薄型塑封芯片鈍化層損傷的失效分析與改進(jìn)

張 波，李恭謹(jǐn)，秦 培

（匯頂科技股份有限公司，上海 201210）

1 引言

消費(fèi)類移動電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢緊扣輕薄短小的特點(diǎn)，產(chǎn)品的內(nèi)部空間已是寸土寸金。應(yīng)用于移動終端的薄型化封裝體的厚度通常需要控制在0.5 mm以下，而芯片表面至塑封體表面的距離一般在150μm以下，薄型化設(shè)計給封裝加工也帶來了更多挑戰(zhàn)。封裝制造中主要的風(fēng)險點(diǎn)有：基板條受熱易翹曲變形；芯片厚度減薄易造成碎裂、損傷；焊線類產(chǎn)品的線弧高度受限，影響線弧穩(wěn)定性；材料間熱膨脹系數(shù)失配，易使產(chǎn)品翹曲超標(biāo)及出現(xiàn)分層現(xiàn)象[1-3]。

薄型化塑封也因注塑模流的流動空間受限，易產(chǎn)生包封不良、孔洞及與濕氣相關(guān)的分層、腐蝕等封裝層級缺陷。業(yè)界針對薄型化塑封主要的研究方向包括：優(yōu)化塑封模具結(jié)構(gòu)設(shè)計以增強(qiáng)排氣與產(chǎn)品脫模；對塑封模流進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計以減少塑封體孔洞；封裝層級的缺陷成因、機(jī)理分析[4-6]。相關(guān)研究對薄型化塑封造成芯片鈍化層的物理損傷的報道較少，鈍化層作為保護(hù)芯片內(nèi)部電路的重要屏障，在封裝過程中確保其無損傷是保障芯片功能正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

本文針對1款薄型封裝產(chǎn)品在試制過程中出現(xiàn)的芯片鈍化層損傷問題，從封裝過程的排查、塑封材料的使用管控、塑封工藝參數(shù)的改進(jìn)及塑封料的選型等角度進(jìn)行了分析與驗(yàn)證，確認(rèn)了塑封合模壓力的施加過程是造成芯片鈍化層損傷的關(guān)鍵因素。

2 失效分析與缺陷特征

2.1 問題描述

開、短路測試常用于監(jiān)控產(chǎn)品封裝后是否存在異常。某薄型封裝產(chǎn)品在試制后的開、短路測試中出現(xiàn)的批次不良率為3×10-3～4×10-3，高于該類型產(chǎn)品設(shè)定的1×10-3控制上限。經(jīng)統(tǒng)計，在產(chǎn)品批次層面，開、短路的不良率偏高不是單一試制批次的問題。失效有如下特征：在基板條層面，失效引腳的編號無集中性，失效片在料條上的位置、失效數(shù)量沒有集中性；在產(chǎn)品顆粒層面，失效片中存在開路或短路問題的引腳數(shù)量、位置均無顯著的集中性。

針對失效片的非破壞性分析結(jié)果顯示，塑封體外觀無孔洞與損傷，經(jīng)超聲掃描發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品無分層現(xiàn)象與內(nèi)部孔洞，經(jīng)X光掃描未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在金屬異物與焊線不良等問題。進(jìn)一步對失效片進(jìn)行破壞性分析，所采用的失效分析方式與結(jié)果如表1所示。

表1 失效分析方式與結(jié)果

2.2 塑封開封

該型芯片的表面設(shè)置有常規(guī)鈍化層（無聚酰亞胺層）。觀察開封后的失效片表面，芯片鈍化層的點(diǎn)狀損傷與鈍化層下的電路受損情況如圖1所示。鈍化層表面有多處點(diǎn)狀擠壓傷，損傷尺度在30～60μm，無裂紋擴(kuò)展，且損傷位置在芯片表面不固定。此外未發(fā)現(xiàn)其他封裝異常。可以判定樣品的開、短路失效與芯片的鈍化層損傷直接相關(guān)。

圖1 芯片鈍化層的點(diǎn)狀損傷與鈍化層下電路受損情況

基于上述芯片表面損傷特征，可推斷損傷是封裝過程中存在的硬質(zhì)異物壓迫芯片表面所致。但在開封后鈍化層的損傷位置未發(fā)現(xiàn)異物殘留，無法確定異物成分及其來源。梳理封裝試制的工序，發(fā)現(xiàn)易導(dǎo)致芯片鈍化層損傷的環(huán)節(jié)有：上芯過程，橡膠吸嘴表面粘附硬質(zhì)異物，在貼裝芯片時吸嘴擠壓芯片；焊線過程，焊線劈刀在移動中誤觸芯片表面，導(dǎo)致形似劈刀口尺寸的點(diǎn)狀損傷；塑封過程，產(chǎn)品塑封時有硬質(zhì)外來異物，導(dǎo)致芯片表面壓傷。

2.3 表面研磨

研磨制樣過程使用了ALLIED公司的MetPrep1型半自動研磨機(jī)，配合400～1200目的砂紙將樣品的塑封層以水平方向研磨至20μm厚度以下，此時位于芯片上方的塑封體呈半透明狀。使用這種研磨方法可在維持塑封體對芯片包覆的條件下，用光學(xué)顯微鏡透過塑封層鎖定芯片鈍化層的物理缺陷位置，以保留造成鈍化層損傷的異物，便于進(jìn)一步做剖切觀察。

鈍化層的損傷點(diǎn)與塑封層內(nèi)的異形半透明顆粒物如圖2所示，觀察塑封體下方的芯片表面時，可看到芯片布線上存在1處橢圓形的凹陷損傷，無裂紋擴(kuò)展，其與在塑封開封階段觀察到的點(diǎn)狀缺陷形貌一致。觀察塑封體的上表面時，可看到損傷點(diǎn)位的上方主要為1顆較大的半透明葫蘆狀顆粒物。該顆粒物長約為60μm，寬約為30μm，除尺寸外與周圍的半透明顆粒無顯著差異，可初步判斷該顆粒物屬于塑封體內(nèi)的常規(guī)成分，非外來異物。

圖2 鈍化層的損傷點(diǎn)與塑封層內(nèi)的異形半透明顆粒物

2.4 截面剖切

對表面研磨時鎖定的鈍化層的損傷點(diǎn)位進(jìn)行剖切，并采用JEOL公司的IB-19530CP型氬離子截面拋光儀進(jìn)行拋光。使用日立公司的Regulus8100型場發(fā)射掃描電子顯微鏡對樣品進(jìn)行觀察，異形顆粒物的剖切面如圖3所示。圖3中上半部為制樣鑲嵌用的樹脂材料，下半部為芯片區(qū)域，其芯片表面的鈍化層厚度約為2μm。中間部分為經(jīng)表面研磨后留存的覆蓋在芯片表面厚度約為20μm的塑封層。在塑封層內(nèi)可觀察到較大的半圓形顆粒物，其與塑封開封時所觀測到的鈍化層的損傷點(diǎn)尺度相當(dāng)。該顆粒物在塑封后已侵入到芯片表面，其下部的芯片鈍化層與電路層已呈現(xiàn)凹陷變形的受損狀態(tài)。此外在塑封層中還可觀察到一些較小的圓形顆粒物，而不同尺寸的顆粒物的圖像襯度并無明顯差異，可推斷在塑封層內(nèi)觀察到的顆粒物為相同材質(zhì)。

圖3 異形顆粒物的剖切面

2.5 能譜分析

為了進(jìn)一步確認(rèn)顆粒物的材質(zhì)，使用IXRF公司的550I型能譜分析儀，對圖3中半圓形顆粒物的A處進(jìn)行點(diǎn)掃描。異形顆粒物的能譜僅在0.5 keV和1.7 keV左右分別捕獲到氧與硅元素的Kα線系信號，無其他元素信號，因此可確認(rèn)該顆粒物的主要成分為氧和硅。根據(jù)如表2所示的元素質(zhì)量分析結(jié)果，該顆粒物的硅氧質(zhì)量比接近1∶1，與二氧化硅的特征較為匹配。結(jié)合圖3所示的顆粒物的形貌、襯度特征與能譜分析結(jié)果，可判定造成芯片表面鈍化層損傷的顆粒物為塑封材料中的無機(jī)填料二氧化硅。

表2 元素質(zhì)量分析結(jié)果

3 原因分析與改進(jìn)方案設(shè)計

首先從工藝流程排查了造成芯片鈍化層損傷的環(huán)節(jié)，采用魚骨圖分析法整理了試制過程中相關(guān)的不利因素。芯片鈍化層損傷分析的魚骨圖如圖4所示。

圖4 芯片鈍化層損傷分析的魚骨圖

封裝試制過程包括圓片磨劃、上芯、引線鍵合、塑封及后續(xù)的切割和開、短路測試等。在確認(rèn)機(jī)臺本身無異常報警及加工參數(shù)的設(shè)定未超出管控值后，通過在前道的每個制程站點(diǎn)前、后設(shè)置高倍顯微鏡，全檢芯片的表面狀況，排除了鈍化層損傷來自于塑封前制程及人為因素。由于失效分析的結(jié)果指向芯片塑封過程與相應(yīng)的材料，可判定損傷與塑封后的切割及開、短路測試環(huán)節(jié)無關(guān)。需進(jìn)一步從塑封工藝參數(shù)與材料選型的角度，分析鈍化層損傷的原因并進(jìn)行改善。

3.1 塑封參數(shù)的影響分析與改進(jìn)方向

芯片塑封時的參數(shù)設(shè)定需考慮塑封材料自身的特性。在兼顧材料的流動性與加熱固化特性的基礎(chǔ)上，應(yīng)減少模流對芯片、焊線及器件的沖擊，并實(shí)現(xiàn)腔體的充滿，避免塑封體產(chǎn)生孔洞或溢膠缺陷。主要參數(shù)一般有材料預(yù)熱溫度、模具溫度、注塑壓強(qiáng)、注塑速度、合模壓力、固化時間及模具真空等[7]。針對影響芯片鈍化層損傷的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析并討論可行的參數(shù)改進(jìn)方向。

3.1.1 注塑壓強(qiáng)

在塑封過程中會將環(huán)氧塑封料加熱并熔融為熔體，將其注入模具并保持一定的注塑壓強(qiáng)，使材料交聯(lián)固化成型。注塑壓強(qiáng)通常需要根據(jù)模塑料的流動性和模具溫度而定。壓力設(shè)定過小，芯片塑封體的密度低，易出現(xiàn)孔洞，導(dǎo)致封裝易吸濕或被腐蝕，嚴(yán)重的情況下還會出現(xiàn)模具沒有被注滿，塑封料提前固化的情況。壓力設(shè)定過大，模腔內(nèi)塑封體的密度增加，流體內(nèi)部壓強(qiáng)上升，可能造成芯片表面損傷。在保證無空洞的前提下，參數(shù)改進(jìn)的方向?yàn)榻档妥⑺軌簭?qiáng)。

試制階段所使用的塑封機(jī)臺為BESI公司的Fico機(jī)型。通過稱量并計算塑封后剩余料餅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，可評估因注塑壓強(qiáng)降低而引起的材料密度變化。在不同注塑壓強(qiáng)下塑封后剩余料餅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表3所示，該型產(chǎn)品原設(shè)定注塑壓強(qiáng)為4.8 MPa，當(dāng)注塑壓強(qiáng)降低至4.4 MPa時，剩余料餅的質(zhì)量增加。在模腔空間體積保持不變的情況下，腔體內(nèi)塑封料的質(zhì)量減少，對應(yīng)產(chǎn)品塑封體的密度降低，預(yù)期可改善芯片鈍化層的損傷。

表3 不同注塑壓強(qiáng)下塑封后剩余料餅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

3.1.2 注塑速度

注塑速度的設(shè)定需要考慮模塑料的凝膠時間。對于凝膠時間短的材料，其注塑速度設(shè)定要稍快。注塑需要在材料凝膠化結(jié)束前完成。在防止模塑料提前固化造成內(nèi)引線沖斷或包封層缺陷的前提下，可適當(dāng)降低注塑速度，以減緩注塑起始階段的塑封模流對芯片的沖擊。

進(jìn)一步可基于流體力學(xué)的伯努利原理，分析塑封模流對芯片的作用力。應(yīng)用伯努利原理需對注塑模流做如下假設(shè)：模流的性質(zhì)不隨時間改變，模流的密度為常數(shù)，模流的摩擦效應(yīng)可忽略。塑封模腔內(nèi)的模流運(yùn)動如圖5所示，注入模腔的模流會沿基板表面流動，當(dāng)遇到貼裝的芯片后，模流會產(chǎn)生變化。當(dāng)模流流經(jīng)芯片表面時，可被視為局部區(qū)域的穩(wěn)態(tài)流動。

圖5 塑封模腔內(nèi)的模流運(yùn)動

穩(wěn)態(tài)流動的注塑流體的機(jī)械能守恒可表述為式（1），其中p為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)，v為流體中該點(diǎn)的流速，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為該點(diǎn)所在高度，而C是1個常量。

當(dāng)提升注塑速度時，流體中某點(diǎn)的流速v增大，流體內(nèi)的壓強(qiáng)p便會降低，即流體對模腔上模及芯片表面的壓力降低?；谑剑?）的分析結(jié)果，提升注塑速度有助于改善芯片鈍化層的損傷，但考慮到提升注塑速度對芯片焊線的沖擊較大，試驗(yàn)將通過降低注塑速度的方式，驗(yàn)證模流對芯片鈍化層損傷的影響。

3.1.3 合模壓力與合模段數(shù)

合模壓力的設(shè)定需要考慮在注塑過程中腔體排氣及溢膠問題。如設(shè)定壓力過小，容易在料條周圍出現(xiàn)溢膠問題，進(jìn)而導(dǎo)致腔體未能充滿，器件包封不良。如壓力設(shè)定過大，易導(dǎo)致腔體排氣不良，進(jìn)而產(chǎn)生氣泡，影響塑封質(zhì)量。

針對薄型化的封裝，為了兼顧排氣并控制溢膠風(fēng)險，合模壓力的設(shè)定常為分段階梯式（試制樣品采用2段階梯式），即在塑封料充滿腔體前先使用較低的合模壓力以增強(qiáng)排氣，待腔體充滿進(jìn)入保壓階段后，再提升合模壓力以控制溢膠。降低合模壓力有助于減小上模對模腔體積的擠壓，可減少塑封料對芯片表面鈍化層的損傷。此外，分段階梯式合模壓力的設(shè)定會引起模腔體積在塑封過程中產(chǎn)生一定變化，而1段式合模壓力的設(shè)定有助于塑封時維持模腔體積的穩(wěn)定。

基于以上分析，對芯片表面鈍化層損傷問題設(shè)計了以下2種改進(jìn)方案（原始方案參數(shù)：合模壓力以2段式加載，一階段壓力值為98 kN，二階段壓力值為245 kN）。

方案一：維持合模壓力的2段式加載，一階段壓力值仍為98 kN，二階段壓力值為245 kN。

方案二：合模壓力由2段式加載調(diào)整為1段式加載，其壓力值為215 kN，且在注塑全過程中恒定不變。

3.2 塑封材料的影響與材料選型改進(jìn)方向

在塑封材料層面，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注塑封料的應(yīng)用特點(diǎn)及材料間交互作用所形成的內(nèi)部應(yīng)力對芯片鈍化層產(chǎn)生的影響。

3.2.1 塑封材料的有效性問題

當(dāng)前塑封工藝中普遍使用熱固性的環(huán)氧模塑料，它通常是將環(huán)氧樹脂作為基體樹脂，以酚醛樹脂、酸酐類或胺類化合物作為固化劑，同時加入硅微粉、氧化鋁粉等作為填料，添加多種助劑進(jìn)行混配，形成粉狀或餅狀材料[6]。在塑封芯片時通過樹脂材料的交聯(lián)反應(yīng)固化成型。材料在運(yùn)輸及儲存過程中需在低溫下冷藏保存，防止材料提前固化導(dǎo)致失效。加工使用前材料需解凍，通常需要管控物料的解凍回溫時間和使用有效期?；販夭划?dāng)或物料超期會導(dǎo)致材料性質(zhì)發(fā)生改變，將影響注塑過程的穩(wěn)定性和材料的均勻性，特別是硅粉顆粒的聚集，在注塑壓強(qiáng)作用下易導(dǎo)致芯片鈍化層損傷。

A型塑封料屬于京瓷G1250系列，需冷藏避光保存（低于5℃）。材料的保質(zhì)期為6個月，回室溫后材料的管控壽命為48 h。調(diào)查材料的使用記錄，確認(rèn)均按照材料特性要求執(zhí)行，無回溫不良及超期問題，可排除材料管理不當(dāng)?shù)膯栴}。

3.2.2 材料間熱膨脹系數(shù)失配的影響

塑封料、芯片、基板三者間的熱膨脹系數(shù)（CTE）通常是失配的，易導(dǎo)致器件內(nèi)存在殘余應(yīng)力，在溫差較大的環(huán)境下易導(dǎo)致器件分層、焊線斷裂等。但在薄型化的封裝中，器件的縱向尺度遠(yuǎn)小于橫向尺度，CTE失配所帶來的影響主要是沿著材料界面的切向應(yīng)力。該應(yīng)力易使芯片上附著力弱的金屬化層產(chǎn)生滑移，甚至鈍化層破裂造成電路層間的短路或開路[8]。這類缺陷易出現(xiàn)在芯片的邊緣界面處，而鈍化層破裂也會帶有裂紋擴(kuò)展，與此次試制所遇到的芯片鈍化層表面隨機(jī)位置的點(diǎn)狀損傷現(xiàn)象不一致，因此可判定材料間CTE失配不是導(dǎo)致該缺陷的主要原因。

3.2.3 塑封料內(nèi)填料顆粒尺寸的影響

根據(jù)失效分析結(jié)果，氧化硅顆粒（石英砂）與鈍化層損傷直接相關(guān)。而塑封料內(nèi)添加無機(jī)填料的主要目的是減小材料的CTE。如果填充顆粒沒有經(jīng)過倒角處理（非球形顆粒），接觸到芯片的顆粒易刺傷鈍化層及金屬化層，造成芯片開路或短路[9]。經(jīng)查閱該型塑封料的技術(shù)文檔[10]，填充物的顆粒結(jié)構(gòu)為球形，結(jié)合失效分析，可排除是顆粒尖銳處刺傷鈍化層所致。

考慮到鈍化層的損傷形貌多呈現(xiàn)為數(shù)十微米的凹坑，且試制樣品的塑封層厚度偏薄，懷疑是個別大尺寸的填料顆粒受模具合模壓力的影響，直接作用于芯片表面造成壓傷，為了探究這一可能性，選擇了另一款B型塑封料作為對照驗(yàn)證。

A、B型2種塑封料的關(guān)鍵參數(shù)對比如表4所示，其中A型為試制初始選用的塑封料。B型塑封料因其顆粒的平均尺寸更小，填料比例更高，填料顆粒整體更細(xì)，更低的收縮率也有助于降低材料固化后塑封體內(nèi)的應(yīng)力水平。

表4 A、B型塑封料關(guān)鍵參數(shù)對比

通過剖切塑封后的樣品可直接觀察填料顆粒的分布情況并測量顆粒的尺寸，A、B型塑封料填料顆粒的均勻度切片對比結(jié)果如圖6所示。B型塑封料的視野區(qū)內(nèi)的最大顆粒約為68μm，且尺寸分布更為集中，異形顆粒少。而A型塑封料的顆粒尺寸分布較為離散，該視野區(qū)的最大顆粒的尺寸已超過110μm，且存在非球形的棒狀顆粒。由于芯片表面至塑封體表面的理論設(shè)計值僅有125μm，在上模的擠壓作用下，大尺寸的顆粒易造成芯片表面損傷。

圖6 A、B型塑封料填料顆粒的均勻度切片

從保持注塑空間充裕性的角度看，提升產(chǎn)品塑封層的厚度等效于選擇具有更精細(xì)填料顆粒的塑封料，兩者均有助于改善模具上模直接壓迫大顆粒填料、導(dǎo)致芯片表面損傷的情況。

3.3 試驗(yàn)方案與改進(jìn)結(jié)果

基于3.1及3.2節(jié)的分析，將芯片鈍化層損傷造成的失效率劃分為高（3×10-3～4×10-3）、中（1×10-3～2×10-3）、低（低于1×10-3）和無（未發(fā)現(xiàn)損傷）4個區(qū)間進(jìn)行比較，試驗(yàn)設(shè)計方案與驗(yàn)證結(jié)果如表5所示。表5中水平“1”代表試制的原始條件，水平“－1”在4個驗(yàn)證項(xiàng)目中分別代表降低注塑壓強(qiáng)/合模壓力、降低注塑速度、合模段數(shù)設(shè)定為1段式以及采用B型塑封料。

表5 試驗(yàn)設(shè)計方案與驗(yàn)證結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）降低注塑壓強(qiáng)/合模壓力及選用填料顆粒尺寸更精細(xì)的塑封料對芯片鈍化層的損傷均有一定的改善效果，但是試驗(yàn)時所選用的注塑壓強(qiáng)與合模壓力均已為機(jī)臺規(guī)格能力的下限值，仍未能完全解決鈍化層的損傷問題；（2）注塑速度的變化對芯片鈍化層的損傷無顯著影響，不屬于主要影響因素；（3）采用1段式合模壓力的設(shè)定后，芯片鈍化層的損傷問題得到了有效的解決。

4 合模段數(shù)與鈍化層損傷機(jī)理分析

2段式合模過程對塑封層的擠壓作用如圖7所示。

圖7 2段式合模過程對塑封層的擠壓作用

為了兼顧模腔排氣并控制溢膠，塑封過程中會考慮采用2段階梯式合模壓力設(shè)置：設(shè)定較低的初始合模壓力，當(dāng)腔體已注滿熔融的塑封料并完成排氣時，注塑壓強(qiáng)開始提升并逐步進(jìn)入保壓階段；注滿腔體后塑封料會由粘流態(tài)快速固化，此時第二段合模壓力變化引起的模具形變在一定程度上會壓縮腔體的有效體積，因而使塑封料對芯片表面產(chǎn)生自上而下的壓力，該壓力會分散于料條表面，受限于薄型化封裝，較大顆粒的填料在薄塑封層中便容易造成芯片鈍化層的損傷。如采用1段式合模壓力，模腔空間體積在整個塑封過程中是穩(wěn)定的，可避免二次擠壓塑封料對芯片表面鈍化層造成損傷。從產(chǎn)品設(shè)計的角度看，更厚的塑封層會對腔體體積變化及填料顆粒的尺寸有更大的寬容度，因此不易造成芯片損傷。

5 結(jié)論

本研究針對薄型化封裝試制過程中出現(xiàn)的芯片表面鈍化層損傷問題，剖析了鈍化層損傷的特征，通過排查封裝工藝的方式鎖定了損傷來自于塑封料內(nèi)的二氧化硅填料顆粒。通過改進(jìn)塑封工藝并與不同塑封材料進(jìn)行對照驗(yàn)證，確認(rèn)了塑封合模壓力的施加過程與芯片鈍化層損傷具有直接關(guān)聯(lián)。采用215 kN的1段式合模壓力設(shè)定，可有效改善該缺陷。2段階梯式合模壓力的設(shè)定引起塑封過程中模具的輕微形變，在一定程度上會壓縮塑封腔體的有效體積，使固化中的塑封料對芯片表面產(chǎn)生自上而下的壓力，進(jìn)而損傷芯片鈍化層及下層電路。因此薄型封裝在塑封時應(yīng)優(yōu)先選擇1段式合模壓力工藝。如需應(yīng)用2段階梯式合模壓力以兼顧腔體排氣及控制溢膠，可配合降低注塑壓強(qiáng)、合模壓力并選擇填料顆粒尺寸更為精細(xì)的塑封料，以降低芯片塑封時鈍化層受損導(dǎo)致開、短路的風(fēng)險。