氮氢混合气体在半导体封装生产工艺中的应用及火灾危险防控

摘要：针对封装工艺不同工序的氮氢混合气体使用浓度及比例不同的问题，对封装工艺流程、氮氢混合气体在封装工艺中的功能及使用机理、封装工厂氮氢混合气体火灾危险性分析以及氮氢混合气体的安全防护措施进行重点分析。

荣国辉，程星华，解敏，王晶

（中国电子工程设计院有限公司工程技术研究院，北京 100097）

摘要：

针对封装工艺不同工序的氮氢混合气体使用浓度及比例不同的问题，对封装工艺流程、氮氢混合气体在封装工艺中的功能及使用机理、封装工厂氮氢混合气体火灾危险性分析以及氮氢混合气体的安全防护措施进行重点分析。

引言

目前半导体行业面临一系列的“卡脖子”难题[1]。如“福建晋华案”，被美国列入出口管制的“实体清单”，“中兴”、“华为”事件中出现芯片、软件和设备问题都被美国卡控[2]，《瓦森纳协议》的提出，使美国可直接出面干涉其他国家向中国出口的高新技术。且我国处于严重的“缺芯”中，由于新冠疫情的发生，移动办公、云服务需求大量提升、新能源汽车行业的快速发展，导致我国芯片需求提升，导致半导体供应链系统的断裂。为解决以上问题，我国出台多个政策和产业基金扶持，大力发展半导体产业。

1 封装工艺流程简介

半导体的生产过程可分为晶圆制造工序（Wafer FabrICation）、封装工序（Packaging）、测试工序（Test）等几个步骤。其中晶圆制造工序为前道（Front End）工序，而封装工序、测试工序为后道（Back End）工序。

封装工艺包括前段工序以及后段工序两部分，其流程图如图 1 所示。

具体工艺功能如下：

背晶研磨与减薄：将从晶圆厂中出来的晶圆(wafer)进行背面研磨，使减薄的 wafer 可以达到封装所需要的厚度(8mils~10mils)。在进行磨片时，在正面粘胶带，用来保护电路区域，同时需研磨背面。待研磨完成后，去除胶带，并测量厚度。

晶圆装片：将 wafer 粘贴在蓝膜(Mylar)上，目的是使其在切割过程中不易散落。

晶圆切割：通过切割刀片(Saw Blade)将整片 wafer切割成独立的芯片,为了方便后续工序处理。

芯片粘贴：采用点银浆进行粘贴，点银浆须在零下 50度存放，且使用前为了除去气泡必须进行回温操作。

银浆固化：在氮气环境下，可防止氧化。固化温度为175 摄氏度，时间为 1 小时。

清洗：清洗多余银浆、残余物。

引线键合：采用高纯度金线、铜线或铝线把焊盘(Pad)和引线(Lead)通过焊接方式进行连接。其中，Pad 是芯片上电路的外接点，Lead 是引线框架(Lead Frame)上的连接点。

注塑前清洗：进一步清洗引线键合后的芯片。

注塑：利用塑封料(EMC)将引线键合完成后的产品封装起来。该过程需加热硬化。其中 EMC 适合低温存储，使用前需先回温。

固化：注塑后 EMC 固化，可保护 IC 内部结构，消除内部应力。

激光打标：在产品正面或背面进行激光打标，内容包括：产品名称、生产日期、产品批次等。

去飞边：目的在于去除注塑后在管体周围 Lead 之间多余的毛刺。

去溢料：目的在于去除注塑后在管体周围 Lead 之间多余的塑封胶。可用弱酸浸泡以及高压水冲洗。

电镀退火：在 Lead Frame 表面镀一层镀层，防止外界环境影响(潮湿和热)，使元器件在 PCB 板上容易焊接，且提高导电性，一般有两种类型：无铅电镀以及铅锡合金。电镀退火主要是将无铅电镀后的产品在高温下烘烤一段时间，消除电镀层潜在的晶须生长问题。

切筋打弯：主要是将一条片的 Lead Frame 切割成单独的Unit(IC)。打弯主要是对切筋后的 IC 产品进行引脚成型，达到工艺要求的形状，并放置进 Tube 或者 Tray 盘中。

2 氮氢混合气体在封装工艺中的功能及使用机理

氮氢混合气体在封装工艺中主要起保护作用，用于芯片粘贴和铜丝键合工序，在芯片粘贴工序中，可对框架进行保护和还原，常用 10%、20%的氮氢混合气体。在铜丝键合工序中，可保护铜线少氧化甚至是不氧化，常用 5%浓度的氮氢混合气体。

2.1 芯片粘贴工序

芯片粘贴工序包括热焊接和冷焊接，其中使用热焊接较多。热焊接是在氮氢气体保护下，用锡银锑焊料将芯片黏贴到框架上，常用 10%、20%的氮氢混合气体对框架进行保护和还原。芯片的装片工艺如表 1 所示。

2.2 铜丝键合工序

铜丝键合按照外加能力的不同，可分为热压键合、热超声波键合以及超声波键合。铜丝键合工艺如图 2 所示。

目前，铜线键合技术还存在两个问题，第一是铜化学稳定性较差，表面很容易被氧化，从而形成氧化膜，导致焊接处强度较低，偶尔还会有虚焊现象发生。第二就是铜硬度过高，焊接时需要高压力和超声功率，会导致衬底的溅积、芯片的局部破裂以及弹坑失效。

对于铜线容易被氧化的问题，一般采用的是惰性保护气体，而现在常用氮氢混合气体，可以保护铜线少氧化甚至是不氧化。在铜丝键合工序中，氮氢混合气体浓度一般为5%。

3 封装工厂氮氢混合气体使用的安全防护措施

在氮氢混合气体厂房中，火灾危险性的考虑十分重要。氢气应满足国家标准《氢气》GB/T 3634.1-2006 中的安全要求以及技术指标。根据国家标准《混合气体的分类》GB/T34710.3-2018 第三部分可燃性分类相关内容计算，氮氢混合气体中氢的含量超过 5.5%（体积成分或摩尔成分）即判定为可燃气体，在芯片粘贴和铜丝键合工序中使用的混合气体含氢量远高于该临界值，因此两种混合比的气体都为可燃性气体，则需要一系列保护措施，来降低火灾危险性。

现就某一具体实际项目案例进行分析：某项目共使用两种氮氢混合气体：混合气一混氢比例 20%，总用量 108Nm3/h，混合气二混氢比例 10%，总用量 14 Nm3/h。从简化计算以及考虑安全裕量角度出发，我们以最大混氢比例考虑生产危险性，即按含有 80%惰性气体的混合气一计算其爆炸下限为 17.23%，大于乙类危险性界定值 10%，该混合气体生产的火灾危险性类别为乙类。混合气体中具有爆炸危险性的气体实际为氢气，后续分析计算均以氢气为对象。具体情形分析：

依据对《建筑设计防火规范》GB50016-2014 第 3.1.2条及条文说明的理解，有几种情况可以适当降低厂房生产的火灾危险性等级。

（1）第 3.1.2 条文说明（1）解释：当生产过程中使用或产生可燃物的量较少，不足以构成爆炸危险性时，可按实际情况确定危险性分类。

此项目使用混合气体的区域面积约为 700 m2，使用场所楼层建筑总面积 7373 m2 ,按保守计算，使用面积占楼层建筑面积的比例为 9.5%，不符合可降低火灾危险性的面积比例要求，但根据条文及条文解释的指导思路，若采取必要的工艺防护措施，对防范、降低生产时的爆炸危险性具有实际意义。

（2）第 3.1.2 条文说明（2）解释给出了部分生产中常见的甲、乙类火灾危险性物品的最大允许量比值及总量，若控制可燃气体与房间容积的比值以及可燃气体总量不大于给定值，则可以不按物质危险性特性来确定生产火灾危险性。

标准制定时考虑到实际工况中更多遇到多种可燃气体的混合气体，实质就是控制室内使用的可燃气体同空气形成的混合气体不大于可燃气体爆炸下限的 5%。本项目中氢气作为单一可燃气体其爆炸下限为 4%，因此理论上最大的比值限值可为 0.2%（即 2L/ m3）。

此项目将氢气作为可燃气体进行分析，为保证计算依据有明确的出处，后续计算的基准值按建规条文解释表 2选取：与房间容积比值限值 1L/ m3（更为安全），储存总量25m3。

此项目使用氮氢混合气体的区域位于厂房 2F 工艺区，该区域面积 4000m2，层（净）高3.5m，房间容积为 14000 m3，设定工艺区的总通风量为 Q，根据物料平衡计算：108x0.2+14x0.1=1x10-3xQ，计算可得通风总量Q=23000m3/h。假定氢气浓度达到房间容积比值限值 1L/ m3，工艺区内的储氢总量也仅为 14 m3，满足储存总量小于 25m3的限定值。

（3）车间实际在使用混合气体的位置已经布置了排风罩，通过独立的排风系统将释放的大部分混合气体及时排出车间，常理仅有部分混合气扩散到工艺区域。且混合气体在释放时，部分氢气已经在打火杆处作为还原剂实际消耗掉，因此综合以上因素考虑，还留有一定的安全裕量。鉴于以上的理解我们认为本项目符合不按物质危险性特性来确定生产火灾危险性的情况。

为确保生产过程的安全性，也结合第 3.1.2 条文说明（1）中的指导思想，建议本项目采取以下保护措施：

（1）2F 工艺区范围内布置可燃气体探测报警装置。排风系统位于密闭夹层空间，该空间也要设置可燃气体探测报警装置。所有报警浓度不超氢气爆炸下限的 5%，同时连锁停止氮氢混合气体的供应，并加大通风量。

在封装工厂混合房中，可设置氢气侦测系统，设置侦测器探头，报警后可直接切断氢气进气阀，并且及时开启混气房强排风，如图 3 所示。