密封半導(dǎo)體器件中多余物的提取和控制研究

舒禮邦，張靜，王瑞曾

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十五研究所，江蘇 南京 210016）

0 引言

高低溫循環(huán)是一種快速暴露金屬腔體器件缺陷的應(yīng)力條件，可用于考核器件內(nèi)外結(jié)構(gòu)和電性能；而器件中存在多余物則可能引起電路短路，不僅會(huì)造成電性能參數(shù)異常，甚至?xí)绊戨娮釉O(shè)備的穩(wěn)定性，而且是器件應(yīng)用中的一種主要失效模式[1-2]。因此，通過(guò)分析多余物并追溯存在缺陷的環(huán)節(jié) （包括設(shè)計(jì)、材料和微組裝工藝等），并進(jìn)行工藝整改就顯得格外重要；金屬腔體器件多余物提取和控制方法的研究是提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的重要手段。

1 多余物的引入和檢測(cè)

1.1 多余物的引入途徑

以典型的金屬腔體器件——微波功率管為例，在其生產(chǎn)與微組裝工藝中，可能會(huì)引入金屬碎屑、殘留的焊渣、引線(xiàn)尾絲、纖維絲和陶瓷基板破碎的顆粒、硅碎片和灰塵等。不同的多余物其引入途徑也不同，金屬碎屑常因在精加工中管殼殘留的毛刺而形成，高壓氮?dú)鈽寷_刷管殼不徹底也會(huì)形成金屬碎屑[3]；電鍍前管殼的殼體表面預(yù)處理不良、表面氧化等造成鍍層剝落而形成多余物；微波電路完成微焊接后，通過(guò)手工切割微帶尺寸而實(shí)現(xiàn)微調(diào)微波電路參數(shù)的過(guò)程，鍵合尾絲容易留在管殼內(nèi)形成多余物[4]，可見(jiàn)不同的工藝所引入的多余物也不同。

1.2 多余物的檢測(cè)手段

腔體內(nèi)多余物按照是否可動(dòng)分為可移動(dòng)和不可移動(dòng)兩種。目前，顆粒碰撞噪聲檢測(cè) （PIND）[5-6]是檢驗(yàn)可移動(dòng)多余物的主流檢測(cè)手段[7-9]。另外也可采用X射線(xiàn)拍照法檢測(cè)可動(dòng)多余物，但是需要拍攝兩張X照片[10]。前者方法簡(jiǎn)單、快捷、精度高，后者對(duì)多余物的材質(zhì)和密度要求苛刻，而且檢測(cè)費(fèi)用昂貴。器件中產(chǎn)生可動(dòng)多余物的危害最大，國(guó)外早在20世紀(jì)60年代就曾有過(guò)因器件內(nèi)掉落的一小段導(dǎo)線(xiàn)引起故障并造成重大損失的事件[11]。

2 器件加速應(yīng)力試驗(yàn)

在高低溫循環(huán)中，因?yàn)槠骷鞑糠值臒崤蛎浵禂?shù)、彈性模量存在差異會(huì)造成器件內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)、鍵合點(diǎn)，以及微焊接處的焊料發(fā)生斷裂、分層和脫落現(xiàn)象。這種加速疲勞過(guò)程會(huì)提早暴露出存在多余物這一失效模式。隨后失效樣品進(jìn)行恒定加速度和PIND試驗(yàn)[12]。最終篩選出存在多余物顆粒的半導(dǎo)體器件，其PIND失效波形如圖1所示。

圖1 存在多余物的圖譜

篩選試驗(yàn)沒(méi)有提高產(chǎn)品的固有可靠性，這是因?yàn)樵骷谏a(chǎn)工藝的各個(gè)環(huán)節(jié)中導(dǎo)致的失效模式已固定下來(lái)，只有糾正工藝才能提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性[13]。

3 多余物的提取和分析

3.1 改進(jìn)開(kāi)洞PIND的提取方法

根據(jù)半導(dǎo)體器件所用的材料，可將封裝形式分為金屬封裝、陶瓷封裝、金屬-陶瓷封裝和塑料封裝，開(kāi)洞PIND法應(yīng)根據(jù)不同封裝的封帽材質(zhì)選擇不同的鉆孔方法。對(duì)于金屬封帽 （可伐或鎢銅合金），可采用直徑不超過(guò)1 mm的鉆頭鉆孔；而對(duì)于氧化鋁陶瓷封帽，則要用激光打孔機(jī)開(kāi)孔；塑封器件中的整個(gè)芯片被聚合材料完全包裹住，其內(nèi)部沒(méi)有空腔，故開(kāi)洞PIND法并不適用于塑封器件的多余物失效分析[14]，但是，這些制約因素并不影響開(kāi)洞PIND提取方法的通用性。本文以可伐合金封裝的微波功率管器件為實(shí)例，詳細(xì)地論述了開(kāi)洞PIND法中的創(chuàng)新工藝方法。

3.1.1 確定最佳的盲孔厚度

為了確定可伐封帽的最佳打孔深度，需要不斷地試驗(yàn)。最佳盲孔厚度的判斷原則是開(kāi)孔即不會(huì)很費(fèi)力而造成封帽凹陷變形，也不會(huì)很輕松地造成盲孔處封帽材料掉落。常規(guī)的封帽厚度有0.15、0.25和0.40 mm。針對(duì)這3種尺寸，用測(cè)量量程12.7 mm，測(cè)量精度1 μm的千分表實(shí)時(shí)地測(cè)量打孔深度，并記錄開(kāi)孔效果，如表1、2和3所示。

表1 不同盲孔厚度下的150 μm厚封帽的開(kāi)孔情況

表2 不同盲孔厚度下的250 μm厚封帽的開(kāi)孔情況

表3 不同盲孔厚度下的400 μm厚封帽的開(kāi)孔情況

從表中數(shù)據(jù)可知，對(duì)于金屬 （可伐或鎢銅）封帽只要盲孔厚度在25～30 μm之間，既可保證開(kāi)孔大小合適且力度適中。由于所用的針尖直徑為0.06 mm，且在0.95 kg剛好戳穿，從而得到戳穿盲孔時(shí)的最小壓強(qiáng)值336.16 kg/mm2。盲孔厚度和最小壓強(qiáng)可定量化指導(dǎo)開(kāi)孔，克服以往依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)的缺點(diǎn)。

3.1.2 三棱錐針的開(kāi)孔工藝

針尖直徑為0.06 mm的三棱錐針具有鋒利的3條棱，針尖卻不細(xì)長(zhǎng)。而同樣針尖直徑的圓錐形針尖過(guò)于細(xì)長(zhǎng)。兩種針均可戳穿25～30 μm金屬封帽盲孔，其主要區(qū)別在于：圓錐形針尖的戳入深度在1.43 mm左右，而常規(guī)微波功率管中芯片到封帽的距離 h 在 2.4～2.7 mm， 1.43 mm 的深度很可能導(dǎo)致針尖戳碰到內(nèi)部芯片；而三棱錐針只靠3條鋒利的棱切破盲孔，戳入深度僅0.50 mm左右，可見(jiàn)即使h小于2.4 mm也不會(huì)戳碰到內(nèi)部金絲，三棱錐針和圓錐針戳穿效果圖如2（a）和2（b）所示。圖2（c）說(shuō)明400 μm厚金屬封帽，圓錐針戳穿深度也在1 mm以上，增加封帽厚度并不會(huì)顯著地減少圓錐針的戳穿深度，相比之下，三棱錐針無(wú)論在哪種封帽厚度下其戳入深度均很小。顯然，封帽材料為陶瓷，三棱錐針的戳入深度相對(duì)圓錐針也更小。

圖2 三棱錐針和圓錐針的戳穿效果

三棱錐針在金屬封帽開(kāi)孔，以及在將孔擴(kuò)大的過(guò)程中，均是借助3條鋒利棱施加穩(wěn)定的切割力，這種力保證了三角孔只形成3條光滑的卷邊，卷邊少且光滑意味著降低了開(kāi)孔工藝中掉落封帽碎屑的風(fēng)險(xiǎn)。而傳統(tǒng)的圓錐針在開(kāi)孔過(guò)程中施加的是一種擠壓擴(kuò)展的不均勻力，這種力導(dǎo)致擴(kuò)孔過(guò)程不便于控制，以及在圓孔周?chē)a(chǎn)生很多細(xì)小的卷邊毛刺，這些均是在開(kāi)孔工藝中盡量避免的。圖3（a）、（b）為兩種不同針的開(kāi)孔效果，顯然，圖3（a）中的三角孔只有3個(gè)卷邊且邊緣光滑；而圖3（b）中的圓孔周?chē)哂邢喈?dāng)多的卷邊和毛刺。如果封帽材料是陶瓷，那么三棱錐針相對(duì)圓錐針在開(kāi)孔過(guò)程中所產(chǎn)生的陶瓷碎屑更少且更完整。

圖3 三棱錐針和圓錐針的開(kāi)孔效果

GJB 548定義了GaAs微波器件多余物尺寸≥25 μm，選用的三棱錐針的直徑為1.16 mm，針尖直徑為0.06 mm，而所開(kāi)三角形孔的尺寸為0.46 mm×0.44 mm×0.43 mm，其面積大約為0.087 mm2，尺寸相當(dāng)于多余物尺寸的100倍左右，保證了多余物可以從三角孔中順利地掉落；采用的三棱錐針的實(shí)物如圖4（a）和（b） 所示。

圖4 三棱錐針

3.1.3 封帽染色工藝

將鉆好盲孔的密封半導(dǎo)體器件放置在50倍顯微鏡下觀(guān)察，并用有色有機(jī)溶劑類(lèi)溶液對(duì)盲孔及其周?chē)恍K區(qū)域染色。這里選擇有機(jī)型溶液的重要目的之一是能在光滑的封帽面 （金屬或陶瓷封帽）染上清晰且厚度合適的有色區(qū)域，達(dá)到對(duì)封帽材料標(biāo)示的目的，如圖5（a）所示；其次，染色好的器件倒扣在PIND臺(tái)面上，由于凹陷的小孔無(wú)法將顏料染在能譜分析膠上，而其周?chē)姆饷眳s可以將顏料染在能譜分析膠上，最終將多余物的尋找區(qū)域定位在一個(gè)紅色圓環(huán)內(nèi)，如圖5（b）所示，實(shí)現(xiàn)縮小尋找多余物有效半徑的目的；最終，在環(huán)形區(qū)域內(nèi)的紅色顆粒為封帽碎屑，而非紅色顆粒為真實(shí)多余物，染色工藝對(duì)真實(shí)多余物的判斷給出了一種更科學(xué)、準(zhǔn)確的判斷方法。

圖5 封帽染色

將開(kāi)洞后的器件貼在裝有能譜分析膠帶的PIND臺(tái)面上試驗(yàn)，直到譜形正常[15]，多余物的提取過(guò)程完成。

3.1.4 確定合理開(kāi)孔位置

確定合理的開(kāi)孔位置并不是對(duì)PIND開(kāi)洞法的改進(jìn)，這里給出一個(gè)指導(dǎo)原則：在經(jīng)費(fèi)允許的條件下對(duì)半導(dǎo)體器件做X光照射，將器件封帽下方處芯片、金絲或片式元件最少的地方作為開(kāi)孔位置。這不僅是因?yàn)樵诖链┟た讜r(shí)可以避免損壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而且也便于多余物掉落出來(lái)。在提取多腔體器件多余物的過(guò)程中，更應(yīng)充分利用該原則，在每個(gè)腔體的上方選擇出合理的打孔位置，通過(guò)逐一打孔而提取出各個(gè)腔體內(nèi)的多余物。

3.2 判定多余物的成分并溯源

在高倍 （150～400倍）顯微鏡下觀(guān)察，多余物是7個(gè)具有黃白色金屬光澤的顆粒，其直徑為30～60 μm，如圖6（a）所示；掃描電鏡-能譜分析結(jié)果如圖6（b）所示。多余物中的元素為Au和Sn，還有少量的C和O，判定為金錫焊料顆粒。

圖6 多余物的判定

為了排除產(chǎn)生金錫焊料顆粒的偶然性，又對(duì)另外幾個(gè)批次中的失效器件進(jìn)行了多余物提取試驗(yàn)，結(jié)果仍是同種多余物，說(shuō)明管殼中產(chǎn)生的金錫焊料不是單一批次問(wèn)題。追溯微組裝工藝的工藝流程可知：金錫焊料殘?jiān)淮嬖谛酒臒Y(jié)工藝中，雖然功率管芯片的組裝順序是芯片先燒結(jié)在載體上，再將載體燒結(jié)在底座上，該方法便于清洗殘留焊渣[16]，但在手工燒結(jié)時(shí)對(duì)專(zhuān)業(yè)經(jīng)驗(yàn)的要求高，燒結(jié)工藝的關(guān)鍵參數(shù)不易掌握，容易導(dǎo)致焊料殘留。

4 多余物控制和可靠性改進(jìn)

4.1 多余物的控制

多余物為金錫焊料表明金錫共晶燒結(jié)工藝存在缺陷，而燒結(jié)后的管芯在內(nèi)部目檢后仍然裝入管殼說(shuō)明質(zhì)檢過(guò)程存在不足，據(jù)此對(duì)兩個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行糾正。

4.1.1 燒結(jié)工藝中的缺陷和改進(jìn)

影響金錫共晶燒結(jié)質(zhì)量的因素主要有：燒結(jié)時(shí)間、燒結(jié)溫度、燒結(jié)氣氛、焊料氧化、焊料厚度、管座和芯片背面的金屬化層可焊性，以及燒結(jié)所用的夾具和施加的壓力大小等[17-18]。其中，通過(guò)控制燒結(jié)溫度、燒結(jié)時(shí)間、燒結(jié)所施加的力這些重要的工藝參數(shù)可以讓焊料充分地潤(rùn)濕管座和芯片背面的金屬化層，形成可靠的焊接區(qū)域，但這非常依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)，成為3種缺陷。

a）焊接時(shí)間和溫度難以準(zhǔn)確地控制

焊接時(shí)間過(guò)短，則會(huì)造成焊料熔化不充分，焊接區(qū)虛焊；焊接時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則焊料容易從縫隙中溢出。Au80Sn20焊料的熔點(diǎn)在280℃，焊接溫度要選為330℃，即要高于熔點(diǎn)50℃，合適的溫度能夠保證焊料具有較好的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性，而潤(rùn)濕開(kāi)始時(shí)就應(yīng)停止加熱，過(guò)長(zhǎng)的加熱時(shí)間會(huì)導(dǎo)致多余的焊料流動(dòng)，可見(jiàn)焊接溫度和時(shí)間并不獨(dú)立地產(chǎn)生影響，這就增加了工藝控制的難度；手動(dòng)焊接中焊接時(shí)間和溫度的難以控制卻給金錫焊料顆粒的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。

b）摩擦壓力難以控制

每個(gè)人所施加的力不可能一樣，摩擦壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致芯片和載體間溢出多余的金錫焊料珠，冷卻后成為多余物。

c)燒結(jié)氣氛無(wú)法控制

手工燒結(jié)是完全暴露在空氣中的，而金錫焊料中的Sn和O2在高溫下反應(yīng)而形成氧化物膜，影響了金錫共晶過(guò)程，容易導(dǎo)致多余物的產(chǎn)生。

這3種缺陷都是假設(shè)焊料片、管座和芯片背面的金屬化層均無(wú)污染物的，如果有污染物存在，污染物就會(huì)在共晶過(guò)程中形成氣泡，氣體的積累導(dǎo)致氣泡破裂，這種高速氣體使得金錫焊料被噴射出去，這也是形成焊料顆粒多余物不可忽視的一個(gè)原因。

引進(jìn)真空燒結(jié)設(shè)備只要設(shè)定好焊接曲線(xiàn)即可以完成焊接過(guò)程，對(duì)人員經(jīng)驗(yàn)的依賴(lài)度低，一次性改正了3種缺陷，但是焊接曲線(xiàn)的設(shè)定將成為難點(diǎn)，需要不斷地摸索并確定最優(yōu)曲線(xiàn)。

4.1.2 內(nèi)部目檢中的不足和糾正

燒結(jié)后芯片必須經(jīng)內(nèi)部目檢，該工藝中顯微鏡的放大倍數(shù)為200，滿(mǎn)足基本的鏡檢要求，但不同的人其經(jīng)驗(yàn)也不同，會(huì)造成存在漏剔多余物的現(xiàn)象。這可參考GJB 548B方法2010.1多余物控制程序中的要求，先進(jìn)行75～150倍的低倍觀(guān)察，再進(jìn)行400倍以上的觀(guān)察，確保多余物不被遺漏。

4.1.3 控制效果監(jiān)督

工藝線(xiàn)整改后，對(duì)幾個(gè)批次進(jìn)行跟蹤并確認(rèn)控制措施是否收到滿(mǎn)意的效果。這幾個(gè)批次的PIND篩選結(jié)果如表4所示。

表4 改進(jìn)工藝后PIND失效率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表4可知，工藝改進(jìn)后的產(chǎn)品失效率基本控制在2%左右，雖然失效率存在一定的波動(dòng)，但總體上是穩(wěn)定的，可見(jiàn)對(duì)多余物的溯源是準(zhǔn)確的，控制措施提高了產(chǎn)品的合格率和可靠性[19]。

5 結(jié)束語(yǔ)

密封半導(dǎo)體器件中的多余物要想得到很好的控制關(guān)鍵在于是否能夠準(zhǔn)確地提取到多余物。而改進(jìn)的開(kāi)洞PIND法在原來(lái)經(jīng)典的方法中加入三棱錐針開(kāi)孔、封帽染色等工藝。這些工藝減少了引入封帽碎屑和戳碰到內(nèi)部金絲芯片的風(fēng)險(xiǎn)，以及利用顏色來(lái)科學(xué)、有效地分辨出外引入物和真實(shí)多余物，最終提高了提取多余物方法的可信性，即提高了定位缺陷工藝的可信性；通過(guò)PIND失效率數(shù)據(jù)又進(jìn)一步地驗(yàn)證了改進(jìn)工藝的效果，最終實(shí)現(xiàn)多余物的控制，提高產(chǎn)品可靠性。

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