芯片剪切強度試驗分離模式研究

王海麗 黃然

關鍵詞：芯片剪切強度，可靠性試驗，分離模式

0 前言

芯片利用粘接材料通過特定的粘接工藝粘接在管座或基板（以下簡稱底座）上，芯片材料一般為硅、鍺等半導體材料，芯片附著材料有很多種類，常用的有導電膠、環氧樹脂絕緣膠、焊膏或焊片（金錫焊料、鉛錫銀焊料、鉛錫焊料等）等，底座材料主要是PCB板（印刷電路板）、陶瓷或微晶玻璃等。半導體芯片粘接在底座上，通過粘接材料，芯片與底座形成一個完整的粘接系統[1]?？己嗽撜辰酉到y是否可靠，一般采用芯片剪切強度試驗。粘接材料自身以及與芯片表面、底座表面在粘接過程中形成的界面層不同，導致在芯片剪切試驗后，其分離模式不同。不同的分離模式反映了產品不同的失效機理，準確地記錄分離模式為提高產品可靠性水平提供了改進的方向。目前通用的標準對分離模式的規定，很容易出現記錄不一致的現象，鑒于此，急需對芯片剪切強度試驗中的分離模式進行研究，統一劃分依據和記錄模式，為產品研制和生產提供支撐作用。

1 芯片粘接系統

對于芯片粘接系統來說，包含如下材料：底座材料、附著材料和芯片材料。有些芯片粘接系統要求芯片背面和底座上必須金屬化，但有些不要求。其中陶瓷底座包含：陶瓷（一般為Al2O3）、金屬化層[包含基底金屬+鍍層（鎳層+金層）]；PCB板底座包含：PCB板（一般為FR4）+金屬化層[基底金屬銅（Cu）+鍍層（鎳層+金層）]；芯片材料包含硅或鍺等半導體材料+芯片背面金屬化層（包含底金屬+過渡金屬化層+鍍金層）。界面層包含底座基材（陶瓷或PCB板）和金屬界面層，金屬化層與附著材料界面層（兩個），金屬化層與半導體材料界面層。在芯片粘接系統中，附著材料是起到粘接芯片材料和底座材料的關鍵材料。附著材料一般劃分為兩大類，一種是環氧樹脂類，另一種是焊料、焊片等。如果附著材料為絕緣材料芯片粘接系統，底座材料和芯片材料的金屬化層可以省略，界面只有兩個界面層：芯片和附著材料界面、附著材料和底座基材界面。如果附著材料為導電材料，其芯片粘接系統（以PCB板做底座基材為例）示意圖如圖1所示。

不同附著材料的粘接系統主要分離模式一般存在下述的描述現象。

（1）絕緣膠粘接系統，芯片背面不要求金屬化。主要分離模式為芯片與附著材料分離、芯片與附著材料一起脫離底座兩種分離模式同時存在。

（2）導電膠粘接系統，芯片背面要求金屬化。主要分離模式為從芯片與附著材料分離、芯片與附著材料一起脫離底座兩種分離模式同時存在。

（3）金箔燒結粘接系統，芯片背面無金屬化，金箔與芯片背面的硅形成金硅共晶合金。主要分離模式為基底殘留大部分的半導體芯片。

（4）焊片共晶燒結粘接系統，芯片背面要求金屬化，最外面一般背金；主要分離模式：小于（1×1）mm2芯片與附著材料一起脫離底座，底座上有少量的附著材料殘留；大于（1×1）mm2芯片大多為底座殘留大部分的半導體芯片。

2 芯片分離模式種類及劃分依據

2.1 分離模式

國內外現有標準對芯片剪切強度分離模式劃分的描述上均保持一致，芯片分離模式劃分A、B、C3種：A 芯片被剪切掉，底座上殘留有硅碎片；B芯片與芯片附著材料間脫離；C 芯片與芯片附著材料一起脫離底座[2～5]。

2.2 劃分依據

由于國內外現有標準中對芯片剪切強度分離模式的描述太過籠統，在實際使用過程中很容易出現相同分離，記錄模式不統一的現象。鑒于此，本文在分析大量試驗的基礎上，對所有破壞類型進行了分類總結，給出了不同分離模式的劃分依據。描述如下。

分離模式A：劃分依據是只有芯片被剪切掉，只發生芯片內聚破壞。

分離模式B：劃分依據是芯片被剪切掉，發生芯片與附著材料粘附破壞。

分離模式C：劃分依據是芯片與附著材料一起與底座分離，發生附著材料內聚破壞，或附著材料與底座粘附破壞。

2.3 記錄模式

目前，芯片剪切強度試驗記錄分離模式僅記錄一種分離模式，而實際試驗過程中，單純發生一種分離模式的情況很少，大多數情況下是兩種分離模式同時發生，因此，記錄時應是多種分離模式的組合。

3 應用舉例及破壞機理分析

3.1 應用舉例

實驗室在大量的芯片剪切強度試驗實踐中，以破壞位置不同，可以大致歸結為芯片內聚破壞、附著材料內聚破壞、附著材料粘附破壞、基板破壞以及這幾種破壞形式的混合。現就實際過程中可能出現的分離現象以圖示的形式表示見表1。

3.2 破壞機理分析

（1）芯片內聚破壞

芯片內聚破壞是芯片剪切試驗時，分離發生在芯片內部，造成芯片破碎或破裂，如表1中編號1所示。出現這種破壞現象時，剪切力一般比較大，是比較希望出現的破壞現象，造成這種分離模式出現的原因，一般是附著材料粘接強度比較大，由于芯片脆性較大，產生的芯片脆性破裂。如果出現力較小的情況，一般是由于芯片自身存在缺陷（如：潛在裂紋等）。

（2）附著材料內聚破壞

附著材料內聚破壞指芯片剪切試驗時，分離發生在附著材料內部，即芯片被剪切掉，芯片背面帶有附著材料，如表1中編號5圖片所示。出現這種分離模式時，除非附著材料內部空洞較多，或是虛焊、冷焊（俗稱豆腐渣焊）等不良焊接出現，一般剪切力也較高；造成這種分離模式的主要原因是，附著材料與芯片和基板的潤濕性較好或二者之間形成良好的界面層，附著材料強度小于芯片強度、基板強度以及界面層強度。

（3）基板破壞

底座金屬化鍍層脫落或底座破壞也歸屬于基板破壞，基板破壞指芯片剪切試驗時，分離發生在基板內部，如表1中編號8圖片所示。出現這種分離模式時，分離力一般很大，造成這種分離模式出現的原因，一般是附著材料粘接強度比較大，基板脆性較大或基板強度小。芯片、芯片附著材料和底座金屬化層一起同底座基材分離（對粘接在金屬底座上的芯片），一般是由于底座金屬化層同底座基材附著不良造成的失效。一般來說出現這類失效時，剪切強度數據很小。

（4）粘附破壞

粘附破壞指芯片剪切試驗時，分離發生在兩種材料的接觸界面層處，在界面處發生剝離，如表1中編號4和7圖片所示。出現這種分離模式時，剪切力一般很小，產品基本都不合格，這是由于芯片背面（編號4）或底座（編號7）清潔不良，造成附著材料與芯片或底座潤濕不好導致的。

（5） 混合破壞

混合破壞指芯片剪切試驗時，破壞模式出現兩種（含兩種）以上破壞形式（如表1中編號2、3和6圖片所示）。如：內聚+粘附，這種混合破壞的形式出現得比較多，一般分離力比較大。 除非局部清潔不良面積過大，或附著材料內部有大量空洞存在，一般混合破壞的剪切力比較大，不會出現不合格現象。

4 小結

本文根據相關標準中規定，明確了分離模式的劃分依據及記錄模式，其中分離模式有A（芯片被剪切）、B（芯片與芯片附著材料件脫離）、C（芯片與芯片附著材料一起脫離底座），并對實際試驗中所有可能出現的破壞類型給出示意圖，通過試驗中應用舉例和破壞機理分析，直觀加強對芯片剪切試驗理解。通過完善芯片剪切試驗，進一步提升標準的可操作性，提高芯片可靠性與質量。