微波組件裸芯片開裂的機(jī)理分析

李 慶

（四創(chuàng)電子股份有限公司，合肥 230088）

1 引言

微波組件的生產(chǎn)比較注重前期的組件裝配及電性能指標(biāo)的符合性，對(duì)后期試驗(yàn)環(huán)節(jié)的可靠性較為輕視。某微波組件配套于某軍品項(xiàng)目中，具體作用為雷達(dá)信號(hào)收發(fā)、變頻[1]。該組件體積小、裝配集成度高，內(nèi)部涵蓋近二十種裸芯片的裝配，裝配方式全采用多芯片微組裝工藝實(shí)現(xiàn)[2]，又因微電路組件中涵蓋部分電阻、電容等器件的回流焊接，亦統(tǒng)稱為混合微電路組裝工藝[3]。

該組件在完成裝配、調(diào)測(cè)、篩選試驗(yàn)中的隨機(jī)振動(dòng)環(huán)節(jié)后復(fù)測(cè)性能指標(biāo)[4]，組件的個(gè)別端口無輸入信號(hào)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，隨機(jī)振動(dòng)后的指標(biāo)復(fù)測(cè)失效率為84.5%，隨后將組件開蓋在45 倍顯微鏡下鏡檢發(fā)現(xiàn)，部分裸芯片出現(xiàn)不同程度的明顯開裂現(xiàn)象。

本文以該微波組件在試驗(yàn)環(huán)節(jié)出現(xiàn)裸芯片開裂導(dǎo)致組件的功能失效為案例，從前期設(shè)計(jì)、生產(chǎn)裝配等影響因素進(jìn)行原因分析，最終定位在前期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)忽略了對(duì)組件材料特點(diǎn)的分析。

2 主要工藝流程設(shè)計(jì)

根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)協(xié)議及電訊設(shè)計(jì)要求，該組件裝配的主要工藝流程設(shè)計(jì)如圖1 所示。

圖1 主要工藝流程設(shè)計(jì)

3 問題分析

首先，從工藝流程設(shè)計(jì)上分析該微波組件，裸芯片粘片、引線鍵合后，分別進(jìn)行檢驗(yàn)后轉(zhuǎn)入測(cè)試環(huán)節(jié)，中間再無其他裝配工藝；測(cè)試完成后，通過60 倍的封蓋前鏡檢，且封蓋完對(duì)電性能指標(biāo)進(jìn)行復(fù)測(cè)，各項(xiàng)性能指標(biāo)測(cè)試合格。因此裸芯片開裂可排除工藝流程設(shè)計(jì)不合理及裝配過程所致。其次，從故障件失效環(huán)節(jié)分析，均是在篩選試驗(yàn)中隨機(jī)振動(dòng)環(huán)節(jié)后出現(xiàn)裸芯片開裂的現(xiàn)象。而隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)前經(jīng)過溫度沖擊、電老練試驗(yàn)，由此可從這3 個(gè)試驗(yàn)過程判斷導(dǎo)致裸芯片出現(xiàn)開裂的原因[5]。

為分析問題產(chǎn)生的原因，列出故障分析樹，故障樹如圖2 所示。

圖2 故障樹

3.1 熱膨脹系數(shù)匹配

行業(yè)內(nèi)裸芯片開裂均為裸芯片與熱沉/載體的熱膨脹系數(shù)（Coefficient of Thermal Expansion,CTE）不匹配所致。由于在冷、熱交替溫度變化后，兩種物體熱膨脹性質(zhì)的物理量不同，從而導(dǎo)致兩種物體的幾何特性發(fā)生變化，最終導(dǎo)致兩種物體中剪切強(qiáng)度較弱的物體出現(xiàn)變形開裂現(xiàn)象[6]。

通過自查分析，裸芯片裝配工藝設(shè)計(jì)時(shí)是將裸芯片用導(dǎo)電膠直接粘接至殼體底部。該裸芯片為砷化鎵材料，殼體底部材料為高溫共燒陶瓷（High-Temperature Co-Fired Ceramics,HTCC），兩種材料的熱膨脹系數(shù)如表1 所示。兩種材料的熱膨脹系數(shù)非常接近，因此從理論上分析裸芯片開裂與兩種材料熱膨脹系數(shù)不匹配無關(guān)聯(lián)。同時(shí)在100 倍顯微鏡下檢查實(shí)際粘接效果，符合典型工藝規(guī)定的要求，粘接面積為裸芯片四周出膠，裸芯片平整無歪斜。

表1 兩種材料CTE 對(duì)照表

另查詢國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)及產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)例[3,7]，以砷化鎵材質(zhì)的裸芯片與HTCC 用導(dǎo)電膠直接裝配，有諸多案列及實(shí)際產(chǎn)品的應(yīng)用，屬于微組裝行業(yè)內(nèi)的典型裝配工藝。因此通過以上分析，可排除兩種材料熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致裸芯片開裂。

3.2 溫度沖擊

溫度沖擊試驗(yàn)是元件暴露于高低溫極值下，用于測(cè)驗(yàn)抗御高低溫極值交替沖擊的能力。裸芯片在這種試驗(yàn)下開裂有兩種可能情況：一是裸芯片底部粘接若有較大空洞，導(dǎo)致高低溫沖擊下空洞部位與實(shí)體部位形成應(yīng)力差，此應(yīng)力會(huì)釋放在較脆弱的裸芯片的空洞部位，最終導(dǎo)致裸芯片出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；二是裸芯片與底部的熱沉/載體CTE 不匹配時(shí)，在高低溫沖擊下極易導(dǎo)致兩種材料形成應(yīng)力差，從而造成較脆弱的裸芯片出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，為微組裝行業(yè)內(nèi)典型的CTE 不匹配而導(dǎo)致裸芯片出現(xiàn)的開裂。前面已對(duì)熱膨脹系數(shù)匹配問題進(jìn)行了分析，并排除了熱膨脹系數(shù)不匹配的問題，故不再論述。

選取開裂較為嚴(yán)重的幾個(gè)型號(hào)的裸芯片，通過X射線檢查裸芯片底部的粘接空洞情況并進(jìn)行分析[8]，整個(gè)裸芯片底部空洞較小，分布均勻，空洞率約為8%，符合GJB548B《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》的方法2012.1 X 射線照相要求。裸芯片粘接的X 射線檢測(cè)圖見圖3，故可排除裸芯片底部粘接空洞過大而導(dǎo)致裸芯片開裂的問題。

圖3 裸芯片粘接的X 射線檢測(cè)圖

為進(jìn)一步排查因溫度沖擊導(dǎo)致裸芯片開裂的因素，將裝配好、電性指標(biāo)測(cè)試合格的50 只產(chǎn)品按試驗(yàn)大綱要求進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束將所有產(chǎn)品在45 倍顯微鏡下逐一鏡檢，均未出現(xiàn)裸芯片開裂的現(xiàn)象。因此，可排除因溫度沖擊試驗(yàn)而導(dǎo)致裸芯片開裂的可能。

3.3 電老練、隨機(jī)振動(dòng)

電老練試驗(yàn)是篩選或剔除勉強(qiáng)合格的器件，這些器件或本身具有固有的缺陷，或因其制造工藝控制不當(dāng)產(chǎn)生缺陷，這些缺陷會(huì)造成與時(shí)間和應(yīng)力有關(guān)的失效。該微波組件電老練按GJB548《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》方法1015.1 老練試驗(yàn)要求，進(jìn)行長(zhǎng)達(dá)96 h、125 ℃的嚴(yán)苛拷機(jī)。

隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)是為確定芯片經(jīng)受動(dòng)態(tài)應(yīng)力的能力。這種動(dòng)態(tài)應(yīng)力由在上、下限頻率范圍內(nèi)的隨機(jī)振動(dòng)來施加，模擬了各種現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下出現(xiàn)的振動(dòng)，包括由導(dǎo)彈、高速推進(jìn)噴氣式飛機(jī)和火箭引擎裝置產(chǎn)生的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境[9]。按GJB548《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》方法2026.1 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)要求，對(duì)該微波組件進(jìn)行了功率譜密度為30（m/s2）2/Hz，加速度總均方根值為207.1 m/s2，X、Y、Z 每個(gè)方向上15 min 的隨機(jī)振動(dòng)。

裸芯片在電老練和隨機(jī)振動(dòng)這兩種試驗(yàn)條件下出現(xiàn)開裂現(xiàn)象存在兩種可能：一是裸芯片底部若有大面積空洞，在試驗(yàn)時(shí)導(dǎo)致裸芯片出現(xiàn)開裂現(xiàn)象；二是裸芯片與熱沉/載體的CTE 不匹配導(dǎo)致較脆弱的裸芯片出現(xiàn)不同程度的裂紋現(xiàn)象。導(dǎo)致裸芯片開裂的這兩種可能原因也分別在3.1 節(jié)和3.2 節(jié)論述過，因此可排除這兩種原因?qū)е侣阈酒_裂的可能。

為進(jìn)一步排查電老練導(dǎo)致裸芯片開裂的原因，將裝配好、電性指標(biāo)測(cè)試合格的50 只產(chǎn)品，按試驗(yàn)大綱要求進(jìn)行電老練試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束將所有產(chǎn)品在45 倍顯微鏡下逐一鏡檢，均未出現(xiàn)裸芯片開裂的現(xiàn)象，因此可排除電老練環(huán)節(jié)導(dǎo)致裸芯片開裂的問題。

為進(jìn)一步排查隨機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致裸芯片開裂的原因，將裝配好、電性指標(biāo)測(cè)試合格的50 只產(chǎn)品，按試驗(yàn)大綱要求進(jìn)行機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，在45 倍顯微鏡下進(jìn)行鏡檢時(shí)發(fā)現(xiàn)多數(shù)裸芯片出現(xiàn)不同程度的開裂現(xiàn)象，同故障現(xiàn)象一致。因此，裸芯片開裂問題與隨機(jī)振動(dòng)有必然聯(lián)系。而隨機(jī)振動(dòng)前需將工件固定于振動(dòng)工裝上，裝夾方式采用螺釘?shù)陌惭b方式進(jìn)行固定。故裸芯片開裂問題與振動(dòng)裝夾也有必然聯(lián)系。

3.4 振動(dòng)裝夾

振動(dòng)裝夾的目的是將多個(gè)工件穩(wěn)固在一起做振動(dòng)試驗(yàn)，并將工件固定在試驗(yàn)工裝的一種方法。振動(dòng)裝夾需在產(chǎn)品方案階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需考慮裝夾的方法、產(chǎn)品的外觀保護(hù)等裝夾措施。裝夾的方法較為重要，若裝夾方法不合適，輕則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品外觀劃傷甚至損傷，影響產(chǎn)品交付；重則因裝夾受力傳遞至工件內(nèi)部，致使工件內(nèi)部元器件有受損的風(fēng)險(xiǎn)。

該組件振動(dòng)裝夾通過聚四氟乙烯壓塊將其固定于振動(dòng)工裝上。螺釘采用M3 盤頭螺釘，力矩為0.65～0.7 N·m。

為進(jìn)一步排查裸芯片開裂的原因，將裝配好、電性指標(biāo)測(cè)試合格的5 只產(chǎn)品裝配至振動(dòng)工裝上。裝配前，嚴(yán)格按照典型工藝要求將電動(dòng)起子進(jìn)行力矩校準(zhǔn)。裝配到位后立即將工裝拆除，在45 倍顯微鏡下鏡檢，發(fā)現(xiàn)5 只產(chǎn)品中有4 只產(chǎn)品裸芯片出現(xiàn)不同程度的開裂現(xiàn)象，如圖4、5 所示。因此，裸芯片開裂與振動(dòng)工裝裝夾有直接關(guān)系。

圖4 裸芯片裂紋現(xiàn)象一

圖5 裸芯片裂紋現(xiàn)象二

為更進(jìn)一步確定問題的根源，將開裂的裸芯片全部拆下，在100 倍顯微鏡下發(fā)現(xiàn)HTCC 基板均出現(xiàn)不同程度的微裂紋，因此證實(shí)了裝夾受力傳遞至組件內(nèi)部、導(dǎo)致芯片開裂。

4 機(jī)理分析

雖然裸芯片與HTCC 基板直接裝配，兩種材料的熱膨脹系數(shù)均符合裝配要求，但兩種材料脆性很強(qiáng)，能承受的剛度有限，在施加外力的作用下極容易出現(xiàn)裂開現(xiàn)象。因裸芯片是裝配至HTCC 基板上的，基板在受到外力的作用下會(huì)傳遞至其表面的裸芯片，致使裸芯片出現(xiàn)開裂。

5 糾正措施

經(jīng)過分析，將工裝重新設(shè)計(jì)，裝夾面由受力的HTCC 基板更改為工件剛度較強(qiáng)的可伐面進(jìn)行安裝夾持，工件改進(jìn)后裝夾實(shí)物如圖6 所示。經(jīng)溫度沖擊、電老練、振動(dòng)試驗(yàn)后，在45 倍顯微鏡下鏡檢，未出現(xiàn)一例裸芯片開裂現(xiàn)象，芯片表面放大后如圖7 所示，且電性能復(fù)測(cè)指標(biāo)合格。

圖6 工件改進(jìn)后裝夾

圖7 芯片表面放大圖

6 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)裸芯片出現(xiàn)的裂紋現(xiàn)象，采用故障樹結(jié)構(gòu)的方式，從前期的工藝設(shè)計(jì)到篩選試驗(yàn)逐一排查分析，最終定位在試驗(yàn)裝夾受力而導(dǎo)致組件內(nèi)部裸芯片出現(xiàn)裂紋，從而反映出試驗(yàn)裝夾工裝的設(shè)計(jì)缺陷。行業(yè)內(nèi)產(chǎn)品的工裝設(shè)計(jì)在整個(gè)設(shè)計(jì)流程中往往不被重視，即使考慮到試驗(yàn)裝夾，也是從工件的結(jié)構(gòu)尺寸上設(shè)計(jì)裝夾工裝，未從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)材料、結(jié)構(gòu)形式上進(jìn)行分析，從而導(dǎo)致工作在實(shí)際使用時(shí)出現(xiàn)問題。