進(jìn)口塑封集成電路鍵合點(diǎn)分層現(xiàn)象的識別

劉思易

（合肥工業(yè)大學(xué)，安徽合肥，230000）

0 引言

電子元器件是電子產(chǎn)品中最基礎(chǔ)的單元，其安全性水平直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性水平。目前，在軍用電子器件中仍大量采用進(jìn)口元器件，尤其是在嵌入式集成電路領(lǐng)域。以塑封的嵌入式集成電路產(chǎn)品為例，盡管其空氣密封性大大遜色于傳統(tǒng)陶瓷和金屬氣封裝電子產(chǎn)品，但因?yàn)槠洳馁|(zhì)相對的輕、體積較小、技術(shù)簡便、成本低，再加上氣封工藝技術(shù)和材料的先進(jìn)性，在商業(yè)上一直面臨著絕對優(yōu)勢。不過，由于受到市場購買途徑的影響，工業(yè)產(chǎn)品大多經(jīng)由代理商購買，所以可能會出現(xiàn)如下狀況：生產(chǎn)設(shè)備原因不明、大量進(jìn)口的滯銷產(chǎn)品或質(zhì)量不良商品等，更難找到的是由廠家在境外的子公司制造或包裝，部分工廠生產(chǎn)工序品質(zhì)較差，且監(jiān)控執(zhí)法不嚴(yán)。因此，如何確定可用的配件數(shù)量，以確保安全生產(chǎn)是非常重要的。目前，主要的預(yù)防措施是完成產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)和檢測，以消除不合格產(chǎn)品。然而，有時(shí)很難只使用篩選測試來識別內(nèi)部缺陷。然而可通過破壞性物理分析保證產(chǎn)品的質(zhì)量，破壞性物理分析（DPA）是保證質(zhì)量的另一項(xiàng)重要措施[7]。

我們對試樣進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)包括：初始室溫試驗(yàn)、溫度循環(huán)、中間溫度試驗(yàn)、老化、最后溫度試驗(yàn)、溫度試驗(yàn)、高溫試驗(yàn)和外觀檢查。然后根據(jù)GJB4027A的特性采集樣品，并進(jìn)行DPA試驗(yàn)。然而，在X射線檢查期間，發(fā)現(xiàn)可能會對銷的連接點(diǎn)進(jìn)行去礦化。這一結(jié)果后來由金相顯微鏡和雙掃描電子顯微鏡（SEΜ）證實(shí)。連接點(diǎn)分為上層和下層。兩層之間的接口清晰，頂部連接點(diǎn)相同，并與連接線的圖像兼容。用電子能譜（EDS）分析了下層連接點(diǎn)與連接線成分之間的關(guān)系。本案也為以后識別此類電子產(chǎn)品提供了重要依據(jù)[8]。

1 集成電路鍵合點(diǎn)特點(diǎn)分析

從芯片的封裝設(shè)計(jì)到集成電路的成品，實(shí)際操作首先是通過熱壓，將超聲波傳感器和鍵合點(diǎn)集成在一起集成電路基座連接。然后采用沖壓工藝，最終形成完整的集成電路節(jié)點(diǎn)。而嵌入式集成電路鍵合點(diǎn)的主要特點(diǎn)還包括：首先，因?yàn)檫B接點(diǎn)通常圍繞芯片而不是集成電路的中心，因?yàn)榧呻娐吠ǔＪ钦叫位蚓匦蔚?，所以連接點(diǎn)也通常是正方形或矩形的。其次，由于集成電路鍵合點(diǎn)的距離和尺寸不取決于整個(gè)制造工藝過程，而是集中在內(nèi)部密封工藝過程以及后端加工工藝測試設(shè)備[4]。第三，集成電路的連接點(diǎn)通常不采用易于通過內(nèi)部引線連接的布置方式。最后，聚合節(jié)點(diǎn)本身通常是正方形的，而且間距應(yīng)該相同。

由于鍵合點(diǎn)在整個(gè)集成電路中不僅至關(guān)重要，而且也很重要，因此鍵合點(diǎn)會隨著工藝線的細(xì)微變化而變化。事實(shí)上，結(jié)合點(diǎn)的限制對先進(jìn)的生產(chǎn)線是非常不利的。一旦達(dá)到鍵合點(diǎn)指定的面積，細(xì)線的優(yōu)勢就無法充分發(fā)揮，因?yàn)樾酒拿娣e不會也不會減少，單位晶圓的產(chǎn)量無法提高，批量生產(chǎn)的效率也難以提高。

不過，對中小企業(yè)來說，對于結(jié)合點(diǎn)的規(guī)定實(shí)質(zhì)上很可能被當(dāng)作一種“保護(hù)線”。由于有很多的電源，所以內(nèi)部電路就比較簡潔，但是有一些借口，所以在芯片上有許多接口。對設(shè)計(jì)者而言，如果不能充分考慮積體電路組裝點(diǎn)的因素，內(nèi)部功耗就很可能會減少，而鍵合點(diǎn)的體積也較大，從而導(dǎo)致了體積的損失。雖然上述問題都已吸引了一些產(chǎn)品研發(fā)部門的目光，但因?yàn)闆]有必要的理論指導(dǎo)，于是人們通常選擇布局調(diào)整方法來處理這些問題[2]。鍵合點(diǎn)并不僅僅是聯(lián)系外圍集成電路的橋梁，而是對整個(gè)嵌入式集成電路的設(shè)計(jì)選擇和工藝水平，起著關(guān)鍵性的指導(dǎo)作用。

2 塑封集成電路分層的現(xiàn)象

包裝樹脂的非氣體密封方式易引起設(shè)備濕腐蝕以及產(chǎn)生爆米花效應(yīng)，不同的材料參數(shù)極易造成界面破壞或分層。而一旦分層問題嚴(yán)重時(shí)，會影響元件內(nèi)部電路的特性，進(jìn)而降低了元件的安全性。所以，怎樣處理裝備層次問題，以提升裝置的合格率，并不僅僅是一個(gè)亟待解決的問題，而且是將其向航空、軍事等高可靠性領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵[8]。

2.1 分層簡介

分層是指不同材料和相關(guān)包裝界面之間的輕微剝離甚至分離，這是一個(gè)潛在的內(nèi)部負(fù)載問題，這將導(dǎo)致內(nèi)部組件損壞，并顯著縮短產(chǎn)品的保質(zhì)期。這種現(xiàn)象的發(fā)生通常是指由于不同材料之間的熱膨脹系數(shù)差異較大而導(dǎo)致的。

圖1 集成電路的構(gòu)成及封裝形式

這是由兩個(gè)因素形成的：首先是電壓熱損失和水分損失。對于塑料框架的包裝部件，分層的現(xiàn)象發(fā)生在包裝樹脂和塑料之間的界面，包裝樹脂和載體之間的界面，貼片和導(dǎo)體黏合劑之間的界面之間。至于BGA的封裝，這主要是封裝樹脂和銅基板DAP（塑料）之間的界面。

分層現(xiàn)象也會導(dǎo)致電氣缺陷，但有時(shí)無法直接檢查電氣缺陷。目前主要通過超聲波顯微鏡和SAΜ技術(shù)對缺陷塑料層和結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速定位。SAΜ可以分析設(shè)備中不同材料界面的夾層和裂紋，重點(diǎn)檢查樹脂材料和其他材料之間的中間層和內(nèi)腔之間的連接。測試結(jié)果不會損壞塑料和絕緣材料，也不會影響對故障的進(jìn)一步分析。

利用各種材料中不同聲脈沖的超聲特征，得到超聲波傳感器中在各種界面處形成的反射波，從而分析后波的強(qiáng)度和相位信號，進(jìn)而得到在不同界面上的一系列信號特征。當(dāng)使用超聲波技術(shù)傳播兩種材料的界面信息時(shí)，在界面上就會產(chǎn)生透射和反射。透射比與反射比由兩個(gè)材料間的聲阻抗大小決定[6]。氣體和固體材料一樣，對空氣中的聲阻抗都非常小。而超聲波技術(shù)，如果在任何介質(zhì)中都注入了空氣，且界面上的聲強(qiáng)反照率以R為1，那么超聲波傳感器將永遠(yuǎn)無法穿透空氣。在一般情形下，封裝樹脂、晶片和引線框架中的返波為上升波，而分層后的返波則為降低波。

2.2 分層分析

塑料包裝包含各種包裝材料，如樹脂包裝、金屬引線框架、膠粘劑、金線、芯片等。硅的熱膨脹系數(shù)為3.5 ×10-6/k，而大多數(shù)樹脂包裝材料的體積比硅片和電線的體積大一個(gè)數(shù)量級[2]。當(dāng)設(shè)備受到高溫或低溫的沖擊時(shí)，由于這些材料與TE值之間的溫度差異，塑料包裝中的每個(gè)材料的連接部分都會產(chǎn)生高濃度電壓。因此，界面內(nèi)應(yīng)力的數(shù)字分析方法很多，包括精細(xì)單元技術(shù)、J積分法、虛擬裂紋技術(shù)、區(qū)域能量釋放理論等。

有限元分析在封裝失效分析中也具有很普遍的運(yùn)用。它能夠預(yù)測封裝內(nèi)部的應(yīng)力分布情況，也能夠說明芯片、載體材料以及塑料封裝內(nèi)部應(yīng)力傳導(dǎo)的機(jī)制等。本文中對塑料薄膜封裝器件（TAB）進(jìn)行了界面熱脫層分析。并通過ANSYS軟件，對四分之一模型進(jìn)行了熱模擬研究。所使用材料模具中的溫度控制，依賴于線性熱彈性公式。在沒有外界應(yīng)力影響的情況下，溫度控制的均勻降低將會導(dǎo)致元件變形，使封裝的四角面水平和垂直收縮[9]。

塑封材料的電磁輻射效應(yīng)，也是影響塑膠材料分層性能的主要因素之一。而在目前，EΜC（環(huán)氧塑料封裝材料）的適用范圍已經(jīng)相當(dāng)廣闊，且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度tg值也較低，通常為100℃。當(dāng)器件環(huán)境溫度接近tg值時(shí)，環(huán)氧樹脂的CTE和彈性模量對環(huán)境溫度變化特別靈敏。但一旦環(huán)境溫度發(fā)生顯著變化，CTE和彈性模量就會引起較大的室溫改變，進(jìn)而使封裝樹脂的粘接表面更易于破裂或分層。

圖2

3 補(bǔ)充篩選實(shí)驗(yàn)及DPA實(shí)驗(yàn)

對全部的試樣，均進(jìn)行了下列補(bǔ)充檢查試驗(yàn)的項(xiàng)目：常溫初測、高溫循環(huán)、常溫中測、老煉、常溫終測、溫度試驗(yàn)、高溫檢測、外觀檢驗(yàn)等[2]。在該批次選擇兩個(gè)樣本，進(jìn)行了下列各項(xiàng)的測試：外觀目檢、X射線檢測、超聲波掃描檢測，開封，內(nèi)部目檢，和掃描電子顯微學(xué)（SEΜ）的測定[9]。

4 結(jié)果與分析

4.1 補(bǔ)充篩選試驗(yàn)結(jié)果與分析

樣品經(jīng)測試后，外形和所有電訊技術(shù)指標(biāo)均符合規(guī)定，測試結(jié)果為合格。

4.2 DPA 試驗(yàn)結(jié)果與分析

（1）外部目檢

在立體顯微鏡下對試樣外形進(jìn)行檢測，尚未發(fā)現(xiàn)不符合規(guī)定的外形和結(jié)構(gòu)瑕疵[2]。

（2）X射線檢查

圖3 樣品Y方向上的X射線檢查圖

采用XD7500VR實(shí)時(shí)X射線微焦點(diǎn)檢測系統(tǒng)對樣品進(jìn)行檢測。整機(jī)各部分輪廓清晰，無空洞、斷裂等缺陷。樣品的側(cè)面寬度可以清楚地分辨出鉛和鉛的結(jié)合區(qū)。然而，通過精確的觀察，對比度圖像在不同的焊接區(qū)域，層次分明，界面清晰。由于不同材料對X射線的穿透能力不同，圖像的對比度也不同。X射線Z向掃描樣品的分層表明，接頭區(qū)可能由不同的材料組成。

圖4 樣品Z方向上的X射線檢查圖

（3）SAΜ檢查

利用掃描超聲顯微鏡通過對四個(gè)樣品中的一個(gè)樣品的測試，在分層拼接區(qū)域引入局部插針法，發(fā)現(xiàn)了插針在分層拼接區(qū)域中的位置，表明在分層拼接區(qū)域，然后進(jìn)行進(jìn)一步的評估，如圖所示。在對塑料包裝裝置進(jìn)行化學(xué)分類的基礎(chǔ)上，僅將該裝置的樣品作為一組樣品（2組）中的一個(gè)樣品進(jìn)行單獨(dú)的篩選，以制備后續(xù)部分的樣品。

圖5 樣品典型SAM檢查形貌

（4）開封及內(nèi)部檢查

對一組中的兩個(gè)裝置進(jìn)行化學(xué)觀察。由于采用X射線定位+激光解封+掩模+化學(xué)腐蝕的綜合解封方法，器件解封效果良好，內(nèi)部芯片、鍵合和鍵合結(jié)構(gòu)也被完全保留。首先，觀察內(nèi)部整體：主體結(jié)構(gòu)基本完整，芯片焊盤采用32μΜ金絲球焊工藝，外部融合點(diǎn)采用楔焊工藝，均屬于較為完善的結(jié)合工序。內(nèi)部融合點(diǎn)和引線框架齊全，與X射線結(jié)果相符。觀察芯片表面：芯片使用經(jīng)典的CΜOS工藝制作，內(nèi)部版圖完好，表面互連良好，無明顯版圖瑕疵和互連問題，表面鈍化層也無明顯裂痕和磨損。在開封過程中，焊盤表面沒有明顯銹蝕現(xiàn)象，并保持了相對完整性[2]。

（5）SEΜ檢查

掃描電子顯微鏡（SEΜ）對晶圓表面進(jìn)行了測試，晶圓表面鈍化效果完全，金屬化附著力好，沒有明顯的縫隙、裂紋、分離、塌陷、溝槽、隧道等常見問題。

4.3 制樣鏡檢

將剩余的兩個(gè)樣品裝置（包括一個(gè)帶有引腳結(jié)合區(qū)的分層樣品裝置）分為兩類，然后依次沿樣品裝置得長邊和短邊檢測樣品內(nèi)窺鏡。

通過金相顯微鏡和電子顯微鏡掃描進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果是：銀矩陣的銀蓋結(jié)構(gòu)位于芯片基板和引線框架之間，覆蓋均勻，平均厚度約為49微米。另外，采用銀漿將塑料與基材結(jié)合，結(jié)合形態(tài)良好，無明顯裂紋，在基底的底面上有許多分布溝槽，可以增強(qiáng)與封裝材料的結(jié)合力[6]。

5 銅絲鍵合點(diǎn)可靠性評價(jià)方法

根據(jù)銅絲鍵合器件損壞的模型和主要原理，塑料封裝銅絲鍵合器件的安全性評估技術(shù)主要可包括如下兩部分。

5.1 鍵合工藝質(zhì)量評價(jià)

鍵合工藝質(zhì)量評價(jià)檢測項(xiàng)目包括：

（1）使用聲學(xué)掃描顯微鏡檢測塑封材料的密封狀況，并觀察部件內(nèi)各種材質(zhì)間的界面有沒有分層。

（2）利用水平剖面觀察鍵合焊盤和下層構(gòu)件的粘接狀況，來確定粘接品質(zhì)的好壞。

（3）采用化學(xué)開封，察看芯片表層的破壞狀況，或在剝離鍵合區(qū)的金屬后察看鍵合區(qū)中是否出現(xiàn)了下層結(jié)構(gòu)被破壞的情形[3]。

圖6 AI—Cu鍵合界面上金屬化合物的層狀分布

5.2 環(huán)境耐久性評價(jià)

根據(jù)銅絲鍵合的主要損傷機(jī)制，對銅絲及其鍵合部分開展了持續(xù)的高溫老化、快速高溫循環(huán)和穩(wěn)態(tài)熱濕平衡等環(huán)境耐久性實(shí)驗(yàn)。長期高溫老化，主要是指由于長期高熱而產(chǎn)生的材料熱脹冷縮，引起的高開路電壓以及鍵合絲連接條件不足也會導(dǎo)致合金的熱氧化，從而增加了金屬石英砂對芯片的熱擠壓破壞[3]。

穩(wěn)態(tài)濕熱：使大量水蒸氣流入封裝，導(dǎo)致芯片表面離子層暴露，進(jìn)而加速因鍵合或坑裂而造成的滲漏；快速高溫循環(huán)：由于材料內(nèi)部一致的高溫膨脹系數(shù)（CTE）導(dǎo)致界面分層和切屑剪切應(yīng)力，進(jìn)而形成粘結(jié)拉脫，進(jìn)而暴露銅線粘結(jié)和假釬焊等問題[1]。

6 結(jié)論

對進(jìn)口的塑料密封電路，也進(jìn)行了補(bǔ)充試驗(yàn)和DPA試驗(yàn)。經(jīng)檢測結(jié)果，未得到不合格回路。但是，在DPA試驗(yàn)過程中，通過X射線檢查可以發(fā)現(xiàn)在插針的粘合區(qū)中，還具有一層。經(jīng)過用金相顯微技術(shù)與掃描電鏡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了焊點(diǎn)還包括了上下兩層，下層間的界面也清晰可見，上焊點(diǎn)與下層在鉚合區(qū)中的圖像也均勻而一致。研究結(jié)論還表明，下鍵合點(diǎn)全由金屬材料組成，而上鍵合點(diǎn)和下鍵合絲全由合金組成。該實(shí)驗(yàn)分析也為后來同類電子產(chǎn)品的鑒定工作提供了參考。