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Optimizing the IC Delamination Quality via Six-Sigma Approach

Optimizing the IC Delamination Quality via Six-Sigma Approach. Authors: Chao-Ton Su, Tai-Lin Chiang, and Kevin Chiao Sources: IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, Vol. 28, No. 3, pp. 241-248 Speaker: Kun-Ching Sun Date : 2011/01/03. Outline. Introduction

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Optimizing the IC Delamination Quality via Six-Sigma Approach

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Presentation Transcript

  1. Optimizing the IC Delamination Quality via Six-Sigma Approach Authors: Chao-Ton Su, Tai-Lin Chiang, and Kevin Chiao Sources: IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, Vol. 28, No. 3, pp. 241-248 Speaker: Kun-Ching Sun Date : 2011/01/03

  2. Outline Introduction Case Study Conclusions 2

  3. 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。

  4. 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

  5. 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

  6. 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

  7. 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

  8. 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

  9. 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

  10. 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

  11. Case Study 晶片接著 連線焊接 外觀檢查 終測 晶圓製備 • 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

  12. Case Study 裝配廠商 塑膠式有引腳 晶片承載器 多用途 聯苯 聯苯 • 分類問題 • 故障分析顯示如下： 12 多用途 環氧塑膜料

  13. Case Study 鈍化 氮氧化矽 聚酰亞胺 13

  14. 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 • 鈍化和EMC之間造成污染 • 塑膜料差 • IR回焊包裝前，現場水氣過多 • 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

  15. 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

  16. Case Study 接觸角 16

  17. 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

  18. 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

  19. Case Study 環氧樹脂固化 晶片接著 等離子清洗 晶片處理 19

  20. Case Study 除氣 • 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

  21. Case Study 晶圓表面元素 黏合強度 • 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

  22. 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

  23. Case Study • 控制階段 • 建立脫層品質指標 • 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。 • 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

  24. Case Study 晶片接著 • 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

  25. 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

  26. 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

  27. Conclusions • 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。 27

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