紅外焦平面探測器鍵合和剪切可靠性試驗研究

劉若冰,王 爽,陳 勤,喻松林,毛京湘,陳洪雷

(1.中國電子技術標準化研究院,北京 100007；2.華北光電技術研究所,北京 100015；3.昆明物理研究所,云南 昆明 650223；4.中國科學院上海技術物理研究所,上海 200083)

1 引 言

紅外焦平面探測器制冷組件的質量和可靠性對整個紅外成像系統的性能至關重要,也是目前制約其工程化應用的主要因素。目前紅外焦平面探測器各相關標準中規定的可靠性試驗,主要是對最終組件進行工作或貯存試驗,對工藝過程中的可靠性水平暫無規定。紅外焦平面探測器的質量和可靠性與其制造過程密切相關,對探測器的評價不僅是對封裝后組件的評價,還應結合工藝過程控制要求,解決質量和可靠性隱患。

紅外焦平面探測器制冷組件的關鍵零部件包括焦平面芯片、杜瓦和制冷機/器,由于影響各個零部件可靠性的因素不同,難以對整體制冷組件直接進行可靠性評價。法國Sofradir公司首先建立了制冷組件的可靠性串聯模型,將制冷組件的可靠性考核分解到焦平面芯片、杜瓦和制冷機/器的考核中[1]。本文對焦平面芯片和杜瓦的失效模式及其對應的可靠性試驗方法進行了分析研究,對目前標準中缺失的引線鍵合強度和芯片剪切強度考核,選取典型樣品進行了摸底試驗,以探索目前產品制造工藝過程的質量和可靠性水平,相關研究結果得到了紅外焦平面探測器相關生產和使用單位的認可。

2 失效機理及考核試驗分析

2.1 探測器芯片

紅外焦平面探測器混成芯片類似于半導體集成電路,所不同的是作為光電探測用的焦平面陣列芯片材料不是單晶硅,而是多樣化的紅外功能材料,包括以碲鎘汞為代表的合金半導體材料、以銻化銦為代表的化合物半導體材料等。對于探測器混成芯片來說,主要失效模式一方面是銦柱開裂,導致銦柱互連結構疲勞失效,盲元增加；另一方面是像元性能退化導致信號變小或噪聲增大,從而導致芯片失效。

2.1.1 銦柱互連疲勞失效

銦柱互連是實現焦平面陣列芯片與讀出電路芯片之間電連接的關鍵工藝,其失效是探測器芯片工作過程中的主要失效機理。由于紅外探測器芯片需要在80 K左右甚至更低的溫度下工作,每次工作都經受室溫至低溫再至室溫的溫度沖擊。焦平面芯片材料和硅讀出電路芯片材料間存在較大的熱膨脹系數差異(常見的碲鎘汞芯片的熱膨脹系數約4.9×10-6K-1,硅讀出電路芯片的的熱膨脹系數約2.6×10-6K-1),大陣列芯片互連后,每次工作的溫度沖擊帶來的伸縮應力很大,連接焦平面芯片和讀出電路芯片的銦柱會承受一個周期的剪切應力,頻繁的高低溫沖擊會造成探測器盲元的增加乃至失效。

由此可見銦柱互連失效的敏感應力主要是產品開關機過程造成的溫度沖擊。 針對這一失效機理,相關通用規范標準規定了探測器組件的開關機壽命試驗,或在生產工藝過程中對芯片進行“室溫——液氮”溫度沖擊試驗,以模擬組件使用過程中的反復開關機情況。

2.1.2 像元性能退化

焦平面芯片經過較高溫度或較長時間貯存后,像元性能有時會發生退化。像元性能退化與提高溫度有關,一般認為溫度越高,退化速度越快,為此可以利用提高溫度作為可靠性試驗的加速應力。對于探測器制冷組件來說,由于焦平面芯片需要在深低溫下工作,以提高溫度作為工作壽命試驗的加速應力無法執行,故對于焦平面芯片一般以提高溫度作為貯存壽命試驗的加速應力進行。但在焦平面混合芯片真空封裝進杜瓦后,無法再對芯片單獨試驗,故針對此失效模式的可靠性考核方法,一般是隨杜瓦組件整體進行高溫貯存試驗。目前已有紅外焦平面探測器相關通用規范對高溫貯存壽命試驗進行了規定,高溫(70±3)℃,累計貯存時間1500 h。

2.2 杜瓦組件

紅外焦平面探測器杜瓦組件在結構特點上,是由探測器混成芯片、低溫粘接膠、引線基板,以及金屬支撐結構等組成的多層材料體系[2]。杜瓦內部需要在一定的時間范圍內維持必要的高真空,才能使制冷機通過冷頭將芯片冷卻到工作溫度,否則探測器混合芯片將無法正常工作。對于杜瓦組件來說,杜瓦真空失效、電學引線失效、探測器混成芯片粘接失效是主要失效模式。杜瓦組件的質量和可靠性控制主要應考慮真空保持時間、混成芯片對基座的粘接強度、引線焊接的牢固性等問題。

2.2.1 真空失效

漏氣和零部件內表面放氣是導致杜瓦真空度下降的主要失效機理[3]。根據近年行業積累的研制數據,目前的工藝水平能保證杜瓦的總體漏率處于較小的水平(一般小于5×10-13He·atm·cc/s),在杜瓦結構不發生物理破壞導致更大的漏氣情況下,杜瓦的漏率對真空壽命的影響較小,內部表面放氣是真空失效的更主要原因[3]。

杜瓦內部的探測器芯片及其他零部件在大氣環境下溶解、吸附了一些氣體,且在進行焊接組裝前,需要用石油醚、丙酮、無水乙醇等有機溶劑進行表面處理以去除機械加工過程中引入的污染,這些溶劑同樣被吸附于零部件表面。吸附氣體和殘余溶劑隨著時間的推移緩慢釋放,會使杜瓦真空度降低、熱耗增大,影響杜瓦的真空壽命。氣體放氣速率除了與材料、制造工藝、預處理有關外,環境溫度也是影響放氣速率的重要因素,溫度越高,放氣速率越大。對材料進行真空、高溫烘烤除氣可使吸附氣體大量脫附。但由于探測器混成芯片的特性決定了組件排氣烘烤溫度不可能太高(通常不超過90 ℃),導致杜瓦組件在常溫貯存條件下仍然有不可忽略的放氣,這是影響杜瓦組件的真空壽命的主要因素[3]。貯存溫度越高,放氣率越大,組件的真空壽命明顯降低。因此可以利用提高貯存溫度作為加速應力,來進行杜瓦組件真空壽命加速試驗,故針對此失效模式的可靠性考核方法也是進行高溫貯存試驗。

2.2.2 引線鍵合失效

電學引線鍵合失效是指引線的焊接失效導致的電學連接失效。紅外焦平面探測器混成芯片由焦平面芯片和讀出電路芯片互連組成,一般產品結構中,焦平面芯片位于頂層,硅讀出電路芯片位于下方,讀出電路芯片的外邊框比焦平面芯片略大一圈,整個混成芯片的電學接口是通過位于讀出電路芯片上的引線焊接輸出的。焦平面探測器混成芯片通過低溫膠粘在基板上,基板再粘在杜瓦冷指上。基板和杜瓦引線環通過引線鍵合,引線環再與外圍圖像處理電路相連,從而將探測器芯片輸出的電學信號輸出到外部。

以上引線焊接一般采用超聲焊接,超聲焊接本身屬于損傷焊接,焊接工藝過程對基底材料和焊接引線材料都會造成一定損傷。探測器杜瓦組件在運輸、工作時,振動、沖擊等力學環境下鍵合引線斷裂、焊點脫鍵以及虛焊等是電學引線失效的主要失效機理。

針對這一失效機理,在生產工藝過程中應對引線鍵合強度進行直接測試,以評估工藝的可靠性。紅外焦平面探測器組件廠商已開展引線鍵合強度測試等相關研究,積累了較豐富的試驗數據,但尚未形成相關標準,因此目前紅外焦平面探測器相關通用規范或試驗方法標準中暫無該試驗的相關要求。

2.2.3 芯片粘接失效

紅外焦平面探測器混成芯片通過低溫膠粘在基板上,基板再粘在杜瓦冷頭上。探測器組件貯存時,在熱環境下基板與芯片熱失配導致粘接膠疲勞劣化是粘接失效的主要失效機理,尤其是探測器芯片工作需在液氮溫度下進行,粘接劑也會隨著芯片工作開關機,不斷經歷室溫和液氮溫度的沖擊,會對其牢固性造成影響。同時探測器在運輸和工作中強振動和沖擊也有可能導致粘接失效。

目前相關通用規范或試驗方法標準中暫無關于紅外焦平面探測器芯片剪切強度試驗的相關要求,紅外探測器主要廠商對于芯片粘接強度一般不進行直接考核,多是通過間接驗證的方式,如對粘接劑的粘接強度進行工藝驗證,對粘接劑進行室溫和液氮下的溫度沖擊試驗,或對組件成品進行振動等機械試驗。

3 引線鍵合強度試驗研究

3.1 引線結構與鍵合工藝特點

引線鍵合作為紅外焦平面探測器可靠性封裝技術基礎之一,是紅外焦平面探測器組件化、實用化及工程化的關鍵工藝,隨著焦平面陣列輸入/輸出密度不斷加大,速度不斷加快,焦平面探測器引線鍵合的難度也越來越大,且易出現失效問題。探測器芯片和杜瓦內部結構引線鍵合涉及兩個部位,其一是讀出電路芯片—基板鍵合(內引線),其二是基板—引線環鍵合(外引線),如圖1所示。

圖1 探測器內部引線鍵合結構示意圖

引線鍵合工藝有熱壓鍵合、超聲鍵合和熱超聲鍵合三種工藝。對于焦平面探測器來說,由于受封裝材料和工序溫升的限制,一般采用超聲鍵合工藝。超聲鍵合工藝一般有球焊和楔焊兩種形式,球焊鍵合速度快,對焊盤沖擊作用小,楔焊能夠實現超細間距鍵合,對表面污染物不敏感,但操作較為復雜[4]。目前紅外焦平面探測器球焊和楔焊兩種形式都有廣泛采用,根據焊接特點,一般內引線較多采用楔焊,外引線較多采用球焊,示意圖如圖2所示。

(a)超聲球焊

(b)超聲楔焊

目前國內主流紅外焦平面探測器制冷組件使用的鍵合絲主要由金絲、硅鋁絲、鉑銥絲等貴/賤金屬復合絲材組成,鍵合絲直徑為25 μm或50 μm,焊盤材質主要為鋁或金。

硅鋁絲鍵合成本低廉、適應性強、工藝簡單,在引線互連中應用廣泛。鋁絲的電導和熱導性能良好,抗蝕能力強,能與芯片的金屬層形成良好的結合且穩定性強。但鋁在高溫下容易氧化,而所形成的氧化膜在引線鍵合過程中會對焊點的成形產生很大的影響,從而降低產品的質量；另外,與金相比鋁的機械性能較差,拉伸強度低,易在鍵合處產生疲勞斷裂,耐熱性較低,生產工藝中容易產生引線下垂等失效[5]。目前鋁絲鍵合以楔形鍵合為主。通過分析發現目前使用硅鋁絲進行鍵合的紅外焦平面探測器多為星載等航天用產品,其工作的環境溫度相對穩定,使用硅鋁絲能夠滿足器件的可靠性需求。

金絲鍵合材料的強度、延伸率較高,工藝穩定性好,能更好的抵抗封裝沖擊力和封裝材料熱膨脹力,但金絲制作成本較高,且和鋁化學親和力較強,當金線與鋁焊盤的鍵合界面處于高溫環境下時,易產生金屬間化合物,導致鍵合界面形成較大應力而開裂,或在鍵合界面形成柯肯德爾孔洞以及裂縫,影響鍵合強度,降低可靠性。此外,金絲耐熱性較低,而金的再結晶溫度較低(150 ℃),也會導致高溫環境下產品可靠性降低[5]。

對于焦平面探測器來說,為了獲得可以接受的制冷時間,必須相應地降低熱容量。因此焦平面探測器的引線選用除了確保連接的可鍵合性和可靠性外,還要兼顧考慮引線熱負載的要求[4]。

除金絲和硅鋁絲外,很多紅外焦平面探測器芯片的外引線選擇使用鉑銥絲,這主要是由于鉑銥絲不僅抗拉強度大,而且相對于金絲來說承載的電流小,導熱系數小,可以減小基板和杜瓦引線環之間的漏熱,從而降低給制冷機帶來的熱負載,提高制冷機的工作效率。由于探測器芯片內引線位于真空杜瓦內部,不涉及漏熱問題,故內引線一般無需使用鉑銥絲。

3.2 試驗研究

3.2.1 試驗方法與合格判據

目前紅外焦平面探測器相關標準中暫無對于引線鍵合強度試驗方法的統一標準。主要廠商在內部評估引線鍵合強度時,主要參照微電子器件試驗方法標準中鍵合強度試驗進行。

該試驗方法中給出了幾種常用引線成份和直徑的鍵合絲的最小鍵合強度判據,但其中并無鉑銥絲的判據,目前國內主流生產廠商對于25 μm鉑銥絲的鍵合強度判據一般根據實際應用的經驗值規定,范圍約15～17 gf。幾種常見鍵合絲的材料及其力學性能,歸納如表 1所示,從表1中可以看出,鉑銥絲的延伸率最大,且其抗拉強度遠大于金絲、硅鋁絲,可達金絲的4倍～5倍。通過對比鉑銥絲與金絲和硅鋁絲的抗拉強度倍數關系(約4～5倍),依據標準中給出的金絲和硅鋁絲最小鍵合強度判據(25 μm金絲為3.0 gf,25 μm硅鋁絲為2.5 gf),同比換算得到25 μm鉑銥絲最小鍵合強度判據約為12.5～15 gf,結合目前生產廠商內控的判據水平,初步將25 μm鉑銥絲最小鍵合強度判據明確為15 gf。

表1 鍵合材料抗拉強度及延伸率

本研究選取了來自不同廠商的23只紅外焦平面探測器制冷組件樣品,按照以上方法對引線鍵合強度進行試驗。部分樣品為帶基板的焦平面探測器芯片,只包含內引線,部分樣品為帶杜瓦外殼和引線環的杜瓦組件,既包含內引線又包含外引線,全部樣品照片如圖3所示。本次試驗對其中23只樣品進行了內引線的鍵合強度試驗,對其中7只樣品進行了外引線鍵合強度試驗。

圖3 引線鍵合強度試驗樣品照片

3.2.2 25 μm金絲楔焊內引線

共12只樣品進行了試驗,每只樣品焊盤材料相同,讀出電路焊盤為鋁,基板焊盤材料為金。試驗中對每只樣品隨機選取15根鍵合絲,根據GJB548B的判據,最小鍵合強度合格判據3.0 g。

對2a、2b和2c樣品進行統計分析,如圖4所示,不同樣品間的數據差異較大。理想情況下,同一生產單位同一時期同一型號產品的鍵合強度數據應近似服從正態分布,從圖中可以看出,2a、2b和2c樣品統計分析后,出現了多個鍵合強度頻數較大的力值,分布較為離散,且數據分布范圍較大、不夠集中,表明工藝一致性較差,不同樣品之間存在差異較大,因此工藝穩定性有待提高。

圖4 2a、2b、2c樣品鍵合強度數據分布情況

3.2.3 50 μm金絲球焊內引線

選取1只探測器樣品進行了試驗,讀出電路焊盤為鋁,基板焊盤材料為金。對樣品隨機選取15根鍵合絲進行試驗。根據GJB 548B的判據,最小鍵合強度合格判據7.6 gf。試驗結果有一根絲不合格,斷裂模式為芯片上的鍵合脫落,考慮鍵合界面形成金鋁化合物導致鍵合力較弱,即在溫度應力下,界面由于Au、Al相互擴散,產生了界面金屬間化合物(IMC),隨著溫度的升高和鍵合時間的增加,IMC層厚度增加,從而使接觸電阻增加,鍵合強度下降。金鋁鍵合是行業內普遍關注的一個可靠性問題,目前,對于功率器件普遍要求對產品金鋁鍵合的可靠性進行分析評價。

該樣品的鍵合絲斷裂模式大部分為非芯片上的鍵合脫落,即金鍵合絲和基板上的焊盤界面脫鍵,基板上的焊盤材質也為Au。出現這種情況的原因可能有:①基板上焊盤的Au層較厚,在鍵合時,鍵合力度不夠,未把焊盤上的金打穿,即未形成Au-Ni鍵合；②50 μm金絲本身的強度大于基板上的金金鍵合強度。

3.2.4 50 μm硅鋁絲楔焊內引線

選取5只樣品進行試驗,每只樣品焊盤材料相同,讀出電路焊盤為鋁,基板焊盤材料為金。

每只樣品根據引線數不同分別進行試驗,最小鍵合強度合格判據5.4 gf。試驗結果4只樣品合格,1只樣品不合格。鍵合絲的大部分斷裂模式主要為在頸縮點處引線斷開,頸縮點為一根鍵合絲的應力集中點,一般為發生鍵合絲斷裂的主要位置,可見硅鋁絲自身的抗拉強度對鍵合強度的影響較大。其次,有少部分鍵合絲的斷裂模式為非芯片上的鍵合脫落,考慮為硅鋁絲和基板焊盤的鍵合強度較弱,基板焊盤材料為金,因此也考慮形成的金鋁IMC層對鍵合強度的影響。

對某一合格的典型樣品14的測試數據進行統計分析如圖5所示,橫坐標為鍵合力(單位gf),縱坐標為頻數,可以看出,50 μm硅鋁絲的鍵合強度在17 gf(均值)處呈近似正態分布,數據一致性較好,說明該工藝的一致性和穩定性較好。

圖6、圖7分別為芯片上的鍵合脫落和基板上的鍵合脫落顯微鏡下形貌,從圖中可以看出芯片和基板上的分離界面較為粗糙,仍有部分鍵合材料殘留,鍵合界面存在著一定的鍵合力,且鍵合強度滿足判據要求。

圖5 樣品14鍵合強度數據分布情況

圖6 樣品14芯片上的鍵合脫落顯微鏡下形貌

圖7 樣品14基板上的鍵合脫落顯微鏡下形貌

不合格的樣品15有9根鍵合絲測試結果不合格,斷裂模式均為非芯片上的鍵合脫落,考慮鍵合絲材質為Al,基板焊盤材料為金,可能存在影響鍵合強度的IMC層,從而導致鍵合失效。其他合格數據的鍵合絲斷裂模式也均為非芯片上的鍵合脫落,且鍵合數據僅比判據大一些,考慮該樣品可能經歷過高溫或者長期貯存,使得金鋁鍵合強度大幅下降。圖8為樣品15基板上的鍵合脫落顯微鏡下形貌,從圖中可以看出芯片和基板上的分離界面較為光潔、鍵合材料殘留較少,說明該樣品整體鍵合強度偏低。

圖8 樣品15基板上的鍵合脫落顯微鏡下形貌

3.2.5 25 μm鉑銥絲球焊外引線

共4只紅外焦平面探測器樣品進行了試驗,每只樣品焊盤材料相同,基板和引線環焊盤均為金。

每只樣品根據引線數不同分別進行試驗,最小鍵合強度合格判據為15.0 gf。試驗結果3只樣品試驗合格,1只樣品9號不合格。不合格樣品的斷裂模式大多為非芯片上的鍵合脫落,與其他三只樣品不同,考慮鍵合工藝的影響因素較大。

圖9為25 μm鉑銥絲超聲球焊鍵合脫落顯微鏡下形貌,大部分鉑銥鍵合絲的斷裂模式為在頸縮點處引線斷開,可見鉑銥絲自身的抗拉強度對鍵合強度的影響較大,其次考慮鉑銥絲和基板焊盤的金層間的鍵合強度。對合格樣品10號樣品測試結果進行統計分析,如圖10所示,可以看出,25 μm鉑銥絲的鍵合強度近似符合正態分布,三只合格樣品10～12號樣品統計分布結果如圖11所示,可見,不同樣品的鍵合強度數據分布較為離散,一致性較差。

圖9 25 μm鉑銥絲鍵合脫落顯微鏡下形貌

圖10 樣品10鍵合強度數據分布情況

圖11 樣品10、樣品11、樣品12鍵合強度數據分布情況

綜上所述,除個別樣品存在金鋁鍵合界面、鉑銥鍵合絲和金焊盤之間的鍵合界面因環境等因素影響,產生退化,導致界面結合強度降低,從而影響鍵合強度的情況之外,大部分產品的鍵合強度是滿足試驗方法及判據要求的,證明了主要生產單位的可靠性滿足要求。但從數據統計分析的結果上看,部分產品的鍵合強度工藝一致性較差,這在對比同一生產單位同一型號不同批次數據時,尤為明顯,批次產品的工藝水平一致性代表了生產線的長期維持穩定的能力,研制單位應注重工藝過程控制,提高產品工藝一致性,從而提高可靠性。

4 芯片剪切強度試驗方法研究

4.1 試驗方法與合格判據

芯片剪切強度是半導體器件破壞性物理分析試驗的一部分,目的是確定半導體芯片與安裝的管座或其他基板連接的牢固性,主要考核附著材料的性能,是否能把芯片牢固安裝在管座或其他基板上。本試驗從使用的角度上講是為了評價半導體芯片的粘接強度能否滿足使用過程中環境應力的要求,如航天器在發射、回收過程中產生的振動應力、沖擊應力、離心力或加速度都會對芯片的粘接產生影響[6],對探測器制冷組來說,還包含了在工作和貯存時高低溫度沖擊作用下對粘接膠性能的影響。

紅外焦平面探測器芯片在杜瓦中的固定方式是通過粘接劑粘在基板上,基板一般多用陶瓷或玻璃,芯片牢固得粘接在基板上是保證探測器組件正常工作的必要條件。由于芯片工作時杜瓦內的溫度一般低至80K甚至更低,粘接劑多使用特殊的低溫膠,其在高低溫沖擊和機械環境下的穩定性和可靠性對探測器組件正常工作至關重要,如果芯片粘接不牢在使用中脫落,就會造成探測器組件的致命性失效[6]。

目前主要的紅外焦平面探測器組件廠商一般不直接對探測器芯片進行芯片剪切強度試驗,而是通過間接驗證的方式確定芯片和基板連接的牢固性,一般會對粘接劑的粘接強度進行工藝驗證,對每批次產品抽樣進行溫度沖擊試驗(如液氮沖擊、烘箱高溫烘烤)等。對粘接劑進行溫度沖擊試驗的溫度下限達到一般探測器芯片的工作溫度,即組件工作時杜瓦腔體內的溫度,溫度上限覆蓋任務剖面,以此來覆蓋探測器組件在貯存和工作時低溫環氧膠可能經歷的溫度沖擊范圍。

鑒于目前行業內均未對探測器芯片直接進行剪切強度試驗,針對紅外焦平面探測器芯片和低溫膠的特殊性,為了摸底目前國內芯片和基板粘接工藝的強度水平,開展了芯片粘接強度試驗的研究。本試驗參考MIL-STD-883的試驗方法和判據,結合紅外焦平面探測器組件使用的低溫膠材料特性,將失效判據定為:

(a)達不到圖12中1.0倍曲線所表示的剪切強度要求；

(b)發生分離的力大于圖12中表示的最小強度(1.0倍力)曲線所對應的力,但是小于圖12中2倍力曲線所對應的力,同時殘留粘接材料面積小于附著區面積的75%。

圖12 微電子器件芯片剪切強度判據

分離模式分離模式劃分A、B、C三種:分離模式A為芯片被剪切掉,底座上殘留有硅碎片；分離模式B為芯片與芯片附著材料間脫離；分離模式C為芯片與芯片附著材料一起脫離底座。

4.2 試驗結果分析

由于紅外焦平面探測器芯片和杜瓦組件尺寸較大,且多為定制,外形不統一,很多樣品無合適夾具固定,故試驗樣品選取難度較大,本試驗選取來自國內不同廠商的8只樣品進行芯片剪切強度摸底試驗。部分樣品為帶基板的焦平面探測器芯片,部分樣品為帶杜瓦的杜瓦組件。樣品的試驗結果匯總如表 2所示,樣品及試驗結果圖片如圖13～20所示。

圖13 1號樣品及試驗結果

圖14 2C號樣品及試驗結果

表2 芯片剪切強度試驗結果匯總

圖15 5號樣品及試驗結果

圖16 6號樣品及試驗結果

圖17 7號樣品及試驗結果

圖18 8號樣品及試驗結果

圖19 9號和11號樣品及試驗結果(冷指變形)

圖20 13號樣品及試驗結果

相對于集成電路芯片來說,紅外焦平面探測器芯片的面積一般較大,隨著線陣和面陣規模的不斷擴大,芯片面積也變得更大,從表2可以看出,最小的面陣規模128×128陣列的探測器芯片面積也達到30 mm2以上。按照圖12給出的剪切強度判據,若附著區面積大于4.13 mm2,被試件承受的最小作用力應為24.5 N或其倍數(2倍力為49 N),全部樣品的附著區面積均遠大于4.13 mm2,則合格判據均為1倍力24.5 N,2倍力49 N。從表2可以看出,全部試驗樣品芯片被剪切掉或結果被破壞時的剪切力均遠高于49 N(最低92 N,最高910 N),充分證明了該工藝的粘接牢固性。

對分離模式進行破壞機理分析,芯片內聚破壞的情況比較多,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。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,芯片脆性較大。

5 小 結

引線鍵合強度試驗和芯片剪切強度試驗對于評價紅外焦平面探測器組件可靠性及其工藝控制水平有著重要的意義。本文基于已發布的相關試驗方法標準,充分結合紅外焦平面探測器組件的具體工藝結構、材料特性,對試驗方法進行優化,并選擇典型產品開展試驗驗證,從驗證結果上看,形成的引線和剪切強度可靠性試驗方法可以滿足我國紅外焦平面探測器組件的可靠性評價需求。此外,從驗證數據上看,國內產品的封裝可靠性水平較高,但在質量一致性水平方面有待進一步提升。