倒裝芯片拉脫試驗(yàn)分析與測(cè)試方法改進(jìn)研究

丁榮崢，馬國(guó)榮，陳波，楊軼博

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035；2.三江學(xué)院, 江蘇 南京 210012）

0 引言

倒裝芯片工藝越來越廣泛地應(yīng)用于芯片與管殼/基板互連中。目前，倒裝芯片拉脫試驗(yàn)均采用GJB 548B-2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》方法2031倒裝片拉脫試驗(yàn)[1]來測(cè)量芯片與外殼/基板之間的鍵合強(qiáng)度。試驗(yàn)中，要求拉開棒施力與芯片表面法線方向保持在5°范圍內(nèi)，且拉開棒與芯片表面無沖擊，如圖1所示。 《集成電路封裝試驗(yàn)手冊(cè)》也基本遵循此測(cè)試方法[2]。部分文獻(xiàn)中涉及的倒裝芯片拉脫試驗(yàn)與上述有所不同，填充后或?qū)嵎獾男酒撛囼?yàn)則不在本文范圍內(nèi)討論[3]。

圖1 倒裝片接觸工具和芯片上表面剛性機(jī)械粘接

在方法2031測(cè)試方法中，芯片與拉開棒的剛性接觸，因此不同的人測(cè)試同一批產(chǎn)品，尤其在倒裝片的芯片面積比較大時(shí)，數(shù)值偏差較大。分析確認(rèn)設(shè)備量程、提升速率、拉開棒與芯片表面粘接有效面積和測(cè)試儀準(zhǔn)確度均不是主要因素，而是由于拉開棒與芯片表面呈一定的小角度，使微測(cè)試儀DAGE 4000施加在倒裝片芯片上的力呈現(xiàn)一邊比較大，產(chǎn)生倒裝片的單側(cè)部分互連凸點(diǎn)被撕裂，使拉脫測(cè)試值偏小，不是倒裝片鍵合強(qiáng)度的真實(shí)值，參見圖2。

圖2 剛性接觸，施力不均使開裂先從某一邊開始

當(dāng)芯片面積比較小時(shí)，顯然施力垂直度對(duì)施加力的均勻性影響不大；但當(dāng)芯片面積大（如10 mm×10 mm甚至更大時(shí)），會(huì)出現(xiàn)某側(cè)邊凸點(diǎn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象，使凸點(diǎn)先被撕裂，導(dǎo)致芯片測(cè)試值與真實(shí)值之間的誤差增大。

為了提高倒裝片拉脫試驗(yàn)的測(cè)試精確度，需要對(duì)倒裝片拉脫試驗(yàn)的測(cè)試方法進(jìn)行改進(jìn)，消除測(cè)試施力因單邊先施力而帶來的測(cè)試值與真實(shí)強(qiáng)度之間的誤差，以真實(shí)地反映倒裝片整體的拉脫強(qiáng)度。

1 倒裝片測(cè)試方案優(yōu)化

針對(duì)剛性施加存在施加力容易有單邊先加力，局部被先撕裂而帶來整體的拉脫強(qiáng)度測(cè)試值偏低的問題，可以通過圖3、4兩種方法來施加拉脫力，消除測(cè)量誤差。

圖3所表示的尼龍等軟繩子不僅僅可以消除施力垂直度問題，還可以降低剛開始接觸施加力所帶來的沖擊力。

圖3 微測(cè)試儀DAGE 4000拉桿力通過軟繩施加于拉開棒

圖4所示的接觸工具球形可以很好地消除垂直度問題，測(cè)試儀拉桿與球部接觸處有凹坑可以起到導(dǎo)向作用。

圖4 微測(cè)試儀DAGE 4000拉桿力通過球形接觸施加于拉開棒

2 改進(jìn)測(cè)試夾具的實(shí)際使用情況

采用圖3和圖4改進(jìn)后的倒裝片拉脫試驗(yàn)夾具，測(cè)試值再未出現(xiàn)異常情況，測(cè)試表明改進(jìn)有效。

在實(shí)際的測(cè)試中，采用繩套結(jié)構(gòu)的，測(cè)試儀拉桿接觸面一定要圓滑，以減小摩擦所帶來的影響；另，繩子容易因捆綁不牢而導(dǎo)致測(cè)試失敗，故建議主要使用接觸工具的球形面與測(cè)試儀拉桿的凹面配合的金屬接觸來施力，即圖4所示的結(jié)構(gòu)更優(yōu)，消除了繩子可能存在的打滑現(xiàn)象。

尼龍繩子等具有一定的緩沖作用，可以部分消除沖擊力的影響，尤其在測(cè)試凸點(diǎn)數(shù)少，焊接面比較小的時(shí)候，按（4.9±0.98）N/s 的拉升速率施加力還是有一定程度的影響的。

3 改進(jìn)測(cè)試方法與測(cè)試數(shù)據(jù)分析

采用同一生產(chǎn)批FC-CLGA 160外殼15只，用于凸點(diǎn)焊接的焊盤直徑為φ 110 μm，W金屬化層上鍍Ni-Au，其中金層厚度小于0.5 μm；同一批硅集成電路芯片，凸點(diǎn)材料為Sn5Pb95材料，焊盤直徑為φ 100 μm，凸點(diǎn)直徑為φ 110 μm，凸點(diǎn)總個(gè)數(shù)為114；采用無助焊劑和助焊劑2中焊接方式進(jìn)行倒扣焊接，焊接工藝曲線如圖5、6所示。

圖5 無助焊劑回流焊接工藝曲線

圖6 助焊劑回流焊接工藝曲線

根據(jù)GJB 548B-2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》方法2031倒裝片拉脫試驗(yàn)的失效判據(jù)，X的最小值為：

X=760（N/cm2）×凸點(diǎn)平均面積cm2）×凸點(diǎn)數(shù)

計(jì)算得： X=760（N/cm2）×3.14×（0.005cm）2×114=6.80 N=0.68 kg。

倒裝片拉脫試驗(yàn)測(cè)試儀器均采用BT 22，10 kg拉力傳感器進(jìn)行測(cè)量。

采用圖2所示的測(cè)試夾具，對(duì)采用無助焊劑回流焊接的5只樣品進(jìn)行拉脫測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 卡式夾具測(cè)試試的倒扣焊拉脫強(qiáng)度kg

采用圖4所示的測(cè)試夾具，對(duì)采用無助焊劑回流焊接和助焊劑回流焊接的各5只樣品進(jìn)行拉脫測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。助焊劑回流焊接的樣品通常很難完全清洗干凈，殘留有助焊劑；無助焊劑回流焊接則可以保證任何殘留，因而其拉脫強(qiáng)度測(cè)試值為純倒扣焊的強(qiáng)度，見圖7。

表2 改進(jìn)夾具測(cè)試試的倒扣焊拉脫強(qiáng)度kg

從表1、2的測(cè)試數(shù)據(jù)來看，可以得出實(shí)際的倒裝片拉脫強(qiáng)度最小為3.15 kg，其遠(yuǎn)大于失效判據(jù)0.68 kg。

從表2可以看出，測(cè)試夾具改進(jìn)的測(cè)試值普遍比較高，改進(jìn)夾具測(cè)試2個(gè)批次樣品的平均值為4.20 kg和4.24 kg，較改進(jìn)前的拉脫強(qiáng)度平均值3.35 kg有25%以上的增幅；2種回流焊接工藝的10只測(cè)試樣品中的最小拉脫強(qiáng)度為3.80 kg，比未改進(jìn)夾具前的5只測(cè)試樣品中的最大拉脫強(qiáng)度3.55 kg也有7%以上的增幅度，這些均表明測(cè)試改進(jìn)是有效的，顯著地減少了測(cè)試夾具帶來的測(cè)量值的誤差，改進(jìn)拉脫測(cè)試夾具能真實(shí)地反映倒裝片拉脫試驗(yàn)的真實(shí)值。

圖7 無助焊劑回流焊接和助焊劑回流焊接倒裝片拉脫后的表面

4 結(jié)論

傳統(tǒng)剛性卡式施力，要求測(cè)試施力方向要求高，控制困難，常常引起測(cè)試值存在極大的波動(dòng)，測(cè)試值與真實(shí)值之間存在很大的偏差，影響統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性，建議謹(jǐn)慎采用。

倒裝片拉脫試驗(yàn)方法改進(jìn)是有效的，實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)符合正態(tài)統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律。

2種倒裝片拉脫測(cè)試的柔性繩、球形與凹坑施力方式的改進(jìn)，可以保證施力能垂直于倒裝片芯片表面，并且不產(chǎn)生施力不均問題，均有效地消除了卡式剛性施力帶來的測(cè)試誤差問題。

在改進(jìn)施力接觸方式的2種方式中，由于繩子耐磨性等問題，不適合長(zhǎng)期使用，需要及時(shí)更新；剛性球形與凹坑接觸可長(zhǎng)期反復(fù)地使用。

[1]中國(guó)人民解放軍總裝備部.GJB 548B-2005微電子器件試驗(yàn)方法和程序[M].北京：總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2005.

[2]王先春.集成電路封裝試驗(yàn)手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998.

[3]吳豐順，吳懿平，鄔博義，等.倒裝芯片各向異性導(dǎo)電膠互連的剪切結(jié)合強(qiáng)度[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2004，25（3）：340-345.