基于COB组装工艺的芯片失效分析

1 引言

    目前，随着COB（Chip on Board）工艺及设备的日益成熟，其较高的性价比使其在消费类电子及各类电子模块中得到日益广泛的应用，其中，在液晶显示模块（LCM）行业，采用COB工艺作为LCD显示驱动集成电路和印刷电路板的组装工艺和方法得到广泛的应用，我所近年来设计加工的应用于中大规模点阵式图形及字符显示液晶模块（LCM）的系列驱动电路在推广使用过程中，在客户COB组装工艺的条件下，出现了一些与COB工艺相关的失效现象，通过对这些失效现象的分析和改进，对我们设计和生产合格的可批量用于COB组装工艺的芯片，提供了有益的帮助，本文通过对COB组装工艺流程及关键工艺的介绍以及对各种主要失效现象的分析的基础上，针对COB组装工艺在芯片设计及硅片生产过程中应该注意的事项加以归纳。

2 COB工艺流程及关键工艺

2.1 COB组装工艺的主要流程
 
    COB组装工艺是首先清洁印制电路基板，通过该工序去除基板上用于引线键合处的氧化物和污物，然后通过点胶、粘芯片及烘烤工序将芯片和PCB基板进行固定，再通过引线键合工序将芯片同印制电路基板相连，经过检查和测试电路功能正常后，进行封胶以保护电路与基板的连接，并通过测试和烘烤工序固化封胶并确保封胶的质量。

2.2 COB组装工艺的关键工序

2.2.1 引线键合
 
    引线键合就是用细的金属线（通常是铝线或金线）将芯片上的焊盘同基板连接起来的过程，主要有两种引线键合技术：球形焊接和楔形焊接，键合的基本步骤包括：形成第一焊点（通常在芯片表面）形成线弧，形成第二焊点（通常在基板上）。目前，COB工艺中主要采用楔形焊接和超声键合技术，其常用设备有ASB公司的AB510、AB520系列引线键合机。作为COB组装工艺的关键工序，键合的悍线工艺是键合的关键步骤，从悍线工艺上，有三种焊接工艺：社压键合法、超声键合法和热超声键合法，目前，楔形焊接的COB键合机的引线焊接采用的超声焊接的方法，其原理是在常温下利用超声机械振动带动丝线与膜进行摩擦，使氧化膜破碎，纯净的金属表面相互接触，通过摩擦产生的热量使金属之间发生扩散，实现连接，这种悍线方式所需压力小，焊接温度低，适合铝线和金线，但该悍线方式控制较复杂，楔焊有方向性，影响效率。此外，压力不够时容易导致脱焊。过分加大超声功率又容易损坏芯片，因此正确调校键合机参数，尤其是超声功率的时间和压力是完成超声键合的重要因素。

2.2.2 点胶和粘芯片
 
    点胶工序是用点胶粘着剂固定芯片，其要点是点胶量要适中，点胶位置要在芯片中心，胶过量或位置偏移造成胶溢出，沾污基板上的焊接处或芯片的焊盘，影响芯片键合。

    粘芯片工序是将芯片装着到点好的胶上，常采用真空笔吸取芯片来完成，但通过在实际LCM加工厂观察，实际工厂操作时，常采用竹签头包裹双面胶作工具来粘芯片，这样操作，如果工人不熟练，用力不均，容易压伤芯片表面，此外，如果粘附时竹签偏离芯片中央，双面胶也易沾污芯片的焊盘，因此，此工序必须加强对工人的培训。

3 问题及分析解决
实际的COM组装过程中导致失效的因素主要来自芯片和工艺参数两个方面。

3.1 芯片表面"氧化"

    客户反应我公司芯片表面"氧化"严重、绑定打不上线，但并不是所有的包装盒内的芯片都有这个问题。

    通过核对电路产生日期和库房保管情况，排除由于芯片储存时间较长和环境不良导致芯片氧化的可能性，通过同工艺人员交流，发现处于圆片边缘的芯片PAD孔周围的钝化层有残留的可能，但在这样的情况下，通过显微镜观察一般不易直接发现，此外，在圆片加工过程中，由于固定圆片的需求，通常在圆片的边缘处会有一个固定的失效区域（约5mm）。因此，加工厂通常都有一个保良区域，通过实际观察圆片边缘芯片。我们发现同客户看到的相似的"氧化"现象。
 
    通过以下分析，并考虑到圆片测试后继的各个过程，我们初步确定导致目前LCD用户反应的失效问题原因主要有两点：

（1）靠近保良率边缘的芯片，铝层不均（即用户反应的"氧化"变色问题）；

（2）边缘芯片钝化孔残留。

    基于以上分析，对于问题（1），考虑到LCD芯片面积较大，芯片排布时靠近边缘的芯片可能会有一些脚进入或靠近该区域，则这些脚会出现用户所谓的"氧化"和键合不上德情况。而这种芯片虽然铝层薄，但其电特性仍然正常，所以中测通过，为此，我们通过在装片时去掉靠近边缘的部分测试合格的芯片加以解决。

    对于问题（2），考虑到客户现场适当加大超声功率可明显降低键合失效率的现状，我们对已生产出的芯片建议用户适当提高超声功率，同时，要求工艺改善边缘钝化去处工艺。

3.2 键合机工艺参数不当
 
    在键合机的工艺参数中，键合机键合的压力、超声功率以及弧高等参数都需要根据芯片的实际情况进行适当调校，并对外观进行检验确定，在确定后需通过试产一定小批量来确定最终参数，此外合适的参数，其键合点的外观具有一定的特征，图5是一个可接受的键合点外观图和一个参数不当的键合点的外观图。

3.3 COB工艺环境及其他

    除了以上影响失效的因素外，COB的工艺环境和操作人员的水平对于整个失效率的影响也较大，图6是芯片沾污和操作不当导致芯片压伤的图片。
 
    对此，我们建议客户加强COB工艺环境的温湿度以及灰尘的控制，透视加强对人员的培训并制定标准的作业流程，以减少不必要的失效。

    此外，芯片设计中压焊点的设计对键合失效也有一定影响，例如，在未使用平坦化工艺的微米级工艺中，在压焊点上使用大的通孔有利于提高压焊点表面铝层的一致性。

4 结语
 
    随着我所LCD系列电路的日益推广，我们对COB组装工艺有了较为深刻的认识，通过在设计上、工艺加工以及库房管理上有针对性的改善措施，大大地提高了LCD系列驱动电路对COB组装工艺的适应能力。