Optimizing the IC Delamination Quality via Six-Sigma Approach

Authors: Chao-Ton Su, Tai-Lin Chiang, and Kevin ChiaoSources: IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, Vol. 28, No. 3, pp. 241-248Speaker: Kun-Ching SunDate : 2011/01/03

1

Outline

1. Introduction

2. Case Study

3. Conclusions

2

Introduction 背景

•全球 IC的封裝標準，強制規定要符合電子裝置工程委員會 (JEDEC)三等級，對客戶進行表面接著技術 (SMT)的可靠性測試。

•三等級意味著電路板零件的壽命，保證可以在 30℃ 下 168小時，以及打開乾燥包後 60%溼度的生產環境。

•至目前為止，礙於技術上的限制，大多數 IC封裝只能達到等級一。

3

Introduction

•產品的應用和功能的需求不斷被提高• IC封裝設計趨向於更小、更薄，基底結構如球閘陣列封裝 (BGA)、晶片尺寸封裝 (CSP)和倒晶片封裝，都對濕度和壓力非常敏感。

4

Introduction

動機•根據 2001年退回材料的報告顯示，有 40%抱怨來自於 IC封裝，都是有關功能性和控制的問題。出貨前，針對問題產品，立刻採取紅外線 (IR)回焊。

•脫層問題是由於紅外線回焊的熱應力(220~240℃) ，造成鈍化層和環氧塑膜料(EMC)之間產生裂縫。

5

Introduction

•嚴重的脫層在 SMT之後，到顧客的電路板上測試，會立刻導致電氣故障。

•大部分的零件有輕微脫層，在測試過程中，不會被發現，但在應用上，可能導致功能衰退。

•然而，重工是不允許的，當被懷疑有缺陷的產品被退回， IC製造商將面臨巨大的財務損失。

6

Introduction

目的•本研究使用六標準差來評估整個流程，來降低脫層問題的發生。

•為 IC裝配過程建立一個更好的品質控制計畫。

7

Case Study 機器對機器 (MTM)研究，區別了固有的「隨機變異」，並且消除了最關鍵的特定原因。

MTM不只著重於機器的變異，也著重基準點附近的變化，如生產線、流程、轉換、時間和人等等。

在六標準差的 DMAIC過程， MTM是用在定義階段，為了幫助製造商檢查他們的品質問題。

8

Case Study 定義階段

•確認關鍵品質要素 (CTQ)–脫層問題是 IC流程的問題，因流程控制的限制，使問題存在多年，在準確排除脫層問題前，該產品已被運到裝配廠商。

9

Case Study

–根據製程品質監控，第一線裝配商在出貨前，通常會使用超音波掃描 (SAT)檢測，但這些廠商仍然無法解決有關封裝脫層問題的顧客抱怨。

–因此，成立一個專案團隊，由研發 (R&D)、製程監督、品質保證 (QA)、原物料供應商和SMT客戶組成，應用六標準差來嘗試和解決脫層問題。

10

Case Study

•定義流程圖–傳統 IC裝配點只適用在每日 SAT，和每月的可靠性監控 (JEDEC Level3)，以限制樣品大小。

–因此，在 240℃IR回焊的 SMT過程，難以完整監控。

11

晶圓製備 晶片接著 連線焊接 外觀檢查 終測

Case Study

•分類問題–故障分析顯示如下：

12多用途多用途 聯苯 聯苯環氧塑膜料塑膠式有引腳晶片承載器

裝配廠商

Case Study

13

氮氧化矽

聚酰亞胺

鈍化

Case Study 量測階段

• 確定可衡量的 CTQs需要改善– 脫層的原因可能包含

1. 鈍化和 EMC之間造成污染2. 塑膜料差3. IR回焊包裝前，現場水氣過多4. SMT紅外線溫度不足

– 降低晶片表片污染，在鈍化矽晶片和 EMC之間保持好的黏著力，是最可能控制的。

14

Case Study

– 應用滴水表面張力來表示表面上有機物污染的數量。

15

Case Study

16

接觸角

Case Study– 根據實驗結果，裝配廠都被要求進行晶圓等離子清洗流程，來消除汙染物，並運用測量接觸角的流程控制，做為脫層的品質指標。

– 因此，降低脫層故障，接觸角確定是可測量的CTQ。

– 本團隊也實施 Gage R&R，來確認測量儀器是可接受的量測設備。

17

Case Study 分析階段

• 脫層的重要因素是鈍化到 EMC之間，封裝過程的變異。

• 從裝配廠商的觀點，他們已採用最好的 EMC(聯苯型 ) ，且更換材料，成本昂貴。

• 本研究進行流程監控，從晶圓廠 ( 輸出 ) 到IC封裝 ( 塑膜前 ) ，針對不同產品，全面分析晶片表面污染。

18

Case Study

19

晶片接著

環氧樹脂固化

等離子清洗晶片處理

Case Study

•除氣 (out-gassing)是在晶片接著固化的接合過程，也發現是另一個影響表面污染的因素。

20

除氣

Case Study 改善階段

• MROM用聚酰亞胺 (Polyimide)鈍化，比Flash的氮氧化矽好。

• 碳為主要的汙染物。• 等離子清洗不僅能消除汙染物，而且能提高黏著力。

21

黏合強度晶圓表面元素

Case Study

• 基於等離子處理流程，化學清洗 ( 用氫氣和氧氣 ) 和濺鍍 ( 用氬氣 ) ，可以去除有機污染；為了有效清洗，混合氣體也使用這種等離子源來激活和離子化。

• 從整個過程來看，在產品成型前安排等離子清洗是最有效的。

22

Case Study 控制階段

• 建立脫層品質指標1. 該指標的發展必須是關鍵客戶所重視，且必須在製程的一開始。

2. 該方法所使用的量測指標必須符合客戶的應用條件。

• 本研究在三個月抽 40批樣品，所有測試的接觸角大約在 60-72度，在 SAT檢測過程，沒有發現任何脫層。

23

Case Study

• 制定和實施控制計畫– 每個晶圓都必須執行等離子清洗，以消除任何晶圓表面的汙染。

24

晶片接著

Case Study– 接著，使用 3XIR回焊後 SAT檢測器，比客戶的

SMT用 2XIR回焊有更嚴格的要求，並且保證品質的良好。

25

Case Study

• 執行的結果– 2003-2004，無脫層問的的顧客抱怨。– 新產品合格率從 70%提高到 90%，進而加快進入市場時間。

– 每年省下 125萬美元的成本。

26

2010 年顧客抱怨報告

Conclusions

27

脫層問題是所有 IC製造商的困擾，且一直沒有一個完整的解決辦法，因此本研究採用了六標準差解決了這個具體的問題。

本團隊不僅達成了目標，也制定了更有效的控制流程在他們的裝配地點。