)化中仿真技術(shù)的應(yīng)用圖3左圖顯示美國NovellusSystems公司在晶圓傳輸機(jī)械手的開發(fā)中運(yùn)用有限元分析方法計(jì)算晶圓和真空吸盤形變下壓力的分布以確保吸盤有足夠吸力的同時(shí)盡量減小晶圓的負(fù)荷1。圖3右圖顯示Novellus在反應(yīng)室的研制中采用非線性有限元方法求解晶圓在基座上冷卻過程中的溫度和應(yīng)力分布以保證晶圓的應(yīng)力水平在可接受的范圍內(nèi)1。圖3。NovellusSystems集成電路生產(chǎn)設(shè)備設(shè)計(jì)中仿真技術(shù)的應(yīng)用圖4左圖

14、顯示引線鍵合機(jī)運(yùn)動(dòng)控制算法的開發(fā)中采用的一種脫離實(shí)體設(shè)備和運(yùn)動(dòng)控制卡獨(dú)立運(yùn)行的算法實(shí)時(shí)仿真調(diào)試方法，圖4右圖是仿真調(diào)試方法計(jì)算出的運(yùn)動(dòng)控制算法控制下設(shè)備工作臺的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)2。實(shí)時(shí)仿真調(diào)試方法有助于提高復(fù)雜控制算法脫機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)試的效率，顯著縮短了算法開發(fā)的周期。圖4。引線鍵合設(shè)備運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中仿真技術(shù)的應(yīng)用仿真技術(shù)確實(shí)在集成電路設(shè)備的開發(fā)當(dāng)中發(fā)揮了重要的作用。對于局部、單一的零件或簡單系統(tǒng)，有限元等數(shù)值方法可以就其關(guān)鍵特性進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測，從而為提高設(shè)備的可靠性提供依據(jù)。然而與傳統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方法類似，集成電路封裝設(shè)備的復(fù)雜性和多樣性給新興虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)置了很大的局限。首先，數(shù)值分析方法在針對單

15、一、連續(xù)、完整的對象時(shí)能夠獲得有效的結(jié)果，而對于存在著多個(gè)不同對象間交互作用的場合卻很難處理。以機(jī)械系統(tǒng)為例，有限元方法可以準(zhǔn)確有效地計(jì)算單一零件如XY工作臺滑塊的共振頻率、模態(tài)形狀等動(dòng)態(tài)特性，但滑塊與導(dǎo)軌、滾柱和底座等一起組成XY工作臺系統(tǒng)時(shí)，對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的預(yù)測卻有很大的困難。導(dǎo)軌和滾柱之間的界面是問題的焦點(diǎn)。界面間動(dòng)態(tài)的應(yīng)力應(yīng)變及接觸發(fā)生/脫離判斷都是難于求解的典型非線性問題，整個(gè)工作臺系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析是一個(gè)數(shù)值方法難以有效解決的復(fù)雜柔性多體動(dòng)力學(xué)問題。在實(shí)際仿真分析應(yīng)用中經(jīng)常采用一些簡化的處理方法來緩解界面分析的難度。預(yù)載條件下導(dǎo)軌和滾柱之間的界面作為高剛度、壓縮狀態(tài)下的彈簧來建模。

16、在一些理想狀態(tài)下處于面接觸的界面，例如引線鍵合機(jī)超聲波換能器變幅桿和劈刀間的界面，有限元分析中通常采用將分析對象結(jié)合成為一個(gè)連續(xù)的整體從而消除對象間界面的處理方法。這樣的簡化方法不僅一些仿真模型的關(guān)鍵參數(shù)，如代表導(dǎo)軌界面的彈簧的剛度，需要從實(shí)體樣機(jī)中實(shí)測獲得，而且分析結(jié)果最終的準(zhǔn)確性也需要實(shí)體樣機(jī)的確認(rèn)，大大削減了仿真分析方法在不建造實(shí)體樣機(jī)的前提下為設(shè)計(jì)提供依據(jù)的意義。其次，目前仿真分析方法的有效和成熟性主要局限在單一物理場的范圍內(nèi)。在單一的固體力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)和流體力學(xué)等物理場中都形成了一套系統(tǒng)完整有效的建模和求解的方法，而多種物理場并存的耦合問題仍然是極大的挑戰(zhàn)。集成電路封裝設(shè)備整機(jī)中

17、機(jī)械、電路、光學(xué)、電磁等多種物理系統(tǒng)高度集成和緊密交互的狀態(tài)使仿真分析方法對集成電路封裝設(shè)備進(jìn)行完整有效的建模和分析仍然無法實(shí)現(xiàn)。最后，有限元分析為代表的仿真方法的本質(zhì)在于以巨量的離散單元來極度趨近仿真的對象，對應(yīng)著硬件/軟件和分析時(shí)間的巨大開銷。這決定了在實(shí)際使用這些方法時(shí)如果不加區(qū)別地應(yīng)用到設(shè)備的整體，將導(dǎo)致過于龐大復(fù)雜的模型，對模型求解所需的硬件/軟件、人力和時(shí)間資源都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出工業(yè)實(shí)際允許的范圍。而在設(shè)備復(fù)雜的體系中分辨需要分析的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建立可行有效的仿真模型又必須基于長期積累的大量實(shí)體樣機(jī)測試驗(yàn)證的經(jīng)驗(yàn)。仿真方法只能作為一種高度依賴于實(shí)體樣機(jī)測試的輔助方法而存在。在以上數(shù)值仿真方法局

18、限性取得實(shí)質(zhì)性突破之前，通過基于仿真分析方法的虛擬樣機(jī)技術(shù)建立全面真實(shí)代表集成電路封裝設(shè)備整機(jī)運(yùn)行狀況的虛擬模型并進(jìn)行準(zhǔn)確有效的設(shè)備可靠性分析和優(yōu)化還只能是與現(xiàn)實(shí)存在巨大差距的理想。IV。國產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)線運(yùn)行可靠性分析生產(chǎn)線上的實(shí)際運(yùn)行記錄最能揭示集成電路封裝設(shè)備可靠性的內(nèi)在規(guī)律。表1是根據(jù)國產(chǎn)引線鍵合設(shè)備在用戶生產(chǎn)線上運(yùn)行4個(gè)月的原始故障記錄整理出的可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。把設(shè)備運(yùn)行中代表性的59個(gè)可靠性問題分為23個(gè)大類和A、B、C三種類型，在表中分別列出了每一大類問題的示例、數(shù)量和類型。類型A的問題可以完全在設(shè)計(jì)階段通過設(shè)計(jì)和仿真工具的運(yùn)用得到解決；類型B的問題的解決需要設(shè)計(jì)仿真工具充分結(jié)合從實(shí)體

19、樣機(jī)中獲得的關(guān)鍵信息并在實(shí)體樣機(jī)上得到驗(yàn)證；類型C的問題無法借助設(shè)計(jì)仿真工具預(yù)先解決或改善而必須完全依靠實(shí)體樣機(jī)的測試-優(yōu)化循環(huán)來解決。表1。國產(chǎn)引線鍵合設(shè)備生產(chǎn)線運(yùn)行情況統(tǒng)計(jì)國產(chǎn)設(shè)備可靠性問題第一個(gè)突出的特點(diǎn)是碰撞/干涉、位置/尺寸正確性、結(jié)構(gòu)/布局合理性等完全可以在設(shè)計(jì)階段避免的問題大量存在，在所有問題中占有47%的高比例，國產(chǎn)設(shè)備在設(shè)計(jì)上確實(shí)存在著很大的不足。這部分問題可以通過細(xì)致的設(shè)計(jì)規(guī)范和周密的設(shè)計(jì)流程管理得到迅速顯著的改善。機(jī)械/電氣功能正確性、機(jī)械結(jié)構(gòu)抗振/健壯性等問題需要設(shè)計(jì)仿真工具與實(shí)體樣機(jī)實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)緊密結(jié)合來解決并最終在實(shí)體樣機(jī)上得到驗(yàn)證。這一類問題在問題總量中也占有3

20、6%的較高比重。鍵合工藝可靠性和電氣信號完整性等問題必須完全通過在實(shí)體樣機(jī)上的測試-分析-優(yōu)化循環(huán)來解決。這一類問題在三類問題中數(shù)量最少，只占問題總數(shù)的17%，但卻真正決定著國產(chǎn)設(shè)備在可靠性上與國際主流設(shè)備的巨大差距。解決這些問題需要在物力、人力和時(shí)間各方面付出的成本也是最高的。而都需要實(shí)體樣機(jī)測試的B類和C類問題一共占問題總數(shù)的53%，超過了可以脫離實(shí)體樣機(jī)的A類問題，這也印證了實(shí)體樣機(jī)建造在集成電路封裝設(shè)備開發(fā)中的重要地位。V。契合工業(yè)實(shí)踐的集成電路封裝設(shè)備可靠性改善方法基于以上的分析重點(diǎn)針對國產(chǎn)集成電路封裝設(shè)備設(shè)計(jì)階段的缺陷以及與國際主流設(shè)備在可靠性上的巨大差距提出封裝設(shè)備可靠性的改善方

21、法。首先，緊密結(jié)合集成電路封裝設(shè)備的特性建立詳細(xì)的設(shè)計(jì)規(guī)范和嚴(yán)密的設(shè)計(jì)管理流程，盡最大可能消除碰撞/干涉等問題，保證尺寸/位置的正確性和結(jié)構(gòu)/布局的合理性。從根本上彌補(bǔ)國產(chǎn)設(shè)備在設(shè)計(jì)上的不足。其次，建立包括應(yīng)力/應(yīng)變、模態(tài)分析、溫度/傳熱等的仿真分析和優(yōu)化方法。與實(shí)體樣機(jī)充分結(jié)合，修正仿真模型參數(shù)并驗(yàn)證仿真結(jié)果。對實(shí)體樣機(jī)上的測試結(jié)果進(jìn)行總結(jié)歸納以不斷補(bǔ)充完善優(yōu)化方法和設(shè)計(jì)規(guī)則。最后，構(gòu)建充分、嚴(yán)密和系統(tǒng)的批量實(shí)體樣機(jī)測試和優(yōu)化體系。大量有序的實(shí)體樣機(jī)測試驗(yàn)證是克服傳統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)及新興虛擬樣機(jī)技術(shù)局限性的唯一方法，也是彌合國產(chǎn)封裝設(shè)備與國際主流設(shè)備之間巨大差距的必經(jīng)途徑。實(shí)體樣機(jī)測試驗(yàn)證一直是

22、國際各主流集成電路設(shè)備制造商大量使用的可靠性提升方法，具有無可替代的地位。批量實(shí)體樣機(jī)測試也是設(shè)備一致性改善的實(shí)用有效方法。在美國應(yīng)用材料公司，應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室和客戶在樣機(jī)使用中的問題識別及相應(yīng)的問題糾正措施是與系統(tǒng)建模和可靠性參數(shù)設(shè)計(jì)并列的產(chǎn)品可靠性實(shí)現(xiàn)方法3。開發(fā)了一種在樣機(jī)連續(xù)24小時(shí)運(yùn)行中跟蹤設(shè)備可靠性的方法，建立運(yùn)行狀況數(shù)據(jù)庫便于設(shè)備可靠性的長期分析和預(yù)測4。國際領(lǐng)先引線鍵合設(shè)備廠商對批量樣機(jī)測試驗(yàn)證方法非常重視，投入大量的資源。表2是國際領(lǐng)先引線鍵合設(shè)備廠商在產(chǎn)品研發(fā)的不同階段建造的實(shí)體樣機(jī)的用途和數(shù)量。表2。國際領(lǐng)先引線鍵合設(shè)備廠商實(shí)體樣機(jī)用途和數(shù)量批產(chǎn)驗(yàn)證的流程進(jìn)行。每一階段都建造相

23、當(dāng)數(shù)量的樣機(jī)供充分測試并根據(jù)測試結(jié)果和分析對設(shè)計(jì)進(jìn)行修正，同時(shí)與用戶密切結(jié)合，把設(shè)備上線資格測試嵌入到完整的產(chǎn)品測試流程中。在產(chǎn)品開發(fā)各階段建造的樣機(jī)總數(shù)達(dá)到45臺，幾乎相當(dāng)于國內(nèi)設(shè)備企業(yè)成熟產(chǎn)品一年的產(chǎn)量。這種驚人的區(qū)別正是造成國產(chǎn)封裝設(shè)備與國際主流產(chǎn)品可靠性上巨大差別的根本原因。對于在成熟產(chǎn)品平臺上進(jìn)行重大改進(jìn)的設(shè)備國際主流廠商在研發(fā)過程中建造了45臺樣機(jī)，而從無到有全新開發(fā)的國產(chǎn)設(shè)備批量生產(chǎn)前制造的樣機(jī)通常只有2到3臺。這種樣機(jī)驗(yàn)證上投入的嚴(yán)重不足有資源限制的原因，但更多來自觀念和意識的落后。國產(chǎn)設(shè)備企業(yè)實(shí)際上把產(chǎn)品開發(fā)最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)推到了批量生產(chǎn)階段，大量可靠性不合格的產(chǎn)品發(fā)往用戶后把

24、生產(chǎn)線變成了設(shè)備的測試驗(yàn)證場所。嚴(yán)格的產(chǎn)品故障分析和設(shè)計(jì)改進(jìn)體系的缺失又造成設(shè)備在生產(chǎn)線上暴露的問題長期得不到有效徹底的解決，同時(shí)給用戶和設(shè)備企業(yè)造成了巨大的損失。®試產(chǎn)驗(yàn)證®設(shè)計(jì)驗(yàn)證®工程驗(yàn)證®國際主流廠商的產(chǎn)品開發(fā)嚴(yán)格按照可行性通過測試-優(yōu)化不斷循環(huán)的方法來提高集成電路封裝設(shè)備可靠性的可行性是基于以下兩個(gè)基本的前提：設(shè)備中存在的可靠性問題是有限集合；每次測試-優(yōu)化循環(huán)都導(dǎo)致現(xiàn)有可靠性問題的解決而且不引入新的問題。為了保證這兩個(gè)前提的成立，首先要建立持續(xù)一貫的產(chǎn)品平臺，在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中盡量采用前期積累的穩(wěn)定技術(shù)單元，避免大量引入新方案、新技術(shù)而造成問題激

25、增。其次需要準(zhǔn)確高效的故障捕獲和問題識別/分析手段，保證迅速正確地發(fā)現(xiàn)樣機(jī)測試中顯露的問題并找到原因。最后必須建立受控有序的根據(jù)測試結(jié)果和分析對設(shè)計(jì)進(jìn)行修正并不斷循環(huán)的機(jī)制，確保已發(fā)現(xiàn)的問題得到徹底解決的同時(shí)不引入新的問題。以上是緊扣國內(nèi)現(xiàn)狀、契合工業(yè)實(shí)踐的有效可行的集成電路封裝設(shè)備可靠性改善方法。VI。結(jié)論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)備尤其是封裝設(shè)備的可靠性提出了極高的要求。封裝設(shè)備的可靠性水平直接決定著產(chǎn)品的市場定位，是封裝設(shè)備企業(yè)長期積累的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的集中體現(xiàn)，也是企業(yè)之間最難以跨越的差距?？煽啃詥栴}是國產(chǎn)封裝設(shè)備一直無法規(guī)?；鋫渲髁魃a(chǎn)線的癥結(jié)所在，是制約國內(nèi)集成電路

26、封裝裝備實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的瓶頸。在可靠性上填補(bǔ)與國際主流設(shè)備之間的巨大差距較前期完成可行性樣機(jī)的開發(fā)和實(shí)現(xiàn)單一關(guān)鍵技術(shù)的突破遠(yuǎn)為復(fù)雜和艱巨。封裝設(shè)備中存在著的大量多層次架構(gòu)和多種物理量共存的狀態(tài)使傳統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)方法顯現(xiàn)出了極大的局限性。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。封裝設(shè)備工藝的可靠性問題可以總結(jié)為一個(gè)極敏感的多參數(shù)過程的參數(shù)識別和優(yōu)化問題，這正是集成電路封裝設(shè)備可靠性有別于傳統(tǒng)設(shè)備可靠性的最突出特性，也是提高封裝設(shè)備可靠性的挑戰(zhàn)集中所在。傳統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)在這一挑戰(zhàn)面前完全無能為力。仿真技術(shù)在集成電路設(shè)備開發(fā)的局

27、部、單一零件或簡單系統(tǒng)的分析和優(yōu)化中發(fā)揮了重要的作用。仿真技術(shù)對于存在著多個(gè)不同對象間交互作用的場合很難處理。多種物理場并存的耦合問題對仿真技術(shù)也是極大的挑戰(zhàn)。仿真方法巨量資源占用的特性決定它只能作為一種高度依賴于實(shí)體樣機(jī)測試的輔助方法而存在。在數(shù)值仿真方法局限性取得實(shí)質(zhì)性突破之前，通過基于仿真分析方法的虛擬樣機(jī)技術(shù)建立全面真實(shí)代表集成電路封裝設(shè)備整機(jī)運(yùn)行狀況的虛擬模型并進(jìn)行準(zhǔn)確有效的設(shè)備可靠性分析和優(yōu)化還只能是與現(xiàn)實(shí)存在巨大差距的理想。國產(chǎn)引線鍵合設(shè)備在用戶生產(chǎn)線上運(yùn)行的可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上存在很大不足。需要借助實(shí)體樣機(jī)測試來解決的可靠性問題占問題總數(shù)的53%，超過了可以脫離實(shí)體樣機(jī)