电子封装行业职业有害因素的辨识与分析

   【摘要】 从电子封装行业工艺入手，依据国家颁布的职业有害因素分类目录及职业有害因素致病模型，针对电子封装行业插入式(DIP)及表面贴装(QFP/SOIC)制造工艺使用的材料、设备、条件、人员作业特点，对行业内具有共性的职业有害因素进行分析，对工艺过程中存在的职业有害因素作出辨识，并提出把硅粉尘、铅、氩气、高温、环氧树脂、氢氧化钾、噪声、酸雾、重复性静态作业、重复性动态作业等有害因素作为防控重点，为电子封装行业职业有害因素的危害量化评价及其防控措施制定提供了科学依据。

    【关键词】 电子封装行业；职业有害因素；辨识；分析；重点

    0 引言

    信息化程度、信息技术和产业已成为衡量一个国家现代化水平的重要标志。据统计，发达国家国民总值增长部分的65%与电子有关[1]。半导体制造技术是信息技术的代表之一，其主要包括前段的晶体制造和后段的电子封装技术。

    1)电子封装

    一般情况下，用户需要的并不是柔嫩易损易蚀的裸芯片，而是带有外壳的封装体。电子封装是指将芯片组装到一个单独的封装体，与其他器件以混合形式或以多组芯片形式安装在一起，或直接与电路板连接的综合技术[2]。封装对于芯片来说是必须的，因为芯片必须与外界隔离以免造成机械损伤和防止空气中的杂质对芯片电路的腐蚀而破坏电气性能。电子封装具有机械支撑、电性连接、物理保护、环境保护、散热防潮、规格化标准化、易于安装运输等多项重要作用与功能。

    2)技术演变

    电子封装技术演变经历了3个阶段：

    ①从基础的插入式封装，发展到四边引脚的平面贴装(如QFP)。

    ②从平面贴装技术又迅速发展到球栅阵列贴装技术(如BGA)。

    ③从球栅阵列贴装又将发展为叠层式或多芯片组合式高性能封装(如CSP／MCM)[3]。

    3)发展特点

    在1998年，全球销售掉620亿块封装好的集成电路[4]。目前，封装行业的增长速度在逐渐大于半导体整体产业的增长速度。Gartner报道，2007年全球半导体封装及测试业的销售额达206亿美元，增长7.4%，但产业整体增长仅2.9%。中国现每年需要180亿片芯片，而国内自给电子封装供应不足市场需求的20%。据估计，2010年后，中国集成电路的年消费将达到932亿美元，其中30%用于电子封装产业[3]。

    4)健康安全管理挑战，给电子封装行业带来新的课题

    众多的技术密集型的从业人员、单价上百万或千万的制造设备、竞争烈规模大成本高等行业特点，使得该行业经受不起任何重大的安全事故或人员损失。因此，对于工作环境及劳动者健康安全的科学管理，成为电子封装行业发展的重要课题和挑战之一。而职业卫生的主要工作任务正是以人群和作业环境为对象，通过创造安全健康高效的作业环境，最大限度地避免事故损失，保护劳动者的健康，促进国民经济可持续发展[4]。

    “知彼知己，百战不殆”，管理好安全与人员健康，必须首先了解导致事故的隐患和危害要素，然后再进行针对性的防控与管理。笔者研究的就是电子封装行业的职业有害因素的辨别与分析技术。有害因素的辨识和对其危害大小的分析，相当于寻找到为确保安全健康所需要防控的对象和根源，是制定防控管理措施的基础和依据。

    5)方法、预期和目标

    利用工程工艺分析法，结合职业有害因素致病模型及国内外职业卫生相关法律、规章、标准，展开对电子封装最基础的封装类型——插入式(DIP)及表面贴装(QFP/SOIC)的制造工艺中职业有害因素辨识，并对辨识出的有害因素进行分析。由于国内此类论著较少，笔者目标是希望对电子封装行业职业卫生工作起到启发或指导的作用，作为对国内此类论著的补充，为电子封装行业的快速而稳健的发展助一臂之力。

    1 职业有害因素的辨识

    1.1 方法

    从工艺材料、设备和工艺条件入手，依据职业有害因素分类及致病模型和国内外相关法律、规章、标准，对行业内的职业有害因素进行辨识。

    1.2 依据

    1)中华人民共和国卫生部于2002年3月11日颁布的职业病危害因素分类目录，卫法监发[2002]63号令。该目录把所有职业病危害因素分为10大类别，即：粉尘类、放射性物质类(电离辐射)、化学物质类、物理因素、生物因素、导致职业性皮肤病的危害因素、导致职业性眼病的危害因素、导致职业性耳鼻喉口腔疾病的危害因素、职业性肿瘤的职业病危害因素、其他职业病危害因素。

    2)职业性有害因素及其致病模型，参见文献[5]，并如下图所示。

    只有当有害因素、作用条件、接触者个体特征三者同时存在，并且相互作用，才能导致真正的职业性病损发生。每个人的个体差异都不一样，每个用人单位的工作制度要求的工作时间、接触时间、强度、防控的级别等作用条件也不尽相同，进一步的风险评价需要大量的数据[6]。因此，笔者重点探讨的是在行业内具有一定共性的职业有害因素。

    依据文献[5]，职业性有害因素被分成3类：生产工艺中的有害因素、劳动过程的有害因素、环境中的有害因素。

    ①工艺过程的有害因素有包括：化学因素，如有毒物质、生产性粉尘等；物理因素，如高温、高湿、噪声、振动、电离及非电离辐射、微波、射频等；和生物因素，如炭疽杆菌、真菌等。

    ②劳动过程的有害因素包括制度、职业紧张、劳动强度、体位姿势、工具的合理性、重复性使用的器官等要素。

    ③环境中的有害因素指气候条件、厂房布局、环境污染等要素。

 

    职业有害因素致病模型图

    1.3 对象

    研究对象为插入式(DIP/SOIC)封装及表面贴装(QFP/SOIC)类，以下简称为封装体。

    1.4 辨识

    封装体基本制造工艺流程，主要包括：芯片背面减薄、划片、粘片、引线键合、塑封、电镀、印字、切筋成型等流程：

    1)芯片背面减薄及划片工艺：因研磨/切割硅晶体，有大量细小粒径的硅粉末产生并摩擦生热，因此均产生硅粉尘、热量等职业有害因素；切割使用的切割液多为含无毒高分子表面活性剂的水溶液(90%是水)，因此不列为有害因素。

    2)粘片工艺：因粘片用的银浆成分多含银粉、环氧树脂，环氧树脂对皮肤有刺激或致敏作用，存在皮肤刺激性化学物质环氧树脂；高真空等离子清洗工艺使用有害因素微波(如频率为2.45G的微波)产生等离子体，并使用氧气或氩气形成等离子气体清洗，氩气为单纯窒息性气体；由于工艺温度约120～150℃，因此存在高温物理有害因素；在劳动过程中，要求操作人员反复镜检确保银浆厚度，存在重复性静态作业的有害要素。

    3)引线键合工艺：引线键合一般采用热挤压或超声波热压焊法。依照不同的封装形式，焊线温度一般在150～350℃不等，此存在高温有害因素；一般频率在50～200K的超声波会被使用以促进焊接时的振动和摩擦，中国国标未将超声波列人有害因素目录，但国际有列为有害因素[7]；劳动过程中人员存在重复性镜检静态作业。

    4)塑封工艺：塑封使用的塑封胶、清膜胶，成分有些含环氧树脂、酚醛固化剂、二氧化硅粉末、三氧化二锑等有害因素。工艺温度约175℃，存在高温的有害因素；X射线检查机常常在此工艺使用，主要是检查塑封后的可靠性或缺陷，存在电离辐射有害因素，但由于设备箱体为铅板和铅玻璃设计，机箱外设显示器，正常操作人员没有机会暴露于电离辐射；一般塑封机的环境噪音在80～87dB，存在噪音。劳动过程中人员存在重复性镜检静态作业和目检动态作业的有害因素。

    5)电镀工艺：电镀会用到强碱类如氢氧化钾去除待镀表面的油污汗渍；大量使用甲磺酸，过硫酸盐，甲磺酸锡，甲磺酸铅，退锡液(30%为硝酸)以完成中和、活化、电镀等工艺，车间会形成大量硫酸雾、硝酸雾等有害因素；电镀焊球成分为铅锡合金或无铅，有些焊球存在有毒物质铅；酒精经常被使用以清洁生产设备和操作台；电镀后烘烤工艺温度达155℃，存在高温有害因素；电镀车间一般存在噪音，依不同的条件，约在80～88 dB不等。劳动过程中劳动者极易暴露于含化学物质的环境中，由于人工过滤电镀液、更换电镀液、分析取样、开盖设备维修等操作较多，人员暴露于化学品和空气中化学物质的几率高。

    6)印字工艺：因工艺利用激光印字，存在激光有害因素。

    7)切筋成型工艺：由于是封装工艺的最后一道，这一工序完成，产品成为成品；工艺要求大量的重复性动态作业(成品目检)。设备噪音在80～86 dB不等。

    2 辨识结果与分析

    依据职业病危害因素分类目录和职业性有害因素致病模型对有害因素的分类，将辨识的结果具体汇总分析，参见下表。

    电子封装工艺的职业有害因素汇总和分析表

 

    3 结论

    1)通过对电子封装行业内具有一定共性的职业有害因素进行辨识与分析得出，插入式(DIP)及表面贴装(QFP/SOIC)制造工艺过程中存在：硅粉尘/二氧化硅粉尘、电离辐射、铅及铅化合物、甲磺酸铅、铅锡合金、氩气、高温、微波、环氧树脂、氢氧化钾、硝酸、甲磺酸(含硫酸根)、酒精、过硫酸盐、激光、噪声、硫酸酸雾、硝酸酸雾、重复性静态作业、重复性动态作业和超声波等多种职业有害因素。

    2)根据电子封装行业的工艺、设备、生产环境的特点分析出，除电离辐射、微波、激光、超声波有害因素可作为非重点防控的有害因素外，其他存在的有害因素均应考虑为重点防控的有害因素。

    3)笔者对行业职业危害因素辨识和分析的目标是为电子封装行业进行进一步危害量化评价、防控措施制定提供最基础的依据。

    4)未涉及危害量化评价所需的关于个体特征差异或接触时间、强度、防控级别等作用条件参数的探讨，深入研究有待进行。

    参考文献

    [1] 吴懿平，丁汉，吴丰顺等．电子制造技术基础[M]．北京：机械工业出版社，2006．6

    [2] Peter Van Zant[美]．Microchip Fabrication芯片制造[M]．赵树武，朱践知，于世恩等译．北京：电子工业出版社，2007．1

    [3] 田民波．电子封装工程[M]．北京：清华大学出版社，2003．9

    [4] Michael Quirk，Julian Serda[美]．Semiconductor Manufacturing Technology半导体制造技术[M]．韩郑生译．北京：电子工业出版社，2006．9

    [5] 牛侨．职业卫生与职业医学[M]．北京：科学技术文献出版社，2007．1

    [6] 高建明，刘骥，曾明荣等．我国生产安全领域个人风险和社会风险标准界定方法研究[J]．中国安全科学学报，2007，17(10)：91～95

    [7] ACGIH．2006 TLVs and BEIs threshold Limited Values for Chemical Substances & Biological Exposure Indices[M] USA：ACGIH worldwide Signature Publications，2006

    [8] 薛艳敏，李琳，曾庆喜．从“人”与“机”关系看机械企业事故的预防[J]．中国安全科学学报，2007，17(10)：56～61