電容傳感芯片外部壞點(diǎn)的成因與控制

李恭謹(jǐn)，張 波，秦 培

（匯頂科技股份有限公司，上海 201210）

1 引言

電容傳感芯片是一類(lèi)基于電容檢測(cè)原理，通過(guò)感知待測(cè)目標(biāo)的介電參數(shù)或電荷變化實(shí)現(xiàn)傳感功能的半導(dǎo)體芯片。憑借電容檢測(cè)的高靈敏度[1]和高響應(yīng)速度[2]的特點(diǎn)，以及不依賴(lài)先進(jìn)晶圓工藝及先進(jìn)封裝制程的成本優(yōu)勢(shì)，電容傳感芯片在觸摸控制、生物識(shí)別以及健康檢測(cè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。作為其重要應(yīng)用分支之一的電容指紋識(shí)別芯片，在2019年占據(jù)了智能手機(jī)指紋識(shí)別方案87%的市場(chǎng)份額[3]；而據(jù)產(chǎn)業(yè)咨詢(xún)機(jī)構(gòu)CINNO RESEARCH在2021年二季度的預(yù)測(cè)，即便面臨屏下光學(xué)指紋識(shí)別和超聲波指紋識(shí)別等新技術(shù)迭代，2024年全球市場(chǎng)側(cè)鍵電容指紋芯片的搭載量仍將有望增長(zhǎng)至6.4億，年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到52%[4]。

基于電容檢測(cè)原理的傳感方案在賦予芯片高靈敏特性的同時(shí)，也使芯片的功能容易受到制程工藝波動(dòng)及極端應(yīng)用環(huán)境干擾的影響。面對(duì)龐大的市場(chǎng)需求和日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，提升電容傳感芯片的功能指標(biāo)及可靠性，減少芯片在加工制程中的良率損失，是當(dāng)前工程領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題。其中，電容傳感芯片的外部壞點(diǎn)比例極大地影響了產(chǎn)品的加工良率和使用體驗(yàn)。為解決外部壞點(diǎn)對(duì)電容傳感芯片性能的影響，國(guó)內(nèi)外研究者從識(shí)別算法、電路設(shè)計(jì)和制程工藝3個(gè)層面提出了不同的改善方案。在算法層面，基于細(xì)化圖提取指紋特征是目前主流的后期算法增強(qiáng)手段，其主要措施包括圖像歸一化、分割、細(xì)化以及方向圖的濾波和增強(qiáng)，可在一定程度上修復(fù)包括外部壞點(diǎn)在內(nèi)的多種噪聲源造成的采集信號(hào)質(zhì)量下降問(wèn)題[5]。在電路設(shè)計(jì)層面，主要措施包括在像素點(diǎn)上布置階梯式的可變電容或差動(dòng)積分電路等額外的電路對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行校準(zhǔn)，以削弱外部壞點(diǎn)和傳感器使用中受各類(lèi)異物污染帶來(lái)的寄生電容對(duì)芯片信噪比的影響[6-8]；在制程工藝層面，現(xiàn)有研究關(guān)注了像素單元上方介質(zhì)層的介電特性和加工穩(wěn)定性對(duì)識(shí)別準(zhǔn)確度帶來(lái)的影響，提出的主要優(yōu)化措施包括降低介質(zhì)層厚度、增大介質(zhì)層的介電常數(shù)、在像素間介質(zhì)層設(shè)置空心墻結(jié)構(gòu)以及改善塑封料流動(dòng)性和通過(guò)塑封工藝降低介質(zhì)層非平整性等疊層設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，以提升電容傳感信號(hào)的采集質(zhì)量[9-12]。

區(qū)別于現(xiàn)有的側(cè)重前端軟硬件設(shè)計(jì)層面的優(yōu)化，本文基于電容傳感芯片工作原理和量產(chǎn)作業(yè)中的失效分析案例，歸納了封裝加工制程的波動(dòng)造成的外部壞點(diǎn)的主要類(lèi)型和成因，并提出了適用于各類(lèi)電容傳感芯片的外部壞點(diǎn)的控制策略。

2 電容檢測(cè)原理與壞點(diǎn)的定義

理論上，有靜電場(chǎng)的存在就有電容，電容的大小受導(dǎo)體間電介質(zhì)特性、間距、導(dǎo)體形狀和比表面積，以及導(dǎo)體周?chē)渌麑?dǎo)體的影響。基于上述特性，通過(guò)精確檢測(cè)體系電容的變化，便能獲取導(dǎo)體及介質(zhì)層的參數(shù)變化、距離變化、壓力變化（影響形狀和距離）的相關(guān)信息。通過(guò)足夠的電容檢測(cè)單元形成的像素陣列，即可獲取反映待測(cè)目標(biāo)不同區(qū)域容值特性變化的二維圖像，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)觸摸控制、生物識(shí)別（如指紋輪廓）、健康檢查（如心率脈搏）等相關(guān)傳感應(yīng)用。

對(duì)電容檢測(cè)電路來(lái)講，只有將收集到的電容信息轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，才能通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)化（ADC）輸出，被數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)一步識(shí)別和分析。電容檢測(cè)電路可以通過(guò)多種方法將電容值轉(zhuǎn)化為電壓值，其中典型的檢測(cè)方法有容抗檢測(cè)法和電荷轉(zhuǎn)移法[13-14]。通過(guò)容抗檢測(cè)法檢測(cè)互容電容的電路如圖1（a）所示，電路的輸入端和輸出端之間由基本放大電路和反饋網(wǎng)絡(luò)形成電壓并聯(lián)負(fù)反饋，待測(cè)目標(biāo)電容Cx位于輸入端，影響輸入阻抗。根據(jù)放大電路的虛短和虛斷特性，分別得到同向輸入端電壓VP和反向輸入端電壓VN、反饋電流If和輸入電流Ii的關(guān)系，如式（1）、（2）所示：

又因：

聯(lián)立式（2）、（3）、（4），則有式（5）：

將式（1）代入式（5），并整理得式（6）：

由此，通過(guò)已知的測(cè)量驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓Vin、角頻率ω和反饋網(wǎng)絡(luò)中的電阻R檢測(cè)輸出的正弦波信號(hào)Vout，可獲取待測(cè)目標(biāo)的電容Cx。通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移法檢測(cè)互容電容的電路如圖1（b）所示，將反饋網(wǎng)絡(luò)中的電阻R替換為電容Cint并增加復(fù)位開(kāi)關(guān)RST。待測(cè)電容Cx與測(cè)得的輸出信號(hào)（即電路輸出端的電壓Vout）及電路中各已知量存在如下關(guān)系：

圖1 電容檢測(cè)電路

上面介紹的2例電容檢測(cè)電路均是基于電荷互容，驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓Vin需要直接施加到待檢測(cè)對(duì)象Cx上。為簡(jiǎn)化模組結(jié)構(gòu)和操作流程，可以將驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓施加到放大電路的另一輸入端，通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移法實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移法檢測(cè)自容電容的電路如圖1（c）所示，浮空的待測(cè)對(duì)象等效于接地，相當(dāng)于檢測(cè)待測(cè)樣品Cx的自容電容，同樣基于基本放大電路的特性，可以得到如下關(guān)系：

在實(shí)際的電容檢測(cè)電路中，還需要增加放大電路以及相應(yīng)的濾波電路，以有效提高電容檢測(cè)的靈敏度和信噪比。但無(wú)論如何變化，都是由檢測(cè)對(duì)象充當(dāng)電路中的待測(cè)電容Cx一側(cè)的極板，芯片電路中的每個(gè)傳感單元的頂層金屬層充當(dāng)內(nèi)部電路一側(cè)的極板。由于芯片不能直接裸露在外，芯片的塑封層充當(dāng)了待測(cè)電容Cx的全部或部分介質(zhì)層。如果介質(zhì)層的性質(zhì)因材料或制程波動(dòng)的影響，其改變超過(guò)一定范圍，就會(huì)對(duì)電容檢測(cè)的準(zhǔn)確性造成干擾，其典型的表現(xiàn)為芯片電容傳感過(guò)程中的認(rèn)假率（FAR）和拒真率（FRR）2個(gè)核心指標(biāo)無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?；诖髷?shù)據(jù)的識(shí)別效率仿真和既定的FAR/FRR指標(biāo)，可以推算出相應(yīng)芯片的各像素點(diǎn)在按壓測(cè)試中所允許的響應(yīng)幅度范圍。當(dāng)某像素點(diǎn)的響應(yīng)幅度超出這個(gè)范圍時(shí)，將其稱(chēng)作壞點(diǎn)。這些異常出現(xiàn)在芯片頂層金屬層（即像素單元）以外的區(qū)域，因此這類(lèi)壞點(diǎn)被定義為外部壞點(diǎn)。需要說(shuō)明的是，在具體的響應(yīng)幅度量化過(guò)程中，外部壞點(diǎn)的判定閾值會(huì)隨不同的芯片電路設(shè)計(jì)、像素點(diǎn)尺寸和數(shù)量、軟件算法以及既定FAR/FRR等指標(biāo)的差異而有所變化。

3 外部壞點(diǎn)的類(lèi)型與分析

在對(duì)電容傳感芯片進(jìn)行封裝終測(cè)或整機(jī)測(cè)試中的按壓測(cè)試時(shí)，采集到的圖像中出現(xiàn)的異常點(diǎn)即為外部壞點(diǎn)。通過(guò)式（6）、（7）、（8）可以看出，每個(gè)傳感像素輸出的電壓信號(hào)|Vout|都與其要檢測(cè)的Cx成正比，比例系數(shù)為已知的電路參數(shù)和測(cè)試驅(qū)動(dòng)信號(hào)。通過(guò)ADC轉(zhuǎn)換后，輸出信號(hào)被打碼量化，按不同像素的坐標(biāo)位置進(jìn)行排列，并按一定規(guī)則計(jì)算按壓前后的數(shù)據(jù)，得到按壓測(cè)試采集的圖像如圖2（a）所示。當(dāng)介質(zhì)層波動(dòng)導(dǎo)致Cx偏離正常水平過(guò)多時(shí)，圖像中就會(huì)出現(xiàn)異常黑點(diǎn)，即外部壞點(diǎn)。通過(guò)對(duì)這些異常點(diǎn)的分析，可以確認(rèn)外部壞點(diǎn)的失效機(jī)理是多樣的。

3.1 大粒徑塑封填料導(dǎo)致的外部壞點(diǎn)

通過(guò)按壓測(cè)試確定了有外部壞點(diǎn)的失效樣品中一部分樣品的外觀異常。失效樣品的超聲掃描顯微鏡照片如圖2（b）所示，樣品內(nèi)未見(jiàn)陰影，說(shuō)明其無(wú)塑封分層及孔隙失效。用高倍光學(xué)顯微鏡觀察，得到外部壞點(diǎn)的光學(xué)顯微鏡照片如圖2（c）所示，可以清晰地觀測(cè)到壞點(diǎn)區(qū)域有白色顆粒，其直徑接近50μm。采用固封研磨法沿異色點(diǎn)對(duì)樣品進(jìn)行切片，其外部壞點(diǎn)切片的掃描電子顯微鏡照片如圖2（d）所示，可以觀測(cè)到異色顆粒是裸露的單顆顆粒物。對(duì)其內(nèi)部的A點(diǎn)進(jìn)行能譜分析，獲悉了其成分的占比，其中硅的摩爾分?jǐn)?shù)為30%，氧的摩爾分?jǐn)?shù)為70%，可以確定異色顆粒為單顆的大粒徑二氧化硅塑封填料。該例中的壞點(diǎn)可以在封裝外觀中看到，但因其尺寸較小，這類(lèi)異常在生產(chǎn)的外觀檢驗(yàn)環(huán)節(jié)很難被檢出。

圖2 可觀測(cè)到外觀異常的外部壞點(diǎn)的失效現(xiàn)象

大粒徑塑封填料顆粒導(dǎo)致的觀測(cè)不到外觀異常的外部壞點(diǎn)如圖3所示。這類(lèi)外部壞點(diǎn)在通過(guò)按壓測(cè)試定位異常點(diǎn)坐標(biāo)后，無(wú)法通過(guò)高倍光學(xué)顯微鏡觀測(cè)到外觀異常。在對(duì)應(yīng)的像素中心做切片，得到壞點(diǎn)位置切片的電子顯微鏡照片，如圖3（a）所示。照片下方的3個(gè)梯形凸起結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)傳感芯片的3個(gè)像素單元?？梢钥吹?，外部壞點(diǎn)對(duì)應(yīng)的中間像素單元的正上方有1個(gè)直徑為40μm左右的填料顆粒。該區(qū)域的碳、氧、硅、鋁元素的二維能譜如圖3（b）～（e）所示。圖3（b）上方有大量碳元素，對(duì)應(yīng)到制作切片使用的有機(jī)填充膠層。中部位置也有零散分布的碳元素，對(duì)應(yīng)到塑封層中的環(huán)氧樹(shù)脂基體。下方幾乎沒(méi)有碳元素分布，對(duì)應(yīng)到芯片區(qū)域。圖3（c）展示的氧元素分布則主要對(duì)應(yīng)塑封填料中的氧元素，以及芯片中的各層含氧鈍化層和介質(zhì)層。圖3（d）主要對(duì)應(yīng)塑封填料中的硅元素和芯片電路層中的鈍化層、介質(zhì)層和多晶硅，以及底部硅富集區(qū)域的對(duì)應(yīng)硅襯底。圖3（e）對(duì)應(yīng)高介電常數(shù)塑封填料中的鋁元素，以及芯片電路層中的金屬互連。結(jié)合4幅元素分布圖可以看出，大粒徑的二氧化硅顆粒使像素點(diǎn)上方的介質(zhì)層缺少含鋁元素的高介電常數(shù)填料，造成該區(qū)域的介電特性波動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生壞點(diǎn)。

圖3 觀測(cè)不到外觀異常的外部壞點(diǎn)

3.2 小粒徑塑封填料過(guò)度聚集導(dǎo)致的外部壞點(diǎn)

部分外部壞點(diǎn)樣品在定位壞點(diǎn)坐標(biāo)后，無(wú)法在相關(guān)區(qū)域觀察到大粒徑的異常填料顆粒。該類(lèi)壞點(diǎn)的掃描電子顯微鏡照片如圖4（a）所示，這部分區(qū)域在掃描電子顯微鏡下與周?chē)鷧^(qū)域差異不大。對(duì)該區(qū)域進(jìn)行元素分析，能清晰地觀測(cè)到異常，其碳、氧、硅、鋁元素的二維能譜如圖4（b）～（e）所示，可以看到異常區(qū)域的碳元素含量很少但仍然存在，說(shuō)明相關(guān)區(qū)域有塑封填料聚集且沒(méi)有單個(gè)的大顆粒。異常區(qū)域的硅、氧元素含量較高且無(wú)鋁元素分布，說(shuō)明有大量的含硅填料顆粒聚集，而缺少含鋁填料。此類(lèi)聚集對(duì)像素點(diǎn)上方的介質(zhì)層特性產(chǎn)生的影響，與大粒徑塑封填料顆粒聚集的影響相似，同樣使介質(zhì)層的高介電常數(shù)組分缺失，造成外部壞點(diǎn)。

圖4 小粒徑塑封填料過(guò)度聚集導(dǎo)致的壞點(diǎn)

3.3 塑封料基體樹(shù)脂過(guò)度聚集導(dǎo)致的外部壞點(diǎn)

與小粒徑填料顆粒的過(guò)度聚集類(lèi)似，塑封料中的有機(jī)樹(shù)脂基體組分的過(guò)度集中同樣會(huì)導(dǎo)致外部壞點(diǎn)。塑封料樹(shù)脂聚集導(dǎo)致的壞點(diǎn)區(qū)域切片如圖5所示，定位外部壞點(diǎn)的坐標(biāo)后，觀測(cè)到異常像素點(diǎn)上方的圖像襯度較正常區(qū)域偏暗。因成像襯度與表面形貌和元素成分相關(guān)，在異常區(qū)域選取點(diǎn)1、點(diǎn)2，正常區(qū)域選取點(diǎn)3、點(diǎn)4，各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示，可以看到異常區(qū)域的碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)在40%左右，明顯高于正常區(qū)域的水平。結(jié)合環(huán)氧塑封料中有機(jī)基體樹(shù)脂的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為10%的特性[15]，可以確定異常區(qū)域存在基體樹(shù)脂過(guò)度聚集的問(wèn)題。

表1 各點(diǎn)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）

圖5 塑封料樹(shù)脂聚集導(dǎo)致的壞點(diǎn)區(qū)域切片

3.4 電容傳感芯片外部壞點(diǎn)的物理模型

充當(dāng)大多數(shù)電容傳感芯片介質(zhì)層的環(huán)氧塑封料是以環(huán)氧樹(shù)脂為基體，多種不同成分和粒徑的顆粒為填料，并添加硬化劑、催化劑、增塑劑、阻燃劑、偶聯(lián)劑、染色劑等多種助劑形成的復(fù)合材料[6]。在經(jīng)歷混料、捏煉、造粒等多個(gè)生產(chǎn)步驟以及封裝制程中的塑封模流運(yùn)動(dòng)等一系列過(guò)程后，塑封料組分的分散狀況會(huì)發(fā)生進(jìn)一步變化，介電特性絕對(duì)均一的理想情況是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

電容傳感芯片像素單元的梯度值可以反映相鄰近像素響應(yīng)靈敏度的差異，是衡量其能否正常工作的重要指標(biāo)，也是判定外部壞點(diǎn)時(shí)所使用的量化指標(biāo)。梯度值的設(shè)定取決于芯片探測(cè)精度的需求以及芯片的電路特性、傳感算法。梯度值的計(jì)算方法如式（9）所示，式中ΔVout1和ΔVout2分別表示鄰近的2個(gè)像素點(diǎn)1、2在接觸待測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣和未接觸待測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣時(shí)，輸出的電壓信號(hào)Vout的差值；ΔVout表示全部像素點(diǎn)在接觸待測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣和未接觸待測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣時(shí)，輸出的電壓信號(hào)差值的平均值。輸出信號(hào)Vout與待測(cè)電容Cx成正比，相應(yīng)的，輸出信號(hào)變化量ΔVout與待測(cè)電容變化量也成正比。之所以引入輸出電壓信號(hào)差值ΔVout，是因?yàn)閷?shí)際電路中存在諸多內(nèi)部電容，接觸前后輸出電壓的差值才能反映像素單元頂層極板與待測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣形成的真實(shí)電容。正常情況下每個(gè)像素單元的厚度和面積相同，電容值正比于像素單元頂層極板與待測(cè)對(duì)象之間介質(zhì)層的介電常數(shù)ε1、ε2，則式（9）又可變?yōu)槭剑?0）：

從式（10）可以看出，外部壞點(diǎn)的偵測(cè)實(shí)際上就是判定像素單元上方介質(zhì)層的介電特性有無(wú)跳變。過(guò)大的跳變會(huì)導(dǎo)致芯片無(wú)法正確通過(guò)電容值反映待測(cè)目標(biāo)的尺寸、距離、輪廓等物理特性。分析一款相對(duì)介電常數(shù)為7的電容傳感器用環(huán)氧塑封料，其主要組分環(huán)氧樹(shù)脂、氧化鋁、二氧化硅在低頻下的相對(duì)介電常數(shù)分別為6.0、9.1和3.82?？梢?jiàn)，任一組分的過(guò)度聚集都會(huì)使相應(yīng)的像素上方介質(zhì)層的介電常數(shù)偏離基準(zhǔn)值。以該環(huán)氧塑封料為例，當(dāng)已知卡控的梯度標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)值A(chǔ)時(shí)，待考察的像素單元對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)臨界值為εcritical，相鄰點(diǎn)按正常介電常數(shù)7計(jì)算，結(jié)合式（10），則待考察點(diǎn)的介電常數(shù)的臨界值范圍如式（11）所示：

進(jìn)一步分析式（11）可得εcritical與單組分異常團(tuán)聚物體積的關(guān)系。由上段表述可知，環(huán)氧塑封料的相對(duì)介電常數(shù)值實(shí)際上是各組分的介電常數(shù)在宏觀上的綜合表現(xiàn)，一般稱(chēng)其為有效介電常數(shù)。對(duì)于顆粒填充的有機(jī)樹(shù)脂復(fù)合體系，可以使用有效介質(zhì)理論方程[16]建立組分含量與介電常數(shù)之間的關(guān)系。在分析外部壞點(diǎn)時(shí)，異常聚集物或大顆粒多數(shù)近似為球形，完整的有效介質(zhì)理論方程可以簡(jiǎn)化為如式（12）所示的布拉格曼模型[17]：

其中，εfiller是待求臨界體積的團(tuán)聚物對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)和，εcompound是相應(yīng)塑封料的正常介電常數(shù)，εeff是待考察區(qū)域的有效介電常數(shù)。將式（11）計(jì)算出的εcritical作為εeff代入式（13），即可求出所考察位置所允許的異常聚集物的臨界體積分?jǐn)?shù)φ。結(jié)合像素長(zhǎng)寬尺寸及塑封層厚度對(duì)應(yīng)的總體積，即可確認(rèn)像素單元上方介質(zhì)層所能允許的單個(gè)填料顆粒的臨界粒徑，或是異常聚集物的臨界體積。

需要特別說(shuō)明2點(diǎn)：一是在估算中，異常聚集物周?chē)慕橘|(zhì)使用了相應(yīng)塑封料的正常介電常數(shù)，實(shí)際上，因塑封料各組分占比相對(duì)穩(wěn)定，局部單一組分聚集時(shí)，其周?chē)橘|(zhì)中該組分的濃度往往偏少，對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)會(huì)往相反方向偏移，因此上述計(jì)算中的臨界體積會(huì)略小于實(shí)際所能允許的最極端情況；二是對(duì)于一些塑封層較薄的電容傳感芯片，會(huì)出現(xiàn)聚集物的臨界直徑超過(guò)塑封層厚度的情況，此時(shí)像素單元上方介質(zhì)層應(yīng)當(dāng)按照塑封料填充和空氣填充2部分分別計(jì)算，總電容對(duì)應(yīng)2段電容串聯(lián)，即倒數(shù)滿(mǎn)足求和關(guān)系。經(jīng)實(shí)際計(jì)算，一旦填料顆?；虍惓＞奂锏暮穸雀叱鏊芊鈱?，按壓測(cè)試時(shí)像素單元的容值/輸出信號(hào)會(huì)急劇變化并達(dá)到壞點(diǎn)的程度。又因異常凸起不符合產(chǎn)品的外觀標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)際操作時(shí)此類(lèi)情形可以根據(jù)傳感單元處的塑封層厚度進(jìn)行卡控。

4 外部壞點(diǎn)的控制

因塑封料成分和半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝的復(fù)雜性，各批次產(chǎn)品的不良率會(huì)有一定范圍的波動(dòng)。對(duì)具有規(guī)律性的良率異常，需要采取措施加以控制和改善。從電容傳感芯片的原理和外部壞點(diǎn)的成因可以看出，絕大多數(shù)外部壞點(diǎn)都源于塑封料微區(qū)成分均勻性異常。對(duì)因?yàn)榛烊脒^(guò)大粒徑塑封填料顆粒、小粒徑塑封填料顆粒的過(guò)度聚集以及塑封料基體樹(shù)脂的過(guò)度聚集3種機(jī)理造成外部壞點(diǎn)比例偏高的產(chǎn)品，可以基于失效分析觀察到的現(xiàn)象，有針對(duì)性地從塑封料的生產(chǎn)配方參數(shù)和塑封料批次的來(lái)料管控2個(gè)角度加以控制和改善。

針對(duì)混入大粒徑塑封填料顆粒造成外部壞點(diǎn)的情況，改善外部壞點(diǎn)的關(guān)鍵在于控制塑封料中填料顆粒的尺寸規(guī)格。像素單元正常工作時(shí)所能允許的填料顆粒尺寸可以通過(guò)3.4節(jié)式（9）～（12）所述的方法進(jìn)行計(jì)算。從塑封料的生產(chǎn)角度講，參照相應(yīng)產(chǎn)品的計(jì)算結(jié)果，可在所需塑封料生產(chǎn)時(shí)，對(duì)其使用的填料顆粒規(guī)格加以合理限定。此舉的意義，還在于避免過(guò)度要求填料顆粒規(guī)格帶來(lái)的質(zhì)量過(guò)剩以及不必要的成本損失。此外，塑封料在生產(chǎn)過(guò)程中往往需要多種規(guī)格的填料混合以保證包封率和注塑特性、熱膨脹系數(shù)等理化特性，同時(shí)以乳液聚合法獲取的填料顆粒粒徑本身也有一定的分布范圍[18]，所以選定規(guī)格的填料也會(huì)有超出臨界尺寸的可能性。因此，還需從塑封料來(lái)料檢驗(yàn)的角度加以管控，在塑封前對(duì)每批塑封料進(jìn)行檢驗(yàn)，提前甄別容易導(dǎo)致產(chǎn)生外部壞點(diǎn)的塑封料，避免問(wèn)題原料的流入給后續(xù)制程帶來(lái)更大的損失。

檢測(cè)塑封料中大顆?；虍惓＞奂锏谋蝗芪铮↖PA）檢測(cè)法如圖6所示，其可以作為電容傳感芯片塑封料來(lái)料管控的重要手段。取定量待檢塑封料與定量丙酮混合，并在一定溫度和振動(dòng)功率下使其溶解。之后使用篩網(wǎng)過(guò)濾，篩網(wǎng)的孔徑參考3.4節(jié)計(jì)算出的臨界粒徑，最后稱(chēng)取不溶物的質(zhì)量。需要說(shuō)明的是，丙酮不溶物檢測(cè)法既可篩查混入過(guò)多超臨界粒徑規(guī)格填料顆粒的塑封料批次，也可偵測(cè)含有過(guò)多異常聚集物的塑封料批次，其區(qū)別在于使用不同的溶解參數(shù)（丙酮用量、振動(dòng)功率及時(shí)間），并使用光學(xué)顯微鏡對(duì)篩網(wǎng)濾出物進(jìn)行甄別。

圖6 丙酮不溶物檢測(cè)法

下面以具體實(shí)例說(shuō)明IPA檢測(cè)法在生產(chǎn)中的運(yùn)用，以及本研究對(duì)IPA檢測(cè)法的改良。采用15個(gè)批次的塑封料生產(chǎn)某型號(hào)電容傳感芯片。IPA稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)和外部壞點(diǎn)數(shù)超標(biāo)導(dǎo)致的不良品比例的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7（a）所示，從整體看，IPA稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)與不良品比例具有正相關(guān)性，但個(gè)別IPA稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)很大的塑封料批次，其實(shí)際不良率并不高。使用現(xiàn)有檢驗(yàn)方法制定來(lái)料允收的卡控標(biāo)準(zhǔn)，則存在過(guò)殺的可能性。造成這種現(xiàn)象的原因是部分尺寸巨大的異常聚集物顯著影響了IPA稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)，然而這些超大聚集物實(shí)際上只會(huì)造成單顆芯片不良，對(duì)批次良率的影響并不顯著。改進(jìn)的方法是再增加一道孔徑稍大的篩網(wǎng)，去除掉超大粒徑的聚集物。用改進(jìn)后的方法再次統(tǒng)計(jì)這15個(gè)批次的塑封料的IPA稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)，其和外部壞點(diǎn)數(shù)超標(biāo)導(dǎo)致的不良品比例的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖7（b）所示，IPA稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)和壞點(diǎn)造成的不良率之間可以很好地?cái)M合，以此數(shù)據(jù)制定的來(lái)料檢驗(yàn)卡控標(biāo)準(zhǔn)更為科學(xué)。

圖7 不同批次的樣品測(cè)試數(shù)據(jù)

針對(duì)小粒徑塑封料顆粒過(guò)度聚集的情況，除了通過(guò)IPA檢測(cè)法對(duì)塑封料來(lái)料進(jìn)行管控外，更好的方法是基于外部壞點(diǎn)的物理模型和異常聚集的形成機(jī)理，改善塑封料的生產(chǎn)配方。小粒徑填料顆粒因其較大的比表面積（SSA），其相互間的作用力更顯著，更容易發(fā)生團(tuán)聚[19]，基于上述原理分析，可以適當(dāng)收緊相應(yīng)產(chǎn)品塑封料生產(chǎn)過(guò)程中二氧化硅填料顆粒的管控范圍。對(duì)二氧化硅填料SSA加強(qiáng)管控前后的數(shù)據(jù)如圖7（c）所示，圖中每個(gè)點(diǎn)代表1個(gè)封裝批次，橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)各封裝批次所使用的塑封料批次，縱坐標(biāo)代表相應(yīng)批次的外部壞點(diǎn)造成的不良率。從BXXX-85批次的塑封料開(kāi)始，SSA管控范圍收緊，適當(dāng)調(diào)低塑封料中二氧化硅的SSA均值，即減少尺寸過(guò)小的二氧化硅填料顆粒比例。從收緊管控前后各8個(gè)封裝批次的數(shù)據(jù)可以看出，塑封料優(yōu)化后因外部壞點(diǎn)造成的不良品比例明顯下降。

基于IPA的塑封料來(lái)料管控和基于異常聚集形成機(jī)理2個(gè)角度來(lái)改進(jìn)塑封料生產(chǎn)的措施同樣適用于塑封料基體樹(shù)脂過(guò)度聚集的情況。不同于小粒徑填料因原料規(guī)格管控導(dǎo)致的過(guò)度聚集，多數(shù)塑封料樹(shù)脂的聚集源于其塑封時(shí)固化反應(yīng)的消泡過(guò)程。成熟配方體系的塑封料在原材料的生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)度交聯(lián)物質(zhì)的占比很低。因此，僅靠IPA不能完全偵測(cè)到存在樹(shù)脂聚集高風(fēng)險(xiǎn)的批次，改進(jìn)塑封料生產(chǎn)參數(shù)尤為重要。在合模塑封過(guò)程中，塑封料中的水汽及固化反應(yīng)的副產(chǎn)物會(huì)以氣泡形式從塑封層內(nèi)部向表面運(yùn)動(dòng)[20]。當(dāng)氣泡破裂、氣體排出后，殘余的樹(shù)脂在合模壓力作用下被壓回塑封層內(nèi)部，造成局部樹(shù)脂富集，進(jìn)而因成分不均造成外部壞點(diǎn)。針對(duì)上述機(jī)理，除了研發(fā)更高效的消泡劑配方外，短期更易實(shí)現(xiàn)的方法是適當(dāng)增大塑封粉料的粒徑，使得在撒粉后塑封粉料間會(huì)有更多的空隙，塑封過(guò)程中更易排氣。某型產(chǎn)品因容易發(fā)生樹(shù)脂聚集導(dǎo)致測(cè)試良率偏低，使用原有常規(guī)粒徑粉料和增大粒徑粉料各連續(xù)生產(chǎn)12個(gè)批次的產(chǎn)品，其連續(xù)作業(yè)的數(shù)據(jù)如圖7（d）所示，使用增大粉料粒徑的批次，其外部壞點(diǎn)造成的不良率整體要低于使用原始粉料粒徑的批次。

5 結(jié)論

從電容傳感芯片檢測(cè)原理及外部壞點(diǎn)的成因分析可知，外部壞點(diǎn)的形成本質(zhì)上是傳感芯片像素單元頂層金屬極板上方的傳感介質(zhì)層成分異常。單個(gè)大粒徑填料顆粒的混入、大量小粒徑填料顆粒的聚集，以及樹(shù)脂的異常聚集是造成介質(zhì)層成分異常的3種主要成因。通過(guò)改進(jìn)的雙篩網(wǎng)IPA檢測(cè)法進(jìn)行來(lái)料篩查，以及在塑封料生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行粒徑控制、粒徑比表面積控制和適當(dāng)選用較大尺寸的塑封粉料，均有助于降低電容傳感芯片外部壞點(diǎn)的不良率。