一种精确控制滴液量的自动化装置开发探讨

时间：2022-08-22 22:57:14

关键字：外观品质物料成本

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[导读]摘要:主要讲述如何实现由人工涂布上胶到设备自动化上胶的过程,其中重点是通过自主研发新的装置实现了滴液装置的自动化及滴液量的精确控制,通过该新型装置的应用,达到了提升产能效率、降低人员成本、节省原物料成本、提升品质等设定目的,提高了公司产品的市场竞争力。

引言

伴随半导体技术的发展,半导体表面钝化方面的工艺要求越来越苛刻,在GPP工艺流程中,二次相PG制程工艺是一道很关键的工序,PG外观的包覆状况对电性的稳定及良率的提升起到很重要的作用,良好的PG玻璃包覆状况可提高产品电性能。PG玻璃外观一直都是品质管控的重点检查项目。

由图1可以看出,玻璃覆盖不良缺失一直存在且占比居高不下,不仅会造成材料重工产品良率损失,也会带来原物料的浪费及人员成本的增加。

1玻璃钝化工艺理论

1.1芯片玻璃钝化工艺理论介绍

PG玻璃钝化工艺保护芯片就是用熔凝后的玻璃来保护P一N结,裸露的P一N结需在经过清洗后清洁的状态下进行保护,经过玻璃钝化后可以提升芯片的反向击穿电压,常用于高压大功率硅整流芯片。熔融玻璃钝化的工艺有很多优点,比如反向耐压提高,玻璃层厚度可以熔融到数百微米,还有结构更致密、热稳定性提高和化学反应稳定性提升,机械强度变好。虽然此工艺有着很多优点,但如果制造过程不合理或制程控制不当,生产的晶片还是会出现合格率降低的情况,更严重的是芯片的稳定性和可靠性会变差,早期失效现象就会比较突出。因此,PG玻璃钝化成为各家公司重点研究及期望改善的工艺项目之一。玻璃钝化是一个比较难掌控的工艺,玻璃气孔的产生容易受到人员、物料、环境、设备、制程参数等多方面的影响。

1.2芯片玻璃钝化常见缺陷问题

一般根据失效晶片的显微放大图,以玻璃和硅的外观可分为有明显的缺陷(diecrack)和无明显的缺陷两大类。

(1)明显的缺陷一玻璃裂纹:是玻璃或硅本身有缺陷,可以明显看到芯片已经缺损或断裂,晶片承受机械应力的能力差,体现在后续的测试、包装、运输和封装流程中容易出现机械损伤。此类缺陷用肉眼或借助显微镜就可以看出,不做详细研究(图2)。

图2芯片和玻璃上出现明显裂纹

(2)无明显缺陷一玻璃气孔:是指在玻璃与硅的界面没有完全融凝而产生的间隙性缺陷,产生的原因有很多种,其中最主要的是玻璃钝化层未能充分覆盖沟道台面造成气孔。气孔大小不同时会造成不同的间隙缺陷,气孔在后续玻璃高温烧结过程中会发生爆裂,从而造成失效。造成气孔的主要原因是玻璃和硅片间不能充分润湿,从而给气孔的形成创造了条件。

由图3可以看出,已有部分硅晶出现外漏,会增加后续产品失效风险,故此失效材料必须经过重工才可以流入下一道工序。

图3玻璃气孔

由图4可以看出,在PG上会出现一个类似气泡的孔洞,从而造成玻璃没有完全包覆良好,后续测试dice电性时会成为放电及漏电的集中点,影响芯片的电性稳定性。

2精确滴液装置开发

2.1手动涂胶设备简介

控制方式:通过时间计时器(timer)控制时间,通过调节电阻器(VR)控制马达转速,分段控制(图5)。

缺点:由于电路控制精度和采用机械电阻器调整方式来控制设备,控制不精准,重复性很差。

工位工作区域如图6所示。

图6旋转工作盘区域

吸盘吸附晶片是在真空作用下完成的,手动吸盘是无中心定位机构,每片的放置位置依作业员的主观感觉来判断是否正确。

缺点:没有晶片中心对位装置,手动放置容易造成偏心,进而导致晶片涂胶边缘玻璃胶厚的差异。变异和随意性很难控制。

操作流程介绍:

第一步:玻璃胶涂覆前的预浸润(图7)。目的是增加玻璃胶和硅片的浸润性,上玻璃胶前的预处理,很大程度上决定了玻璃涂覆时气孔产生比例的高低。

图7玻璃涂覆前预浸润

缺点:(1)对于人员操作要求比较高,涂覆时二甲苯的量需要控制,多了会造成玻璃胶的稀释,导致部分芯片玻璃不足,少了会造成气孔的产生。

(2)由于是人员操作,主要受制于人员素质的差异性,容易造成片间品质的差异及不良片的发生,且涂覆过程中由于使用毛刷笔,会有部分微粒的污染,随着毛刷毛的损耗,也会增加涂覆效果的差异变异。

第二步:玻璃胶涂覆(图8)。

缺点:晶片增大时操作难度增加,受制于作业人员的差异,每个人的滴胶量、每片的滴胶量都会存在差异,从而造成片与片之间的差异,也会造成玻璃胶的浪费,利用率下降。

通过以上分析可知使用手动涂胶设备的诸多缺点,其造成玻璃钝化工艺流程中的不良品率很难控制和改善,只有使用新型的全自动涂胶设备进行生产,才能有效克服不良和不可控因素,改善玻璃钝化工艺。

2.2全自动涂胶设备简介

控制方式(PG玻璃钝化):编程控制器控制整个机台,可以数字化编程(图9),完成时间(timer)和转速的控制(伺服系统)。

图9操作控制面板

优点:能精准控制时间和速度,重复一致性很好。

工位工作区域:如图l0所示,工位区域可以完成晶片自动传输,从进料的晶舟到出料的晶舟全程自动传输、自动涂覆,所有参数都可通过固定程式设定,操作简单方便,降低了作业员出错概率,设备有故障报警、停机报警提示。

图10作业流程图

优点:能够把大部分的人员操作用自动机械替代,实现全自动化的涂覆操作,大大提升了生产产品的效率。

操作流程介绍:整个玻璃胶涂覆过程全程由编制的程序控制完成,无需作业员参与。

小结:通过实施设备自动化,消除了片与片之间的差异,稳定了产品品质,保持了产品一致性。

2.3精确滴液装置开发

虽然在PG工艺流程中升级使用了全自动涂胶设备,产品玻璃覆盖不良率已经得到了很大的改善,但由于公司工艺情况及实际应用,很多自动设备厂商没有生产过类似的预浸润滴液系统,只提供了购买此类机台客户的使用方法——通过增加滴胶量和改变滴胶方式来弥补玻璃气孔的缺陷,这样给我们公司带来的问题就是原物料的浪费及产能PPH的下降(表1)。

为了降低原物料的消耗和提升PPH,我们对如何实现手动涂覆二甲苯的升级进行了跟踪研究,开发了自动滴液装置,取代人工涂覆方式应用到自动机台上,并实现滴液精确控制功能,以减少原物料的使用,争取进一步降低PPM甚至彻底解决问题。

开发过程如下:

(1)初步设计图如图11所示。

功能实现原理:通过设计图可以看出,主要是通过N2压力将液体压出管路,通过电信号控制阀开关并滴在旋转的晶片上,从而实现晶片的预浸润过程。虽然使用了精密调节阀,但是在实际验证过程中发现滴液量精确控制无法实现,滴液量不受控制且摆臂移动过程中会出现液体下滴的现象。

(2)为进一步控制有效滴液量,提出借鉴PR胶泵精密控制阀(滴液阀+回吸阀),并与sVG设备精密流量调节针阀组合在一起,开发设计成一套组合阀体,并通过管路由前端1/4管径转换到终端1/8管径等一系列措施,实现了滴液量的精确控制,滴液量精度达到了0.05mL/滴,成功应用于自动设备上,并实现程序上的匹配。精确流量调节组合阀原理图如图12所示。