芯片粘接失效模式和芯片粘接強(qiáng)度提高途徑

摘要：

芯片粘接質(zhì)量是電路封裝質(zhì)量的一個關(guān)鍵方面，它直接影響電路的質(zhì)量和壽命。文章從芯片粘接強(qiáng)度的失效模式出發(fā)，分析了芯片粘接失效的幾種類型，并從失效原因出發(fā)對如何在芯片粘接過程中提高其粘接強(qiáng)度提出了四種解決途徑和方法，對提高芯片粘接強(qiáng)度和粘接可靠性具有參考價值。文章還指出了芯片粘接強(qiáng)度測試過程中的一些不當(dāng)或注意點及其影響，并對不當(dāng)?shù)臏y試方法給出了改進(jìn)方法，能有效地避免測試方法不當(dāng)帶來的誤判。

1 引言

在集成電路芯片裝片或封裝后的篩選中，以及電路考核鑒定驗收時，常需要確定芯片粘接質(zhì)量是否符合要求。最有效的方法之一就是在同一批封裝（或裝片）的電路中，隨機(jī)抽取一定數(shù)量的電路，并對這些電路進(jìn)行抗剪或抗拉強(qiáng)度測試，根據(jù)測量結(jié)果和分離界面的形貌來判斷芯片粘接質(zhì)量，并分析芯片粘接情況，特別是粘接脫開的相關(guān)因素，從而對芯片粘接材料、裝片工藝等加以控制和優(yōu)化來提高芯片粘接強(qiáng)度，滿足芯片粘接可靠性的要求。

2 芯片粘接失效模式

聚合物類材料裝片影響芯片粘接強(qiáng)度的因素教較多，涉及粘接材料、工藝條件、外殼襯底 / 基座的質(zhì)量和芯片背面的粗糙度、潔凈度等。芯片粘接的失效模式主要有：（1）從芯片硅表面與裝片粘接材料分離；（2）裝片粘接材料層斷裂；（3）裝片粘接材料與外殼襯底 / 基座分離。參見圖 1、圖 2、圖 3。

根據(jù)芯片失效的脫落界面及形貌分析脫落的原因和可能性，再針對引起失效的原因在生產(chǎn)中加以控制和解決。

3 芯片粘接強(qiáng)度提高途徑

增強(qiáng)芯片粘接強(qiáng)度可通過對裝片粘接材料的優(yōu)選、粘接工藝方面的優(yōu)化和控制來提高粘接質(zhì)量，保證高可靠的粘接強(qiáng)度。

3.1 芯片背面潔凈度、粗糙度的控制

為降低封裝熱阻、厚度以及封裝劃片等工藝的要求，前道工藝制造的圓片較厚，均需進(jìn)行減薄。在圓片背部磨削減薄時，芯片背面即芯片的粘接面會有微細(xì)的硅粉塵存在，微細(xì)的硅粉塵使芯片本體材料不能完全與粘接材料接觸，芯片裝片后必然會對粘接強(qiáng)度造成影響。減薄后的清洗對提高芯片粘接強(qiáng)度是非常重要的步驟，具備條件的同時還應(yīng)借助化學(xué)方法對硅屑進(jìn)行充分徹底地清除。減薄時若芯片背面太光，像鏡面一樣光滑，不利于增大粘接材料與芯片的接觸面積，也不利于芯片與膠的鰲合，因此增加芯片粗糙度，可提高芯片的粘接性強(qiáng)度。

圖 4 是芯片背面光滑，恒加時導(dǎo)致芯片脫落失效，失效樣品芯片背面只有少許導(dǎo)電膠存在；圖5樣品增加了芯片背面粗糙度，芯片粘接強(qiáng)度得到顯著提高，試驗后導(dǎo)電膠完全留在芯片背面。

3.2 外殼等在裝片前烘烤，增強(qiáng)粘接強(qiáng)度

外殼生產(chǎn)過程中如清洗不干凈，表面會有沾污或清洗殘留物；另外，外殼在貯存過程中，表面會吸附空氣中的水汽等，在裝片前對外殼進(jìn)行烘烤等處理，可去除部分外殼生產(chǎn)過程中的殘留物及表面吸附的水汽，以提高粘接面的粘接性能。

圖 6 是外殼經(jīng)烘烤后，裝片的樣品做芯片粘接強(qiáng)度測試的界面，粘接材料大部分留于外殼鍍金層上，說明裝片粘接材料與鍍金基座擁有較好的粘接強(qiáng)度。而未進(jìn)行烘烤的外殼，裝片后強(qiáng)度測試粘接材料與外殼鍍金層發(fā)生了完全分離的現(xiàn)象，這說明了粘接材料與鍍金層之間的接觸不良，造成兩者之間強(qiáng)度較弱，參見圖 7。

3.3 優(yōu)選芯片粘接材料以提高粘接強(qiáng)度

在氣密封裝中，粘接劑需具備：高的粘附強(qiáng)度、熱分解溫度及高穩(wěn)定性、少量甚至不含溶劑、低的水汽含量。

為了提高電路芯片的粘接強(qiáng)度，對芯片粘接材料需進(jìn)行優(yōu)選，選擇較高的溫度 T g 、與芯片及基板匹配的低 CTE 膨脹系數(shù)且彈性模量低的粘接材料，使粘接后的粘接層的內(nèi)應(yīng)力較低；同時，選擇在固化過程中和固化后重量損失率低的粘接材料，材料結(jié)構(gòu)致密且固化后孔隙率較低，從而提高芯片的粘接強(qiáng)度，保證芯片粘接的可靠性。

圖 8 使用的高溫導(dǎo)電膠裝片粘接材料熱失重百分比低、固化后的組織結(jié)構(gòu)致密，從 X 射線圖片中可看到，芯片粘接層中只有個別的小孔隙，芯片有效粘接面積在98%以上，5.0mm×5.0mm的樣品抗剪、抗拉強(qiáng)度測試值都大于10kg，滿足了芯片粘接可靠性要求。

圖 9 使用的絕緣玻璃粘接材料，固化后粘接材料中存在大量氣孔，粘接層強(qiáng)度低，分離基本在粘接層中，大部分樣品抗剪、抗拉強(qiáng)度測試參數(shù)小于2.0kg，不能滿足芯片粘接可靠性要求，此種材料完全不能應(yīng)用于有強(qiáng)度要求的粘接。

3.4 控制粘接劑固化后的余留厚度，提高粘接可靠性

裝片操作中如將粘接層設(shè)置過薄，必將影響芯片的粘接強(qiáng)度，合適的粘接層厚度在芯片 - 粘接層受到外界的各種應(yīng)力時可起到應(yīng)力緩沖的作用，從而提高粘接的可靠性。

粘接層厚度需根據(jù)芯片的尺寸和粘接材料固化后的收縮特性來設(shè)置粘接劑的厚度。一般情況下，芯片面積與粘接劑的厚度近似成正比，芯片面積大粘接層厚度可適當(dāng)厚一些。粘接材料在固化過程中會有部分溶劑或低分子揮發(fā)物揮發(fā)掉，固化后的厚度會比分配時的厚度要薄一些，因此在設(shè)置時需根據(jù)粘接劑固化前、后的參數(shù)變化值，確定粘接層厚度，從而提高芯片粘接的強(qiáng)度要求。

3.5 優(yōu)化固化工藝曲線，降低粘接材料中孔隙率

固化是裝片工藝的關(guān)鍵所在，粘接層中的孔隙率若偏高，使芯片有效粘接面積降低，從而影響芯片的粘接強(qiáng)度；另外大量孔隙的存在使芯片的導(dǎo)熱性能下降，使器件的可靠性受影響，因此對粘接層中的孔隙率要加強(qiáng)控制。

粘接材料在固化期間，溶劑或水汽會釋放出來，若氣體聚集則會產(chǎn)生空隙，固化后孔隙將殘留在粘接層中，從而影響芯片的粘接強(qiáng)度。針對這種情況，需優(yōu)化固化工藝曲線，使粘接材料中的揮發(fā)性氣體均勻逸出，從而不會因升溫過快使膠體表面先“結(jié)殼”，加劇產(chǎn)生孔隙而影響結(jié)合強(qiáng)度。固化后通過 X 射線儀來檢查和分析粘結(jié)層以及粘接界面是否存在孔隙等，來確定固化曲線設(shè)置的優(yōu)劣。

4 芯片粘接強(qiáng)度的測量方法及影響

4.1 芯片粘接強(qiáng)度的測量方法

控制芯片粘接強(qiáng)度，必須對芯片粘接進(jìn)行正確、有效地測量。芯片粘接強(qiáng)度的測量方法有兩

種 [2] ：剪切強(qiáng)度測試、抗拉強(qiáng)度測試。芯片剪切強(qiáng)度測試如圖 10 所示。施加平行于芯片的長邊的力，將芯片剪切下來的力的大小直接反映出芯片與粘接層、粘接層、粘接層與外殼 / 基座間的粘接強(qiáng)度。

芯片抗拉強(qiáng)度測試如圖11 所示。在芯片上施加垂直于表面的作用力，以檢測粘接面積大于5mm 2 的芯片與粘接層、粘接層、粘接層與外殼 / 基座間的附著強(qiáng)度。

4.2 測量中需要注意的幾個問題

為了能夠正確地測量出芯片的剪切強(qiáng)度，測量時需要注意以下幾個問題：

（1）接觸工具的移動不要過快（負(fù)載加載速率）。否則芯片容易被剪碎或造成測量失敗，也更易使測量值比實際值大。

（2）測試接觸工具與芯片接觸位置至少要大于芯片厚度的1/2，如果測試接觸工具與芯片接觸的位置小于芯片厚度的1/2，芯片容易被剪碎；但也不能接觸粘接層，更不能與外殼 / 基座接觸。否則，測試值不能真實反應(yīng)芯片實際粘接強(qiáng)度。

（3）施加的力的方向始終保持與外殼 / 基座上的芯片平行。如果施力的方向不平行，芯片邊緣容易被剪碎，且測試值會偏離芯片實際的剪切強(qiáng)度。

（4）芯片或芯片連同粘接層已從外殼/基座上分離時，測量的接觸工具要及時停止，以防止其繼續(xù)移動碰到外殼/基座或其他物體，避免繼續(xù)施力使測量值大于實際抗剪強(qiáng)度。

（5） 芯片較?。ㄈ?80μm等）、芯片面積過大（如5.0mm×5.0mm）則不適合使用抗剪強(qiáng)度測試來檢測芯片的粘接質(zhì)量，因測試接觸面相對較小，硅芯片在分離前已經(jīng)碎了，無法測量出剪切強(qiáng)度。

芯片抗拉強(qiáng)度測量還需注意：

（1）接觸工具與芯片的接觸面積應(yīng)≥60% 的芯片面積，否則不能真實反映粘接強(qiáng)度，為不可信數(shù)據(jù)，其遠(yuǎn)小于真實值。

（2） 快速凝固粘結(jié)劑不允許流出芯片表面，否則快速凝固粘結(jié)劑會將芯片與裝片粘接材料、外殼/基座粘接，測試施加的力會大于芯片本身實際的抗拉強(qiáng)度，此測試數(shù)據(jù)也應(yīng)作無效處理。

5 結(jié)論

根據(jù)芯片的強(qiáng)度測試，對芯片施加力的大小、及在該力作用下產(chǎn)生的失效類型（如出現(xiàn)失效）以及殘留的芯片附著材料和外殼 / 基座各粘接界面的形貌，進(jìn)行正確的分類并分析引發(fā)失效或強(qiáng)度弱的相關(guān)因素，找出相關(guān)原因，針對性地從粘接材料、封裝工藝實施改進(jìn)，從而提高芯片粘接的可靠性。

審核編輯：湯梓紅