芯片組裝可靠性與檢測方法研究進展

牛剛

摘要：隨著技術的進步，芯片組裝方法越來越完善，半導體元件的焊接和粘接主要涉及焊接表面的清洗和平整、氧化材料的殘留、加熱不足以及基片鍍層等問題，以解決芯片粘接不當問題、明確不同各種焊接和粘接方法、失效原因、有針對性地改進粘結劑和封裝工藝、嚴格制造芯片組裝技術是需要更高性能、密度和可靠性的微部件的核心技術之一，而混合集成電路則面向高性能、低成本和根據芯片組裝類型和應用程序環境，必須為芯片組裝選擇合適的技術。組裝質量直接影響元件整體效能。考慮到厚膜電子產品的大量使用，研究芯片組裝技術并分析其可靠性非常重要。重點是國內外芯片組裝質量檢測和芯片組可靠性研究。

關鍵詞：粘接;共晶焊;芯片組裝;可靠性

芯片組裝技術主要將粘接和焊接區分為絕緣和導電粘接。焊接可以根據設計方法分為后回流和共晶焊接。當不需要電氣連接時，通常使用絕緣連接。導電粘接需要導電膠。這使得芯片中的溫度在高性能應用程序中略有上升，并且可能會影響性能和可靠性，因此回流焊是一種傳統的焊接方法，需要在操作過程中加熱以使氣流達到足夠的溫度并吹掉正確的線路板。它還避免氧化，適用于需要控制成本的情況。共晶焊接具有以下優點：連接電阻小、傳熱率高、均勻散熱、強度高焊接和技術一致性。因此，焊縫特別適合于性能組件的大功率和散熱要求要求。

一、芯片組裝的可靠性

芯片失效組裝有早期和后續失效。早期失效是由于材料或技術錯誤造成的。后期失效發生在服役中，隨著時間的推移，性能下降到完全無法使用。

1.早期失效。是所要求的芯片尚未符合焊接/粘接質量要求。采用芯片粘接方法時，應確保粘接面清潔且加壓正確，以達到良好的表面狀態。清潔和加壓均用于在界面分子之間形成組合力。是高效清洗等離子方法，可加速與清洗物表面的碰撞，從而產生清洗效果、活化、腐蝕等實現。在芯片被銀膠污染之前，芯片上的污染呈球形，潤濕角度超過90°且現象不潤濕。對芯片粘貼不好。可顯著增加工件的表面粗糙度和親緣關系，有助于鋪展銀膠和粘貼芯片。粘貼芯片所使用的固定溫度、時間、壓力等。還會影響粘貼質量;固化溫度通過提高和時間延長，有機對象可以完全聚合，但反應交鏈，越大脆性粘接膠。芯片組裝體降低熱循環使用壽命，影響焊接質量的因素是材質的清潔和氧化。焊接件表面氧化含量高時，焊料基本體潤濕產生虛焊或空洞。采取有效的清洗措施，以活化基體表面。焊接芯片不僅能確保無污染表面和氧化低，而且還能通過適當的溫度和壓力保證質量。如果將焊接溫度設置為較低的值，焊接溫度也不能高于實際熔點。此外，液態焊料表面張力較高，從而降低潤濕性。一定的焊接壓力促進了焊接材料之間的緊密接觸、焊料在基面上的潤濕鋪展以及氣泡的消除。

2.失效組裝。當芯片作為設備印制在電路板上時，如果設備處于高溫應力狀態，芯片封裝也會失效。回流過程中，210～230℃峰值溫度，手動焊接過程中（280～300℃）的峰值溫度，以及芯片可能失效粘接或焊接。組裝器件時模塑材料會膨脹很大，芯片垂直拉力，出現失效界面。在設備級封裝中，熔點過低，如果210～230℃再流焊接溫度低于印制板組件，且組件中的散熱不正確或過長組裝時間，則組裝到印制板時可能會導致焊接界面的重熔，并且組件性能可能會發生變化，因此在封裝器件級時，必須為熔點選擇合適的焊接材料，以確保后續安裝的工藝能力。

3.失效熱疲勞。是焊接/粘接芯片最常用的失效方法之一，表現為芯片上的裂紋或剝裂。微電子焊接/粘接由各種性能不同的材料組成，例如Si、SiO2、BeO、Al2O3、WCu和有機材料。這些材料的線性熱膨脹是不同的，通常底座的WCu系數膨脹是Si晶體的四倍。當外部溫度變化或由于設備的操作/關斷導致升溫/冷卻時，由于芯片和基體的熱膨脹系數不同，材料可能具有不同的熱膨脹，從而導致界面中的熱膨脹并加速結構損傷。當裝置持續關閉、在焊接焊縫上施加周期性剪切應力、聚集到中空位置、在焊接中裂紋或硅片龜裂，從而導致熱疲勞而失效。

4.燒毀電應力。芯片與基片的正常接觸（歐姆）是正常運行功耗的先決條件。歐姆接觸不良會增加加大熱阻器件，導致不均勻散熱、設備內電流分布不均、設備熱穩定性破壞和燒毀裝置。半導體體熱導率是散熱有輻射的，對流和傳導。

二、芯片組裝質量檢測

組裝芯片后完成的產品必須按照GJB548B和GJB128A的相關規定進行質量檢查。一是檢查外觀;二是通過x射線技術、超聲波掃描技術等檢測焊縫表面的空洞率。剪切強度測試也是檢驗芯裝配質量的常用方法。

1.檢測空洞率。是測量零件焊接質量的重要參數指標。空洞惡化會影響芯片的機械性能，增加微波電路的插入損耗，并提高性能熱阻和溫升。根據GJB548B 2012.1軍用裝備焊接空洞率不得超過25%，單個孔洞不能跨越芯片的全長或寬度，必須超過計劃接觸總面積的10%。例如，PINK真空焊采用掃描超聲波技術，利用抽氣+氮氣保護形成的焊接工藝，焊區發白部分為空洞部分。

2.檢測剪切強度。根據GJB 548B的規定進行，粘接強度根據GJB 548B規定考慮。剪切強度通常用拉剪力進行，粘接出優質芯片后，粘接部位仍留有粘接痕跡。由于芯片組底板材料不附著在釬焊腔上，因此可以在滑動芯片后立即觀察到空洞的大小和密度。有必要測量不同溫度下的剪切強度，并且根據GJB 548B規定測量粘結強度。1在GJB 548B中進行。

3.測試電性能。晶體管雙極性器件可以測量器件的熱阻和飽和電壓降，以確定芯片的焊接質量。假設裸芯片性能良好，當飽和電壓降過大時，可能會發生芯片虛焊或空洞較大。該方法可用于批量生產的在線測試。

分析了芯片組裝后的可靠性問題及質量檢測方法，組裝芯片時，必須首先從芯片類型和應用程序環境中選擇合適的裝配過程。在實際裝配過程中，不僅要考慮工藝參數的設置，還要考慮焊接組件長期運行的可靠性，并能從冶金反應和熱膨脹系數的調整等方面綜合得到可靠的組裝體。

參考文獻

[1]葛洋崢.芯片粘接失效模式及粘接強度提高途徑[J].電子與封裝，2019（09）：1-4.