軍用裸芯片KGD篩選方法探討

虞勇堅(jiān)，呂 棟，鄒巧云，馮 佳，陸 堅(jiān)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇無(wú)錫 214035）

1 引言

軍用SIP、MCM、混合IC等先進(jìn)封裝產(chǎn)品對(duì)裸芯片的需求日益增大，選用通過(guò)可靠性篩選后的KGD（Known Good Die）是確保最終產(chǎn)品成品率和可靠性的有效保障。在裸芯片的標(biāo)準(zhǔn)制定和選用方面國(guó)外起步較早，美國(guó)、日本和歐洲在上世紀(jì)90年代即已開(kāi)始頒布和實(shí)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中有美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIA）于1996發(fā)布的JEDEC標(biāo)準(zhǔn)EIA/JESD49 KGD采購(gòu)標(biāo)準(zhǔn)[1]，后于2009年作了修訂[2]；日本電子工業(yè)協(xié)會(huì)（EIAJ）在1999年發(fā)布了EIAJEDR-4703裸芯片質(zhì)量保證指南[3]；歐洲于2000年頒布了ES59008半導(dǎo)體芯片數(shù)據(jù)要求[4]；2005年國(guó)際電工委員會(huì)頒布了IEC62258半導(dǎo)體芯片標(biāo)準(zhǔn)[5]。在國(guó)外的這些標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)裸芯片質(zhì)量和可靠性保證提出了指導(dǎo)性規(guī)范，并在裸芯片KGD篩選的設(shè)備方面已有較為成熟的產(chǎn)品。

國(guó)內(nèi)目前有一些科研院所特別是軍工和航天院所在開(kāi)展軍用裸芯片的KGD技術(shù)研究[6-7]，并取得了一定的突破，但在參考標(biāo)準(zhǔn)方面，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中除GJB2438A-2002《混合集成電路通用規(guī)范》[8]、GJB 548B-2005《微電子試驗(yàn)方法和程序》[9]和GJB597B-2012《半導(dǎo)體集成電路通用規(guī)范》[10]中對(duì)裸芯片有一些相對(duì)簡(jiǎn)單的評(píng)價(jià)要求外，還沒(méi)有形成專用的裸芯片選用標(biāo)準(zhǔn)。

本文基于現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)、本單位具備的檢測(cè)設(shè)備和凈化檢驗(yàn)環(huán)境，針對(duì)KGD獲取方式中的分立裸芯片，通過(guò)對(duì)單個(gè)芯片進(jìn)行臨時(shí)夾具的裝載/卸載，開(kāi)展了電老煉和測(cè)試研究工作，建立了一套適合裸芯片的KGD篩選流程、方法和篩選環(huán)境控制方法。

2 裸芯片KGD篩選方法

當(dāng)不具備在整片晶圓上進(jìn)行篩選的條件時(shí)，可直接對(duì)切割后的分立裸芯片進(jìn)行篩選，同樣可以獲得滿足質(zhì)量和可靠性要求的KGD，本文將主要探討建立分立裸芯片的KGD篩選方法。

2.1 篩選方法

國(guó)內(nèi)各家研究單位在軍用KGD的裸芯片篩選方面雖有一定研究基礎(chǔ)，但由于尚未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，大都參照GJB548B-2005《微電子試驗(yàn)方法和程序》開(kāi)展相應(yīng)的研究和試驗(yàn)工作[6-7]。本文基于現(xiàn)有的電測(cè)試、老煉設(shè)備和凈化檢驗(yàn)環(huán)境，提出了適合作為分立裸芯片的KGD篩選方法，篩選方法主要包括鏡檢→高溫貯存→常溫電測(cè)試→電老煉→三溫電測(cè)試→出貨鏡檢等步驟，其中測(cè)試和電老煉過(guò)程需要定制專用裸芯片夾具，分立裸芯片的KGD篩選流程見(jiàn)圖1。

圖1 分立裸芯片的KGD篩選流程圖

2.2 鏡檢

原則上，必須對(duì)來(lái)料的所有裸芯片進(jìn)行100%鏡檢，參照標(biāo)準(zhǔn)以GJB548B-2005方法2010.1內(nèi)部目檢（單片）為基礎(chǔ)，但在劃片和芯片缺陷、金屬化層缺陷、擴(kuò)散和鈍化層缺陷、玻璃鈍化層缺陷等方面應(yīng)加強(qiáng)檢驗(yàn)，排除存在缺陷的裸芯片，當(dāng)不合格品數(shù)量≥10%的整批裸芯片數(shù)目時(shí)應(yīng)按照批次不合格處理。圖2為典型的劃片缺陷和表面劃傷引起的鈍化層、金屬層損傷缺陷。

圖2 典型的劃片缺陷和表面缺陷

2.3 測(cè)試

裸芯片的形態(tài)特殊性決定了測(cè)試時(shí)需要設(shè)計(jì)可臨時(shí)加載裸芯片的專用夾具，通過(guò)定制的專用夾具來(lái)實(shí)現(xiàn)裸芯片與測(cè)試板卡之間的電氣連接，見(jiàn)圖3。同時(shí)考慮到高低溫測(cè)試和電老煉需求，夾具需要采用耐高低溫的材料制造。

圖3 專用裸芯片KGD篩選夾具

由于夾具直接對(duì)裸芯片進(jìn)行接觸和操作，是引起裸芯片表面沾污和損傷的主要途徑。通過(guò)采用合適的夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、探針角度和力度調(diào)整、夾具清理和清洗、恰當(dāng)?shù)穆阈酒b卸工具、環(huán)境潔凈度控制等方法，可最大限度降低裸芯片在KGD篩選過(guò)程中受到的損傷和沾污。

裸芯片KGD篩選過(guò)程中的三溫（常溫、高溫和低溫）電參數(shù)測(cè)試，可參照封裝成品電路的詳細(xì)規(guī)范進(jìn)行，測(cè)試過(guò)程采用特殊的高溫和低溫實(shí)現(xiàn)方式。

2.4 電老煉

分立裸芯片的電老煉過(guò)程同樣采用定制、可臨時(shí)加載和重復(fù)使用的專用夾具，利用夾具充當(dāng)裸芯片與老化板之間的老煉插座，夾具需要可以承受長(zhǎng)時(shí)間的高溫工作，并能夠?qū)崿F(xiàn)重復(fù)使用，利于降低篩選成本。

裸芯片電老煉實(shí)施方法參照封裝成品電路詳細(xì)規(guī)范中的要求設(shè)計(jì)線路原理圖，包含溫度應(yīng)力、電應(yīng)力以及必要的動(dòng)態(tài)工作激勵(lì)信號(hào)以及狀態(tài)監(jiān)測(cè)等要求，為了防止裸芯片在老煉過(guò)程中發(fā)生沾污和高溫氧化，推薦在專用充氮?jiǎng)討B(tài)老化箱中實(shí)施電老煉試驗(yàn)。

2.5 晶圓批驗(yàn)收

針對(duì)符合抽樣要求的分立裸芯片，可以參照GJB548-2005《微電子試驗(yàn)方法和程序》方法5007.1晶圓批驗(yàn)收，從芯片制造工藝參數(shù)的角度評(píng)價(jià)裸芯片的工藝質(zhì)量。

3 篩選過(guò)程中的環(huán)境控制

由于裸芯片缺乏有效的封裝防護(hù)，因此從來(lái)樣到出貨的整個(gè)過(guò)程中需要對(duì)所涉及的操作過(guò)程、檢驗(yàn)環(huán)境、測(cè)試環(huán)境和保存環(huán)境進(jìn)行管控，除圖4所示的潔凈度控制外[11]，還包括靜電防護(hù)、氮?dú)獗Ｗo(hù)和溫濕度控制。

圖4 篩選過(guò)程的潔凈度控制要求示意圖

裸芯片缺乏封裝保護(hù)，根據(jù)篩選環(huán)節(jié)的不同，應(yīng)注意選擇具備不同潔凈度控制的環(huán)境，裸芯片裝載和卸載應(yīng)選擇在至少千級(jí)凈化環(huán)境中進(jìn)行，并在篩選過(guò)程中盡可能減少裸芯片表面和其他材料的直接接觸，避免沾污。

裸芯片在運(yùn)輸、傳遞、檢驗(yàn)、測(cè)試、裝載、夾取、包裝等過(guò)程中需要全程做好防靜電保護(hù)，操作人員需穿戴防靜電服裝、口罩、靜電腕帶和指套，操作區(qū)配備離子風(fēng)機(jī)。

裸芯片在高低溫測(cè)試時(shí)需要做好氣體保護(hù)，在充氮環(huán)境中進(jìn)行電老煉。

測(cè)試區(qū)域需要嚴(yán)格控制溫濕度，有利于靜電防護(hù)和測(cè)試參數(shù)的一致性。

4 可靠性驗(yàn)證

從完成KGD篩選后的裸芯片中挑選出3只進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。在進(jìn)行可靠性驗(yàn)證前，對(duì)插座內(nèi)探針在裸芯片PAD上留下的針痕進(jìn)行了比較，可見(jiàn)針痕引起的鋁層面積損傷明顯小于PAD有效面積的25%，且未暴露下層介質(zhì)和金屬，見(jiàn)圖5。

圖5 夾具內(nèi)探針針痕的前后比對(duì)

開(kāi)展可靠性驗(yàn)證項(xiàng)目和結(jié)果如表1所示。

表1 可靠性驗(yàn)證項(xiàng)目和驗(yàn)證結(jié)果

通過(guò)目檢，采用專用夾具進(jìn)行測(cè)試的裸芯片表面符合GJB548B方法2010.1 B級(jí)要求，目檢合格，符合使用要求；通過(guò)能譜分析，在KGD篩選后，鍵合區(qū)測(cè)試點(diǎn)針痕深的地方Si含量相對(duì)較高；通過(guò)鍵合試驗(yàn)，由于探針測(cè)試點(diǎn)面積相對(duì)較小，沒(méi)有影響鍵合區(qū)的鍵合拉力。

5 晶圓級(jí)KGD篩選

除了可通過(guò)分立裸芯片的篩選獲取KGD外，也可對(duì)完整晶圓進(jìn)行晶圓級(jí)KGD篩選來(lái)實(shí)現(xiàn)。

晶圓級(jí)KGD篩選是直接在晶圓上對(duì)各個(gè)芯片（Die）進(jìn)行三溫測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中，將載片臺(tái)設(shè)定到合適的溫度，通過(guò)平臺(tái)步進(jìn)將探針卡加載電信號(hào)到每個(gè)芯片對(duì)應(yīng)的PAD上，從而實(shí)現(xiàn)三溫下的電參數(shù)和功能測(cè)試。

測(cè)試必須在充氮環(huán)境中進(jìn)行，并要求載片臺(tái)（真空吸盤(pán)）具有高低溫設(shè)定能力。

若需要對(duì)晶圓進(jìn)行三溫測(cè)試，則需要分常溫、高溫和低溫三次對(duì)每一個(gè)芯片（Die）進(jìn)行測(cè)試，這將在PAD上留下三次探針針痕，后續(xù)需要對(duì)切割后的裸芯片進(jìn)行可靠性驗(yàn)證。

國(guó)外在晶圓級(jí)老煉技術(shù)方面較為成熟，采用RDL重布線技術(shù)將晶圓上所有芯片的同功能端口引出到晶圓的周邊，通過(guò)專用晶圓夾具將電信號(hào)加載到晶圓周邊的RDL引出端口上，在充氮高溫箱內(nèi)對(duì)晶圓上所有芯片（Die）同步進(jìn)行電老煉，由設(shè)備監(jiān)控并記錄每一個(gè)芯片（Die）的狀態(tài)。

6 結(jié)論

本文基于現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，在本單位具備的檢測(cè)設(shè)備和檢驗(yàn)環(huán)境的基礎(chǔ)上，針對(duì)軍用KGD獲取方式中的分立形態(tài)裸芯片，通過(guò)對(duì)單個(gè)芯片進(jìn)行可重復(fù)使用的臨時(shí)夾具裝載和卸載，開(kāi)展了包括裸芯片的鏡檢、電老煉和三溫電測(cè)試的方法研究，建立一套可行的分立裸芯片的KGD篩選方法和環(huán)境控制方法，對(duì)篩選后的合格產(chǎn)品進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，證明KGD產(chǎn)品在技術(shù)指標(biāo)和可靠性指標(biāo)上能夠達(dá)到封裝成品的等級(jí)要求。

本文關(guān)于軍用裸芯片KGD篩選方法的探討，在進(jìn)一步細(xì)化和管控后有助于建立一套可實(shí)施的KGD實(shí)現(xiàn)流程和方法，滿足用戶對(duì)KGD產(chǎn)品批量供貨的需求，并為建立裸芯片KGD實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)積累足夠的案例和關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)。