晶圓封裝過(guò)程缺陷解析

文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事??????

原文作者：小陳婆婆???

在半導(dǎo)體制造流程中，晶圓測(cè)試是確保產(chǎn)品質(zhì)量和性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與此同時(shí)封裝過(guò)程中的缺陷對(duì)半導(dǎo)體器件的性能和可靠性具有重要影響，本文就上述兩個(gè)方面進(jìn)行介紹。

晶圓測(cè)試

對(duì)于碳化硅（SiC）材料而言，由于其獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，測(cè)試過(guò)程尤為重要。以下是以碳化硅晶圓為例，對(duì)其電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)的詳細(xì)解析。

測(cè)試系統(tǒng)概述?

如上圖所示，一個(gè)典型的碳化硅晶圓和分立器件電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)主要由三部分組成：電學(xué)檢測(cè)探針臺(tái)、晶體管檢測(cè)儀以及控制用計(jì)算機(jī)。這三部分協(xié)同工作，共同構(gòu)成了完整的測(cè)試系統(tǒng)。

探針臺(tái)解析

探針臺(tái)如圖所示，是測(cè)試系統(tǒng)的核心部件之一，主要負(fù)責(zé)晶圓的電學(xué)檢測(cè)。它主要由載物臺(tái)、探卡、絕緣氣體供應(yīng)設(shè)備等組成。

載物臺(tái)：用于放置晶圓，可以兼容4~8寸的晶圓。載物臺(tái)上設(shè)有真空氣孔，能夠牢固地吸附住晶圓，防止在測(cè)試過(guò)程中晶圓發(fā)生移位。

探卡：通過(guò)探針與晶圓上的電極接觸，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳輸和檢測(cè)。

絕緣氣體供應(yīng)設(shè)備：提供壓縮空氣和N?等絕緣氣體，用于防止在測(cè)試高壓過(guò)程中發(fā)生“打火”現(xiàn)象。此外，還可以將晶圓浸泡在氟油中進(jìn)行測(cè)試，以提高測(cè)試的絕緣效果和準(zhǔn)確性。氟油測(cè)試法不僅測(cè)試效果優(yōu)于壓縮空氣絕緣，而且測(cè)試完成后氟油容易揮發(fā)，不會(huì)污染晶圓表面。

曲線追蹤儀功能

曲線追蹤儀，如圖所示是測(cè)試系統(tǒng)的另一個(gè)重要部件，主要用來(lái)輸出高電壓和大電流，并通過(guò)連線傳導(dǎo)到探針上。

電源配置：儀器內(nèi)部含有集電極電源和步進(jìn)式信號(hào)源兩組電源，可通過(guò)線路配置將電壓加到集電極、發(fā)射極和基極上，以滿足不同的測(cè)試需求。

測(cè)試電路：設(shè)備中包含7種固定的測(cè)試電路，可用于完成不同的測(cè)試項(xiàng)，如正向電壓測(cè)試、反向漏電流測(cè)試等。

測(cè)試實(shí)例分析

以SiC SBD（肖特基二極管）為例，對(duì)晶圓進(jìn)行測(cè)試分析。

晶圓結(jié)構(gòu)：如圖a所示，1200V 20A SiC SBD晶圓正面為陽(yáng)極，背面為陰極。

測(cè)試過(guò)程：探針臺(tái)內(nèi)的步進(jìn)式電機(jī)帶動(dòng)載物臺(tái)對(duì)晶圓進(jìn)行點(diǎn)測(cè)。通過(guò)步進(jìn)式掃描，可以得到晶圓上每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的電學(xué)性能數(shù)據(jù)。

測(cè)試結(jié)果：如圖b所示，通過(guò)等級(jí)MAP圖可以直觀地看到晶圓上各測(cè)試點(diǎn)的性能分類（A、B、NG、ERR）。對(duì)5塊晶圓的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行匯總（如圖c所示），可以看出VF基本都在1.5~1.6V之間，反向IDSS漏電流大部分都在10μA以下。這表明晶圓正向分布的一致性良好，但反向特性仍有進(jìn)一步提升的空間。

綜上所述，硅晶圓電學(xué)測(cè)試系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜而精細(xì)的系統(tǒng)，通過(guò)合理的配置和精確的測(cè)試，可以確保晶圓的質(zhì)量和性能符合設(shè)計(jì)要求。

封裝過(guò)程缺陷解析

封裝過(guò)程是半導(dǎo)體器件制造中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響器件的性能和可靠性。以下是封裝過(guò)程中常見(jiàn)的缺陷及其詳細(xì)解析：

裝片空洞

定義：裝片空洞是指在封裝過(guò)程中，由于密封不良、裝片機(jī)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)或芯片表面存在異物（如氧化物）等原因，導(dǎo)致芯片與框架基島之間未能形成良好的黏結(jié)或釬接，從而產(chǎn)生空洞。

影響：空洞的存在會(huì)嚴(yán)重影響功率器件的導(dǎo)電性，導(dǎo)致RDS(ON)值超標(biāo)，進(jìn)而影響器件的性能。此外，空洞還會(huì)降低芯片的導(dǎo)熱效率，形成熱量聚集點(diǎn)，增加器件在溫度和功率循環(huán)過(guò)程中的受力不均勻性，從而引發(fā)焊料層裂紋，進(jìn)一步影響封裝產(chǎn)品的可靠性。

控制標(biāo)準(zhǔn)：一般功率芯片對(duì)空洞的大小和總面積有嚴(yán)格規(guī)定，非車規(guī)級(jí)產(chǎn)品中要求總面積不超過(guò)芯片面積的10%，單個(gè)空洞不超過(guò)5%。

鍵合不良

定義：鍵合不良包括引線短路、彈坑損傷、第二焊點(diǎn)虛焊或鍵合強(qiáng)度弱等問(wèn)題。

影響：引線短路會(huì)導(dǎo)致不同極性的焊線之間發(fā)生擊穿，造成功率器件失效。彈坑損傷和虛焊會(huì)降低鍵合強(qiáng)度，使得器件在受到交變應(yīng)力時(shí)容易發(fā)生接觸不良，進(jìn)而影響器件的可靠性和使用壽命。

預(yù)防措施：在封裝體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)確保不同極性的焊線之間的距離足夠大，以避免擊穿短路。同時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制封裝過(guò)程中的工藝參數(shù)，以減少對(duì)芯片的機(jī)械沖擊，并確保焊料厚度和冷卻速率合適，以減少熱應(yīng)力沖擊。

封裝破裂

定義：封裝破裂是指在封裝過(guò)程中，由于機(jī)械沖擊、熱應(yīng)力等因素導(dǎo)致的芯片內(nèi)部或表面出現(xiàn)裂紋。

影響：封裝破裂可能導(dǎo)致器件的瞬間電氣失效，尤其是當(dāng)裂紋生長(zhǎng)到影響電路連接時(shí)。裂紋還會(huì)降低器件的可靠性，因?yàn)榱鸭y的擴(kuò)展需要時(shí)間，所以即使初始時(shí)能通過(guò)功能檢測(cè)，也可能在后續(xù)的使用環(huán)境中出現(xiàn)問(wèn)題。

預(yù)防措施：應(yīng)嚴(yán)格控制封裝過(guò)程中的工藝參數(shù)，以減少對(duì)芯片的機(jī)械沖擊。同時(shí)，應(yīng)確保有足夠的焊料厚度來(lái)阻止裂紋的擴(kuò)展，并選擇合適的冷卻速率來(lái)減少熱應(yīng)力沖擊。此外，還應(yīng)嚴(yán)格控制劃片過(guò)程中的崩角大小，以防止裂紋的產(chǎn)生。

綜上所述，在封裝過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制各項(xiàng)工藝參數(shù)和條件，以確保封裝質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)質(zhì)量檢測(cè)和控制手段，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理潛在的缺陷問(wèn)題。