半导体工艺思考与练习题答案.doc

职业院校理论实践一体化系列教材（光电子技术专业）半导体光电器件封装工艺思考与习题答案总主编：陈振源 主 编：战瑛张逊民Publishing House of Electronics Industry北京 BEIJING半导体光电器件封装工艺思考与习题答案项目一 了解光电器件封装规范任务一了解光电器件的封装工艺环境（1） 半导体光电器件封装的作用有哪些？ 解答：半导体光电器件封装的作用：确保半导体芯片和电路之间正确的电气和机械性的互相连接，保护芯片不让其受到机械、热、潮湿及其它种种的外来冲击，以防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而造成电气性能下降。同时，更便于安装和运输。（2） 半导体光电器件封装工艺环境应该如何？工艺环境都在哪些方面有要求呢？解答：半导体光电器件封装应在十万级到万级的净化车间中进行，同时应控制温度为1727，相对湿度为3075%，工艺全程采用静电防护措施。（3） 衡量光电器件封装好坏与否的标准是什么？解答：衡量光电器件封装的质量标准：封装好的器件的发光角度优于单颗的芯片，器件的芯片面积与封装面积之比接近1，封装后的器件可靠性高。任务二光电器件封装安全性的认识（1） 半导体封装过程中哪些操作或环节容易产生静电？如果不及时将静电释放，会对半导体光电器件有何危害？解答：半导体器件在制造、测试、存储、运输及装配过程中，仪器设备、材料及操作人员都很容易因磨擦而产生几千伏的静电电压。当器件与这些带电体接触时，带电体就会通过器件放电，产生很高的静电电压，这个电压会产生一个强电场击穿器件内部的一些绝缘体或PN结产生放电现象，瞬间电流足以造成半导体器件的热破坏，进而导致器件的失效。（2） 在光电器件封装工艺中为什么要做静电防护的工作？解答：静电的累加能够对光电器件直接造成破坏性的损伤，要么间接对器件造成潜在的电路危害以致半导体器件在后期使用过程中出现各种可靠性问题，因此在整个工艺过程中都要做静电防护的工作。（3） 在整个光电器件封装工艺过程中应该采取如何措施避免静电对器件的危害？解答：半导体光电器件的生产环境中要有严格的防静电措施，包括尽量在净化车间内进行工艺操作，在普通车间工艺操作时，也要保证车间内的地板、墙壁、桌、椅等都要有防静电功能，并要配备离子风机、离子风枪等静电消除设备。操作人员在整个操作工艺过程中要穿上防静电服、防静电手套、防静电鞋、防静电手环等。任务三了解光电器件封装过程中安全防护（1） 请列举几种光电器件封装中常用物品的防静电技术指标要求。解答：具体参照表1-2中对常用物品的防静电技术指标要求。（2） 请列举三种半导体光电器件封装中常用的静电消除设备。解答：离子风机、离子风枪、人体静电消除球、离子风棒等。（3） 请列举三种半导体光电器件封装中常用的静电测试设备。解答：静电测试仪、静电手腕带测试仪、人体综合测试仪、手腕带在线监测仪等。（4）请列举五种半导体光电器件封装中采取的防静电措施。解答：穿着防静电服、穿着防静电鞋、戴防静电帽、带防静电口罩、使用防静电无尘布、使用静电消除设备如离子风机等随时去除静电、佩戴防静电手环、使用导静电桌垫等。项目二 学习扩晶工艺任务一识别芯片信息（1） 请选择一张芯片，通过芯片后的标签来识别芯片的基本信息。解答：指导教师可以购买相应的芯片，通过芯片标签指导学生来识别芯片的基本信息。（2） 芯片应该如何存放？解答：芯片应存放于普通电子干燥箱。干燥箱的温度应该控制在室内的温度，约2030左右，湿度不易大于40。 任务二扩晶工艺的学习（1） 扩晶机在使用过程中有什么要注意的问题？解答：扩晶机在使用时要注意其加热台在加热后容易烫伤。此外，扩晶机的使用要配合压缩空气，因此在使用前应确保气体的压力没有超过扩晶机本身的压力值。（2） 为什么要对芯片进行扩晶操作？解答：在手动封装工艺流程中，为方便的手动装架工艺的操作，装架背胶或是装架点胶前需将芯片先进行一步额外的准备工作，就是将芯片与芯片之间的距离扩大。（3） 扩晶工艺对要扩晶的芯片有什么要求？解答：扩晶的芯片要求：需要扩晶的芯片不宜过大，绷片后芯片不能到达边缘。（4）扩晶后对芯片与芯片之间间距的要求多大？解答：扩晶后为了方便后续刺晶工艺的操作，要求扩晶后的芯片与芯片之间的距离d是芯片大小的0.52.5倍左右。（5）扩晶工艺进行前，为什么要进行翻膜操作？解答：为了减少扩晶过程中对芯片边缘的芯片的损耗，减少了后期背胶工序的背胶面积，降低了工序难度。（6）扩晶过程有哪些环节会产生静电？如何避免？解答：人体的磨擦会产生静电，避免方法是佩戴防静电手环。分离芯片保护膜时会产生静电，避免的方法是在分离芯片保护膜时尽量慢，且要对着离子风机。取下扩晶好的芯片时会产生静电，带防静电手套。任务三芯片的镜检（1） 为什么要对生产的芯片进行镜检？解答：对产品进行必要的筛选，通过对芯片的电、光、色、热等参数的测试，剔除废品和次品，提高产品的可靠性和一致性。（2）半导体光电器件产业中，有哪些产品分选的方法？解答：目前光电器件的测试分选可在两个阶段进行：一是以芯片为基础的测试分选，二是对封装好的器件进行测试分选。（3）请说出单面电极芯片与双面电极芯片有哪些区别。解答：单面电极芯片的正负电极位于芯片的同一面上，因而封装时使用的粘结胶可以使用绝缘胶。双面电极芯片正负电极位于芯片的两个面上，负电极所在的芯片面也起着导电的作用，因而封装时使用的粘结胶要具有导电的性能。项目三 学习装架工艺任务一 选择装架材料及认识装架设备（1） 半导体光电器件的封装工艺中为什么要进行装架操作？解答：装架也叫固晶、刺晶，是用粘结胶通过加热烧结的方法使芯片牢固的粘结在支架（或PCB板）上，起到固定芯片的作用，对于双面电极的芯片，装架还有一个目的就是使芯片背面电极与支架形成良好的欧姆接触。（2） 半导体发光二极管封装工艺中装架时应该选择什么样的粘结材料？解答：粘结材料除了起到固定芯片作用以外，还要求其在导电、导热、吸潮等方面也能起到一定的作用。性能优异的导电胶不仅要求其粘结能力强，而且要求其导电、导热性好，剪切强度大，流变性好，并且吸潮性好。（3） 封装工艺中使用的粘结胶应该在何环境下贮存？使用前应该对粘结胶进行何种处理？解答：不同厂家、不同类型的粘结胶其贮存和使用的条件也是有不同要求的，粘结胶通常要在低温环境下保存，在使用时要提前一定的时间从冰箱中取出恢复到常温状态（即醒料），才能正常使用。（4） 为什么在装架结束后要进行烧结操作？解答：要使粘结胶达到粘结的效果，在装架工艺结束后，必须按照材料的性质进行必要的烧结，才能使得粘结胶固化，芯片才会更牢固地与支架固定，为进行下一步的键合工作做好准备。（5） 点胶工艺与背胶工艺各有什么优缺点？应该注意什么？解答：点胶和背胶工艺的目的都是为了涂敷粘结胶，不同的是，背胶可以更快地将胶涂敷到芯片的背面，但是背胶不容易控制胶面的厚度及平整度，点胶尽管比较慢，但是更容易相对精准的控制点胶点及点胶量。（6） 点胶工艺与背胶工艺过程中如不慎在皮肤上沾上了粘结胶应该如何处理？解答：在工艺过程中如不慎在皮肤上沾上了粘结胶，应该立即先用酒精清洗后再用大量的清水冲洗。（7） 如何避免背胶过程中掉片、反片等不良情况的产生？解答：背胶过程要保证胶量要适量，匀胶时要保证胶体均匀，同时在背胶时不要让芯片与胶体长时间接触，背胶过程尽量一次完成，不要多次重复，这些措施都可以有效避免背胶过程中掉片、反片等不良情况的产生。任务二 了解装架工艺过程及技术要求（1） 装架工艺有什么技术要求？解答：装架工艺对支架及PCB板外观、装架后单芯片外观、粘结胶高度、位置等都有严格的技术要求。（2） 装架后合格芯片外观应该如何？解答：从显微镜下观察，装架后芯片电极要清晰完整，芯片电极及芯片表面要无损伤、碎片，芯片表面无沾胶、背部无蓝膜残余，芯片保持平整不倾斜等。（3） 装架过程中，对粘结胶的高度有什么要求？解答：在装架过程中对粘结胶高度的具体要求是：在芯片的周围至少三个面可以看到胶,胶的高度h大约为1/41/2芯片的厚度H。（4） 画出一个合格的装架效果图。解答：合格的装架效果图如图所示：（5） 如何在手动刺晶过程中有效进行刺晶操作？解答：A.装架时不要过于用力，避免将芯片保护膜刺破。B.芯片价格昂贵，要注意耗材不要浪费。C.在刺晶笔点下时，可以带动刺晶笔打逗号状，可更有效的进行刺晶。D.刺晶时，挑选刺晶芯片的顺序通常是从左到右，从上到下，逐粒芯片来刺，避免不必要的浪费。任务三装架良次品判别及不良情况的分析与改进（1） 为什么在装架过程中要控制粘结胶的高度？解答：粘结胶过少会导致装架不牢、芯片易掉落等情况，而粘结胶过多则会出现表面不洁、爬胶、短路等现象，因此装架过程要控制粘结胶的高度。（2） 如何解决粘结胶高度不符合工艺要求的情况？解答：如进行背胶工艺，则需要调整匀胶前的胶量及均匀度，如进行点胶工艺，要调节点胶的气压有胶量大小。（3） 在装架结束后为什么要进行检查？解答：装架过程若不能严格按照要求进行，就会出现装架失效的情况，而装架失效会影响后期键合工艺的进程，因此装架结束后进行检查。（4） 列举五种装架失效模式，并写出其处理方法。解答：请参阅表3-7。（5） 有哪些措施可以有效的控制装架失效情况的发生？解答：在装架过程中严格按照装架的技术要求进行工艺操作，装架后要及时检查，若出现装架不合格的情况，不要放任不合格产品流入下步工序，要及时补救和调整，这些措施可以有效的控制装架失效情况的发生。项目四 学习引线焊接工艺任务一 选择焊线材料及认识引线焊接设备（1） 在半导体光电器件封装工艺中，为什么要进行引线焊接？解答：引线焊接又叫键合或压焊，通常是采用热超声键合工艺，利用热及超声波, 在压力、热量和超声波能量的共同作用下，使焊丝焊接于芯片上的焊垫及导线架或基板的焊垫上, 使焊丝在芯片电极和外引线键合区之间形成良好的欧姆接触，完成芯片的内外电路的连接工作，使芯片与产品引脚形成良好的电性能。（2） 发光二极管封装引线焊接时应该选择什么样的焊线材料？为什么没有选择银作为焊线材料呢？解答：发光二极管封装引线焊接所使用的焊线材料，要求其导电、导热能力及材料的延展性都有较佳的性能。尽管银在导热、导电、延展性方面有着无与伦比的优势，但是因为银在自然界的含量少，价钱偏高，并且银易于氧化，化学性能不稳定，所以，目前工业上很少使用银作导线。（3） 半导体发光器件在做引线焊接工艺时使用什么样的设备？解答：光电器件的封装所使用的引线焊接设备也叫键合机或焊线机，为了适应大规模产业化的需求，现在的封装企业多采用自动键合机。（4） 金丝球焊和铝丝焊机有什么差别？解答：金丝球焊机和铝丝焊线机除了在外形上不同外，所使用的焊线也不同，不同的焊线材料也使得它们的工艺操作流程有区别，对于金丝球焊机而言，在进行压焊操作前，要先进行烧球这一工艺，而铝丝焊机则无此需要。任务二 学习引线键合工艺（1） 在半导体光电器件封装工艺中为什么要进行引线焊接？它有什么作用？ 解答：引线焊接又叫键合或压焊，通常是采用热超声键合工艺，利用热及超声波, 在压力、热量和超声波能量的共同作用下，使焊丝焊接于芯片上的焊垫及导线架或基板的焊垫上, 使焊丝在芯片电极和外引线键合区之间形成良好的欧姆接触，完成芯片的内外电路的连接工作，使芯片与产品引脚形成良好的电性能。（2） 按焊线形式分，键合工艺可分为哪几类？封装企业常用哪一种？解答：从焊线形式上来划分，键合可分为热压焊、超声楔型焊接、热超声球焊三种。封装企业常用自动热超声球焊工艺。（3） 简述金丝球焊工作流程。解答：超声金丝球焊工艺过程可简单表示为：烧球一焊拉丝二焊断丝烧球。（4） 金丝球焊和铝丝焊机的工作流程有什么差别？解答：铝丝压焊的过程是先在LED芯片电极上压上第一点，再将铝丝拉到相应的支架上方，压上第二点后扯断铝丝。金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球，其余过程同铝丝焊类似。（5） 劈刀和瓷嘴有什么区别？它们通常分别用在哪个设备上？使用时应该注意什么问题？解答：陶瓷劈刀：也叫瓷嘴，常用于金丝焊线机中，控制出线方向，并对器件进行压焊操作。瓷嘴的出线口是圆形的，进线口在其顶部，在穿丝时可以看到，其走线方向可以四周方向。劈刀：也叫钢嘴，常用于铝丝焊线机中，控制出线方向，并对器件进行压焊操作。钢嘴的出线口位于劈刀的背面，进线口是孔状，在穿丝时不可见，其走线方向从线孔到出线口呈45度角，走线只能在特定方向。（6） 引线焊接工艺有什么技术要求？解答：引线焊接工艺对材料、键合位置、键合焊点形状及尺寸、焊线走向、键合拱丝弧线、键合产品表观等有着严格的技术要求，具体参见“键合技术要求及注意事项”一节。（7） 合格的引线焊接的外观如何？解答：键合产品应该做到无多余焊丝、无掉片、无损坏芯片、无压伤电极。键合后键合区表面无残留小段焊丝、无芯片残渣残留。焊线的第一焊点、芯片电极及第二焊点的键合区域清洁，无明显的污物，并与键合区结合良好，用镊子轻触焊点无松动现象，将焊点刮掉后电极或键合区应有明显的超声键合的痕迹或焊丝残留。（8） 画出一个合格的引线焊接效果图。解答：合格的引线焊接效果图如图所示：任务三键合良次品判别及不良情况的分析与改进（1） 有哪些原因会引起键合频繁失线？解答：A、金丝被污染或金丝品质异常。B、线夹不清洁或是劈刀已经到使用寿命。C、焊线机参数设定不良，参数太小等情况。D、引线框架不平整或表面不洁。（2） 写出引起键合掉片的几种原因。解答：A、芯片下的胶异常。B、引线框架电镀层表面有油污导致胶与电镀层黏接不良。（3） 列举5种焊接失效模式，并写出其处理方法。解答：请参阅表4-6。（4） 在键合工艺过程中可通过控制哪些环节来避免键合失效模式？解答：在键合过程中严格按照键合的技术要求进行工艺操作，键合后要及时检查，若出现键合不合格的情况，不要放任不合格产品流入下步工序，要及时补救和调整，这些措施可以有效的控制键合失效情况的发生。项目五 学习器件封装工艺任务一选择封装材料及认识封装设备（1） 对半导体光电器件进行封装的目的是什么？解答：光电器件的封装，是利用特定的封装材料将整个光电器件管芯保护起来，完成整个管芯的电路连接保护并改善整个器件的光路，既维护了器件本身的气密性，又保护了器件不受周围环境中湿度与温度的影响，同时防止电子组件受到机械振动、冲击产生破损而造成组件特性的变化。同时，封装还可以达到想要形状与造型。（2） 在进行半导体发光器件封装工艺中要额外进行哪些结构设计？解答：在一些发光的光电器件封装中，封装过程还要进行必要的光学设计和散热设计，以提高器件的发光效率及器件寿命。（3） 目前光电器件封装所使用的胶体材料是哪种？它有什么优点和缺点？解答：半导体产品的封装大部分采用的是环氧树脂和硅胶，具有的一般特性包括：成形性、耐热性、良好的机械强度及电器绝缘性。但环氧树脂容易老化。（4） 目前企业常用的封装方法有哪几种？解答：目前企业常用的封装工艺有点胶封装、灌胶封装、模压封装三种形式。（5） 为什么大功率的半导体发光器件的封装不使用环氧树脂这种封装材料？解答：大功率的LED封装多用的是硅胶，而少用环氧树脂，因为环氧树脂的热膨胀系数不好，在紫外线照射下稳定性不理想，过高的温度还会使环氧树脂变黄变污。（6） 根据灌胶封装工艺操作原理，如果没有灌胶封装操作设备的话可以用哪些设备来代替呢？解答：玻璃烧杯、玻璃棒、托盘、一次性针管、模具、铝船（或模架）、环氧树脂（A、B胶）等设备可以代替灌胶封装操作设备。任务二学习封装工艺（1） 光电器件封装过程中哪些过程会造成产品损害的情况，应该如何避免？解答：封装固化完毕后离模过程中如果不容易脱模会造成损伤（2） 灌胶过程中哪几步工艺过程容易产生气泡？应该如何避免？解答：配胶过程中如果胶的A、B部没有均匀容易产生气泡灌胶过程中如果速度过快也容易产生气泡插支架的过程中如果直接插入，也会产生气泡（3） 封装材料应该如何保存？解答：按照材料的性质及要求保存，通常是要避光、密封，开封后要尽快使用。（4） 如在封装固化完毕后离模很困难应该如何解决？解答：可以轻摇，轻拔取出，如果确实难以离模可以喷洒脱模剂。任务三封装良次品判别及不良情况的分析与改进（1） 哪些工艺过程会造成封装失效？应该如何避免？解答：封装时如果不注意除尘，封装后容易出现杂质灌胶工艺中如果不注意控制气泡，也会造成残次品固化时间过久容易全胶体材料老化封装固化完毕后离模过程中如果不容易脱模会造成损伤（2） 列举几种灌胶失效模式，并针对这些情况提出改进措施。解答：请参阅表5-4（3） 封装产品中若有气泡应该如何处理？解答：封装产品中若有气泡，可以采取对注胶头进行排气、更换胶料、调整插支速度、调整注胶速度、预热模条等方法进行处理。项目六 产品检测与包装任务一