功率半导体生产工艺问题及分析

PAGEPAGE21.引言1.1选题理由目前，全球新能源汽车市场正慢慢崛起，节能减排加速清洁能源普及，智慧城市带动智能发电和电网部署进程，叠加电池和能源存储需求加大等因素，加大了对功率半导体器件的需求。而功率半导体作为电子电力设备中电能转换与电路控制的核心，主要用于改变电子装置中电压和频率、直流交流转换（变频、变压、变流和功率管理）等，可以提高能量转换效率，减少功率损失，具有应用范围广、用量大等特点。功率半导体的适用面非常广泛，与用途相对狭窄高端CPU不同，新能源汽车、智能家居、物联网、智能制造、电网改造、充电桩等应用都需要大功率驱动，因此功率半导体是增量最大的半导体元器件。中国功率半导体市场被境外企业所垄断，国产化率低。在中高端IGBT器件中，中国90%以上的产品依赖进口。因此中国进口占需求比较高的半导体分立器件等，国产替代空间广阔。本文将介绍功率半导体的制作工艺，基于ASMX（汽车电子工艺）产线，分析其自动化生产工艺及主要问题。1.2功率半导体简介功率半导体主要分为功率分立器件和功率IC两大类，其中功率分立器件主要包括二极管、晶闸管、MOSFET、IGBT等产品。根据IHSMarkit的预测，MOSFET和IGBT将成为近5年增长最强劲的半导体功率器件。IGBT（绝缘栅双极晶体管）：InsulatedGateBipolarTransistor，是MOSFET和GTR(功率晶管)相结合的产物。IGBT是一种由控制电路来控制，是否导电的半导体。比如控制电路指示为通，那么IGBT就是导体，电流畅通，如果控制电路指示为断，那么IGBT就是绝缘体，电流断开。IGBT只要通过脉宽调制，就能轻松的把输入的直流电流变成人们所需要频率的交流电，或者将交流电转换为直流电。主要应用与工业、4C(通信、计算机、消费电子、汽车电子)、航空航天、新能源汽车等战略性新兴产业领域。MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）：MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor。以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。MOSFET具有输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好、电压控制电流等特性，在电路中，可以用作放大器、电子开关等用途

2.功率半导体的晶圆工艺2.1功率半导体晶圆工艺的发展现状在半导体领域，晶圆生产能力是根本，目前拥有晶圆生产能力的企业有两类：晶圆代工企业和IDM(垂直一体化企业)。晶圆代工赚的是加工费，而IDM模式则覆盖了半导体产业链三个环节：设计+制造+封装测试。水平,已成为衡量一个国家和地区经济发展水平的重要标志。由于晶圆生产工艺中，其表面会形成薄膜，这需要光刻技术将它去掉。在晶圆制造过程中，晶体、电容、电阻等在晶圆表面或表层内构成，这些部件是每次在一个掩膜层上生成的，并且结合生成薄膜及去除特定部分，通过光刻工艺过程，最终在晶圆上保留特征图形的部分。但我国的高端光刻机产能严重不足光刻机也叫掩模对准曝光机，曝光系统，光刻系统等，常用的光刻机是掩膜对准光刻。光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀等工序。目前光刻机市场，以荷兰、日本的企业为主力军，全球能制造出光刻机的企业不足百家，能造出顶尖的光刻机的不足五家，在高端光刻机市场，中国企业几乎全军覆没。2.2功率半导体的晶圆贴膜工艺当一片片晶圆被制造出来后首先会经过晶圆贴膜（Wafermounting）这道工序。目前国内外厂家采用的大部分采用的都是全自动贴膜设备（如图2.1所示），此道工序的主要是将晶圆粘贴在粘膜的保护工艺，在后续的过程中晶圆可能会在机械应力的作用下而破裂或者卷曲，且晶圆的面积越大，约容易受到外力的影响，为了减少废品产生，通常会贴上一片薄薄的蓝膜来用于保护晶圆并方便切割时不散落。在贴膜的过程中，需要保持粘附力，以确保在晶圆片和蓝色薄膜之间没有间隙或气泡，但在切割后，蓝色薄膜的粘附残留物不能留在晶圆片的表面。在生产中值得注意的是，该工艺通常是使用非紫外线减粘膜处理，这样的好处是附着力低，在设置好机器内的张力后，可显著降低气泡生产的固定方便，且该膜价格低廉，适用于大批量生产。图2.1全自动贴膜设备2.3功率半导体的晶圆切割工艺晶圆切割则是封装过程中非常重要的一步，因为晶圆非常的薄，它更容易受到重大的机械应力损伤，导致严重产品的可靠性问题和晶圆片的损坏。切割晶圆片的方法有激光切割、划刀劈裂法或是金刚线切割等等，但最传统切割方法是用刀片切割，这也是最常用的方法。下面，我将主要介绍金刚石划片刀的切割原理及其影响。晶圆金刚石划片切割时采用金刚石颗粒与粘结剂组成的刀片，金刚石颗粒作为切割时的磨粒被金属镍固定在刀体上，刀片按一定的速度的旋转和进给，采用水为切削液，切割时金刚石颗粒凸起并与粘结剂形成一种称作“容屑槽”的结构，对切割道材料进行铲挖进而分割开来。金刚石划片刀切割晶圆也会有大量的因素对切割质量造成影响，包括材料，切割仪器，工作环境，切割方法以及其他人为因素等。第一，从材料的角度来看，每个原材料中的硅分子以不同的方式分布，而不同的电路材料在切割过程中产生形变也不同，从而产生不同的切割质量。第二，选择不同的切割设备也会影响切割质量。新设备和旧设备的磨损程度可能因机器使用强度而异。在切割过程中，为了确保刀片不会被热量所侵蚀，添加了冷却水。冷却水的消耗和压力大小也是影响切割质量的最重要因素之一，较小的压力会造成冷却效果欠佳，较大的压力则会击穿芯片。由于硅材料的热传导不良，在切割过程中积累的热量无法及时释放出来，这可能也会导致刀刃的崩口和撕裂，削弱了刀刃的切割能力，降低了切割的准确性，这也可能导致机器无法自动识别及时移除它，从而影响机器的切割效率。第三，合适的切割参数会影响切割进程，当确定好机器中预设的切割深度，刀片旋转速度以及进给速度时，切割将会按预设步骤进行下去，适宜的参数就是保证获得良好切割质量，提高生产效率的前提。最后就是环境和人为因素了，操作工今天的心情，新手老手与否，操作环境是否洁净，冬夏温度是否合适，都会对晶圆切割质量产生影响。切割前后对比图如下图2.2、图2.3所示。图2.1晶圆切割前图2.2晶圆切割后

3.功率半导体的自动焊接工艺自动焊接其实是自动组合和焊接的统称，是采用锡膏作为焊接材料将芯片和铜片固定在框架上，形成电气连接的过程。本次研究的是ASM自动焊接线上的设备（如图3.1所示），是由固晶机1（AD838）、固晶机2（AD838）、固铜片设备（CB830）、焊接炉（RO830）设备连线组合而成，具有高精度和高速度等优点。图3.1自动焊接设备3.1自动焊接工艺的固晶设备固晶机1具有与固晶机2相同的功能，是将晶圆从蓝色薄膜焊接到料片上的焊接装置，主要由七个部分组成。一、配料部分:由抓料臂和放料台组成，抓料臂将放料台上的料片真空自动吸上导轨，实现自动放料的功能。二、点胶粘合部分:是由左点胶控制器和点胶头和右点胶控制器和点胶头组成，左右点胶头分工，左点胶头点料片下半部分焊盘上方，右点胶头点料片上半部分焊盘上方，相互配合以提高速度（如图3.2所示）。三、焊锡焊头部分:利用真空吸力将晶圆上切割分离的芯片吸附到芯片焊盘上的预定位置，通过之前焊盘上的点胶固定芯片，完成芯片的焊锡。四、晶圆安装部分:由带晶圆安装部分和顶针部分组成。晶圆安装部分用来绷紧在晶圆上的蓝色薄膜。，顶针部件的作用是在焊接头吸蓝膜上的芯片时将单颗芯片顶起来以实现芯片和蓝膜分离。五、自动装载晶圆片部分:是由晶圆片料盒放置台和自动抓片臂组成，晶圆片料盒放置台用于放置装晶圆片的料盒，自动抓片臂的作用是在更换晶圆片时将晶圆片推回和拉进晶圆装载部件中，以实现自动换料功能。六、导轨部分：由前后导轨和四个夹爪组成，前后导轨功能是用于固定焊接垫块及传递料片。夹爪用于夹住料片向前传递。七、光学透镜部分:由焊接光学透镜和晶圆识别透镜构成，焊接光学透镜在焊接芯片之前识别芯片的焊盘并确定位置。晶圆识别透镜在焊接头插入芯片之前识别盘上的芯片，并确定芯片的位置。图3.2点胶粘合部分3.2自动焊接工艺的固铜片设备CB830固铜片设备是在固晶机1和固晶机2已完成芯片焊接和焊脚点胶的情况下，继续在芯片的表面点胶，然后由铜片焊接头将铜片焊在芯片表面和连接脚上，以完成整个焊接过程，实现其电路连接。主要由五个部分组成:一、点胶头粘合部分：同固晶机一样，左右点胶头分工，左点胶头点料片前半部分芯片上面，右点胶头点料片后半部分芯片上面，相互分工以提高速度。二、焊接头部分：在芯片和连接脚上焊接铜片，以实现其电路连接。三、导轨部分：由前后导、四个夹爪、垫块组成，前后导轨用于固定焊接垫块及传递料片。夹爪用于夹住料片向前传递。垫块功能（点胶垫块和焊接垫块组成）是托住料片。四、磨具部分：由磨具和铜片传送部分组成，磨具功能是将卷装在一起的铜片分离成单个的铜片，铜片传送则是持续的传递铜片五、光学透镜部分：焊接光学透镜用于在焊接铜片前对料片的焊盘进行识别，找准焊接位置。3.3自动焊接工艺的焊接炉设备焊接炉是将固晶机1和固晶机2及固铜片设备已完成的材料进行烘烤，让锡膏进行固化，并对锡膏里面的混合物进行分离掉，从而完成整个焊接的前道过程（如图3.3所示）。主要由五个部分组成:一、进料部分是将CB830铜片焊接设备和焊接炉的炉膛的连接部分，用于传递料片。二、铜片卷传送部分：是固定铜片卷和传送铜片带的部件，员工只需更换卷盘机器便能一直运行下去。三、焊接炉膛部分：焊接炉膛部分是将DA和CB完工的材料进行烘烤，以达到工艺要求，并分离出锡膏中的混合物。四、出料部分：出料部分是将通过焊接炉烘烤完成的材料收集到料盒的机构，以便于管理和材料的流通。五、排气部分：排气管路将通过焊接炉的材料所分离出来的气体混合物输送到回收设备，该设备是通过对混合物气体进行电离，分离出固体混合物，并对电离过后的气体进行过滤，以实现环保要求，然后通过外部抽气管路将过滤后的气体进行排放。图3.3焊接炉设备3.4自动焊接工艺对功率半导体的影响通过对ASMX产线自动焊接工艺的研究，可得出良好的焊接过程，需要晶圆和引线框架粘结牢固，可以保持电性的一致，除了晶圆材料的选择，优质的框架及焊接材料的使用，可使最后的产品获得良好的热学和电学特性，另外晶圆和框架的热匹配性良好会使芯片和框架之间的应力达到最小，热阻也会小并提高散热性，在焊接的过程在惰性气体的适当使用也很重要，可避免高温下材料氧化，在实际的生产过程中一般会使用氮氢气体。在自动焊接过程中，非常重视的问题是空洞不良，大的散热焊盘在生产的过程在会出现较大的空洞，其阻碍热传导，从而造成功率器件的失效、降低功率器件的使用寿命。而导致空洞的原因是粘合剂锡膏的点锡，不同的锡膏会有不同的使用场景。对于空洞大小，虽然并没有一定的工业标准，业界普遍的认知是：一般电子产品空洞面积的要求是25%以下，汽车电子希望控制在10%以下，而半导体封装则要求更小的空洞，依客户和产品需求的精度不同，有的客户要求单孔小于1%，总孔小于5%。而随着人们对环境保护的重视加深，包括功率半导体在内的半导体封装用材料以及封装工艺都被要求绿色环保，大部分有铅合金锡膏都逐步被无铅锡膏取代。卤素不仅具有致癌性，对内分泌系统和免疫系统都有不良影响，焊接后的卤素残留在热分解过程中产生的氯离子还会对封装中的金属产生腐蚀。这种对功率器件的电气电路，特别是对焊点的腐蚀，将会产生传输信号的负影响。

4.功率半导体的中段工艺及测试在自动焊接工艺结束后，功率半导体的生产进行到了中段工艺部分。这段工艺本质是让半导体成形，并使其产品性能更可靠。在中段工艺结束后，产品们会送去测试站测试电性。本章我会简单的阐述一下中段工艺中各工序的作用，并介绍功率半导体的电性测试。4.1功率半导体的中段工艺当自动焊接结束后，这些材料会被送往清洗间清洗，清洗的主要目的是为了祛除自动焊接过程中产生的残留和锡球。清洗完成后会送往成型间，主要是通过融化绿色环保低应力环氧注入到模具当中再将芯片及连接片组成的电路保护起来。在成型过程中，最重要的阶段就是保压阶段，是持续施加压力，压实熔体，增加环氧密度，提高机械应力的一个过程。成型后的下一个阶段是后固化，该过程是使成型后产品内部环氧反应充分，形成稳定的状态，会采用高温烘烤的方式，时间会从8小时到12小时不等。成型结束后会采用全自动化设备进行去胶切连筋，切除料片上产品间连筋，使电镀时产品引脚能全部镀上锡。切筋之后，产品会送往回流焊炉，进行260°高温测试，目的是模拟客户使用环境，恶化早期失效产品，使其能在测试被筛选出。回流焊完成后的良品会进入高速电镀阶段，主要是需要产品引脚电镀上锡，增强产品引脚可焊性，在电镀过程中要有EDI去残胶，镀层均匀，CPK>1.67。高速电镀完成后，需立即进行退火处理，再次进行高温烘烤1小时，祛除产品内湿气，确保产品管脚足够烘干，防止锡须产生。最后是产品的整形采用HAMI全自动切筋整形设备，将材料从料片分割成单颗产品，同时完成管脚折弯成型。整形前后对比图如下图4.1、图4.2所示。图4.1整形前图2.1整形后

4.2功率半导体的电性测试在中段工艺结束后，良品将会送到测试站进行测试，测试站将元件测试分类,激光打印并包装，确保元件电性能和正确的销售类型，整个过程中会使用高速度、高精度测试仪，一般称为TMTT（测试、印字、分选、包装）流程。在电性的数值上需要测试的有：一、最大整流电流If，If是指二极管长时间运行时允许通过的最大正向平均电流。在规定散热条件下，若二极管的正向平均电流超过此值，将导致二极管先发热，甚至烧毁。二、最大反向电压Ur，Ur是指二极管工作时允许加的最大反向工作电压，若超过此值，二极管有可能被反向击穿而损坏，通常在Ur是二极管击穿电压Ubr的一半。三、反向电流Ir，Ir是指二极管未击穿时的反向电流。此值越小，二极管的单项导电性越好，而Ir会测三次原因主要是因为Ir对温度很敏感，在进行镭射印字后需要进行复测，检验温度是否损害了芯片内部。四、最高工作频率fm，fm是指二极管的工作频率上限，外加电压频率超过此值时，由于结电容效应，二极管有可能失去单向导电性。测试完成后将还会进行人工外观检查，确保产品载覆带和外观无异常，但产品批次较多时，会进行随机抽查，但良率低于一定数值时，会重新研究改批次，对于合格品会把产品装入包装盒并贴附正确标贴，需要注意的是在处理和搬运过程中防止物理或静电损伤。至此功率半导体的工艺流程全部结束。4.3中段工艺与电性测试的探究在中段工艺中，大部分流程已摒弃了的人工作业，人工的缺点是费时费力，且产能不高，现在绝大多数采用的是全自动化设备，在各种前端配有自动监控进出料，生产效率也得到了质的提高，但仍有许多小问题，比如成型过程中，会采用环氧树脂塑封材料封装,这种材料阻燃,应力小,强度高,导热性好，密封性好，可以保证半导体在大功率使用情况下具有良好散热能力，且管体温度低。不过实际的操作过程中，会因流速，温控，残留量的原因，导致气孔的产生，在这一步却没有相应的质检设备进行品控，往往是在后期电性检测阶段才发现该段工艺出现问题，导致原材料的浪费。经资料查询，可通过SPEC（失效模式）导入分析，升级成型设备，使其与监控系统连接，进一步解决这个问题。在测试的过程中，电路和芯片都已固定，避免器件发热失效重要的途径就是降低器件的热阻。降低器件发热量的三个途径主要是：一、通过优化电路，避免开关器件进入放大区,减小器件上的功率消耗。二、降低器件的热阻，即提高器件的散热能力。三、提高器件的电流性能，降低饱和压降。并且在测试中湿度和温度不仅会影响机器的运转还会影响被测芯片的电性参数，当此批被测产品良率发生异常时，需要及时开出异常隔离单，并对此次测试产品进行电性研究，找出问题的产生，避免问题的下次产生。

5.结论我国功率半导体存在巨大的供需缺口，国产替代迫在眉睫。近年来，我国功率半导体器件产业规模保持较快增长态势，但在器件的生产制造和自身消费之间存在巨大缺口。作为全球最大的功率半导体器件消费国，我国功率半导体器件新品等产品仍大量依赖于外国供应商。功率半导体器件供应链的相对末端，产品以二极管、晶闸管、低压MOSFET等低功率半导体器件为主，而在以新型功率半导体器件如MOSFET、IGBT、FRED、高压MOSFET为代表的高技术、高附加值、市场份额更大的中高档产品领域，国外企业拥有绝对的竞争优势，国内市场所需产品大量依赖进口，与国外企业存在较大差距。且我国功率半导体以生产低端器件为主，在高端领域与国