芯片組裝的失效機(jī)理及分析

賀 玲，劉洪濤

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032）

1 引言

芯片組裝技術(shù)是微組裝核心技術(shù)之一,其組裝質(zhì)量直接影響整個(gè)器件和組件的性能[1],隨著混合集成電路向著高性能、高密度以及小型化、低成本的方向發(fā)展，對(duì)芯片的組裝技術(shù)和可靠性提出了更高的要求。根據(jù)芯片種類(lèi)和應(yīng)用環(huán)境的不同，芯片組裝應(yīng)選用合適的組裝技術(shù)[2]。芯片組裝技術(shù)主要有粘接和焊接兩種。粘接分為絕緣粘接和導(dǎo)電粘接；焊接則可根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式的不同，分為回流焊接和共晶焊接等。

絕緣粘接一般應(yīng)用在不需要電連接的場(chǎng)合；導(dǎo)電粘接需要用到導(dǎo)電膠，此種材料（如導(dǎo)電銀漿）的電阻率大，導(dǎo)熱系數(shù)小，在大功率應(yīng)用方面容易導(dǎo)致芯片結(jié)溫升高，影響功率輸出和可靠性，所以只適合小功率、小信號(hào)或控制類(lèi)器件的導(dǎo)電粘接；回流焊是一種傳統(tǒng)焊接方式，它在工作時(shí)需要有一個(gè)加熱步驟，將氣流加熱到足夠高溫，并吹向貼好元件的線(xiàn)路板，使元件焊料融化與主板粘結(jié)，其溫度便于控制，還能避免氧化的發(fā)生，適用于需要對(duì)成本做出控制的場(chǎng)合；共晶焊接有連接電阻小、傳熱效率高、散熱均勻、焊接強(qiáng)度高、工藝一致性好等優(yōu)點(diǎn)，所以特別適用于大功率器件和有較高散熱要求的功率器件的焊接。

無(wú)論以何種方式來(lái)實(shí)現(xiàn)芯片的組裝，在實(shí)際生產(chǎn)中，不可避免會(huì)遇到芯片組裝失效的情況。

2 芯片組裝的失效模式

常見(jiàn)的芯片組裝失效模式主要包括：芯片硅表面與芯片粘接材料分離；芯片與粘接材料一起從底座分離；芯片粘接材料層斷裂[3]。其詳細(xì)分析及實(shí)例如下：

(1)芯片硅表面與芯片粘接材料分離

這種類(lèi)型的分離，一般會(huì)在芯片同粘接材料的粘接強(qiáng)度小于粘接材料同底座的粘接強(qiáng)度的情況下發(fā)生。發(fā)生此類(lèi)分離的原因可能是粘接材料本身粘接強(qiáng)度不足、粘接工藝缺陷、芯片背面沾污等。

圖1是一例典型的案例，從中可見(jiàn)，粘接材料明顯沒(méi)有與芯片背面相熔，失效因此發(fā)生。

圖1 粘接材料與芯片背面熔合異常導(dǎo)致的組裝失效

(2)芯片與粘接材料一起從底座分離

這種分離類(lèi)型一般是在底座同粘接材料之間的粘接強(qiáng)度小于芯片同粘接材料之間的粘接強(qiáng)度的情況下出現(xiàn)的，出現(xiàn)這類(lèi)分離的原因可能是粘接材料不適應(yīng)底座材料、粘接工藝缺陷、底座粘接面沾污等。

圖2即為一例典型案例，從中可見(jiàn)，管殼襯底粘接處明顯沒(méi)有粘接材料，失效因此發(fā)生。

圖2 底座與粘接材料熔合異常導(dǎo)致的組裝失效

(3)芯片粘接材料層斷裂

納入標(biāo)準(zhǔn)：①身體健康，無(wú)全身性疾?。虎跓o(wú)代謝性骨疾病、無(wú)放化療病史；③無(wú)未治愈的牙周炎；④缺牙時(shí)間≥3個(gè)月；⑤吸煙≤10支/d；⑥牙槽骨條件滿(mǎn)足種植要求，術(shù)中無(wú)須植骨；⑦能保持口腔衛(wèi)生，依從性好，知情同意。

這種類(lèi)型的分離表現(xiàn)為芯片被剪切掉后，芯片和底座上均保留部分粘接材料，即粘接材料自身內(nèi)部發(fā)生斷裂，這是由于粘接材料在焊接工藝過(guò)程中受熱不均，或自身的質(zhì)量較差所致。

具體案例如圖3所示。

圖3 粘接材料自身斷裂導(dǎo)致的安裝失效

針對(duì)不同類(lèi)型的組裝失效，應(yīng)采用相應(yīng)的檢測(cè)手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)隱患，使各種脫焊事件的發(fā)生機(jī)率降到最低。

3 檢驗(yàn)組裝質(zhì)量的幾種檢測(cè)手段

根據(jù)GJB548B和GJB128A的相關(guān)規(guī)定，芯片組裝后的成品需要進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。常用的檢測(cè)方法主要包括：通過(guò)超聲掃描技術(shù)來(lái)檢測(cè)芯片組裝質(zhì)量；通過(guò)電性能測(cè)試檢測(cè)芯片組裝質(zhì)量；測(cè)試芯片組裝的剪切強(qiáng)度[4]。詳細(xì)如下：

(1)超聲波檢測(cè)

超聲波檢測(cè)方法的實(shí)施是利用了材料及其缺陷的聲學(xué)性能差異，通過(guò)觀(guān)察超聲波的傳播波形反射情況和能量隨時(shí)間的變化情況，來(lái)檢驗(yàn)材料內(nèi)部或焊接界面的缺陷程度，屬于無(wú)損檢測(cè)方法的一種。當(dāng)超聲波遇到缺陷時(shí)，會(huì)反射回來(lái)，產(chǎn)生投射面積和缺陷相近的聲學(xué)“陰影”。對(duì)于采用多層金屬陶瓷封裝的器件，往往需要對(duì)封裝樣品進(jìn)行背面減薄，之后再進(jìn)行超聲檢測(cè)。對(duì)于由熱應(yīng)力而造成的粘接失效，普通的超聲測(cè)試和檢測(cè)手段很難奏效，必須還要對(duì)器件施加高應(yīng)力，通常要通過(guò)老化令缺陷被激活，即器件失效后，再進(jìn)行檢測(cè)。

(2)電性能測(cè)試

對(duì)于芯片與底座保持導(dǎo)電性連接（如共晶焊、導(dǎo)電膠粘接）的器件，其焊接或粘接質(zhì)量的好壞直接影響器件的熱阻和飽和壓降VCES,所以對(duì)晶體管之類(lèi)的器件，可通過(guò)測(cè)量器件的VCES來(lái)無(wú)損地實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片焊接質(zhì)量的檢驗(yàn)。在保證芯片電性能良好的情況下，如果VCES過(guò)大，則可能是芯片虛焊或有較大的“空洞”。此種方法可用于批量生產(chǎn)的在線(xiàn)測(cè)試。

(3)剪切力測(cè)量

此種方法是用來(lái)檢驗(yàn)芯片與基片間焊接質(zhì)量的最常用最直觀(guān)的方法，在焊接或粘接良好的情況下，即使芯片碎裂，焊接或粘接處仍然留有很大的殘留芯片。另外，利用此種方法，焊接空洞處不會(huì)粘附芯片襯底材料，芯片推掉后也可直接觀(guān)察到空洞的大小和密度[5]。

4 改進(jìn)組裝質(zhì)量的方法

影響粘接與焊接質(zhì)量的因素有很多，首要因素是材料表面的清潔度和氧化程度。如果焊接表面氧化嚴(yán)重，將導(dǎo)致焊料無(wú)法良好潤(rùn)濕基體，從而形成虛焊或空洞。應(yīng)采取有效的清潔措施（溶劑清洗和等離子清洗等），使基體表面活化。

使用芯片粘接工藝時(shí)，應(yīng)保證粘接界面有良好的潔凈度，并在芯片表面施加適當(dāng)壓力。獲得良好的表面狀態(tài)清潔和施加壓力都是為了形成界面分子間的結(jié)合力[6]。等離子清洗是一種高效的清潔方法。大量資料及試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，采用微波等離子對(duì)被粘接界面進(jìn)行處理，可達(dá)到清洗、活化和刻蝕等處理效果。如芯片在點(diǎn)銀膠前基板上存在污染物，會(huì)導(dǎo)致銀膠呈圓形形態(tài)，此時(shí)潤(rùn)濕角度大于90°，呈現(xiàn)不潤(rùn)濕的現(xiàn)象，不利于芯片粘接；等離子清洗后，即可使工作表面粗糙度及親水性大大提高，有利于銀膠鋪展及芯片粘接[7]。芯片粘接時(shí)采用的固化溫度、固化時(shí)間與所選用的導(dǎo)電膠型號(hào)直接相關(guān)，一般型號(hào)的導(dǎo)電膠通常有多個(gè)推薦的固化條件，在電路允許的溫度范圍內(nèi)采用最高溫度條件固化，有利于提高粘接質(zhì)量。同時(shí)，提高對(duì)粘接芯片施加的壓力，也可增加芯片與膠的微觀(guān)接觸面積，進(jìn)一步提高粘接可靠性。

芯片焊接時(shí)除保證焊接表面無(wú)污染、表面氧化程度低之外，合理的焊接溫度和壓力等也是保證焊接質(zhì)量的重要因素[8]。焊接溫度設(shè)置過(guò)低或者預(yù)熱不充分，使得被焊樣品沒(méi)有達(dá)到等溫狀態(tài)，可能導(dǎo)致焊料處溫度未到達(dá)實(shí)際熔點(diǎn)以上；焊料熔化不充分，潤(rùn)濕性降低，即形成冷焊點(diǎn)。焊接溫度設(shè)置過(guò)高，易導(dǎo)致焊料過(guò)量溢出，焊接界面之間存留的焊料過(guò)薄，降低環(huán)境變化及機(jī)械應(yīng)力下的焊接可靠性。適當(dāng)?shù)暮附訅毫δ茉黾雍附硬牧现g的微觀(guān)接觸面積，促進(jìn)焊料對(duì)基體界面的潤(rùn)濕鋪展，也有利于排除氣泡，減小空洞。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的發(fā)展,芯片的組裝方法將會(huì)越來(lái)越多并不斷完善。半導(dǎo)體器件焊接或粘接的失效，主要與焊接面潔凈度或平整度差、氧化物存留、加熱不當(dāng)和基片鍍層質(zhì)量有關(guān),要解決芯片粘接不良問(wèn)題,必須明確不同焊接與粘接方法的機(jī)理,逐一分析引發(fā)失效的相關(guān)因素，找出相關(guān)原因，針對(duì)性地從粘接材料、封裝工藝實(shí)施改進(jìn)，嚴(yán)格生產(chǎn)過(guò)程中的檢驗(yàn),從而提高芯片組裝的可靠性。根據(jù)測(cè)試結(jié)果和分離界面的形貌來(lái)判斷芯片組裝質(zhì)量，并分析芯片粘接或焊接情況，特別是粘接脫落的相關(guān)因素，可對(duì)芯片粘接材料、粘接工藝等加以控制和優(yōu)化，從而提高組裝質(zhì)量，最大程度地避免組裝失效的發(fā)生。

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