勿在測試過(guò)程中損壞纖薄器件

每個(gè)人都想有輕薄的移動(dòng)設備，這也是新發(fā)布的iPhone 6比前幾代產(chǎn)品更薄的原因。更薄的設備要求人們開(kāi)發(fā)出更先進(jìn)的封裝技術(shù)。遺憾的是，傳統的環(huán)氧塑料封裝不足以構建這些特別薄的設備，因為其封裝占位面積比其內部容納的芯片要大近6倍。

這個(gè)問(wèn)題可采用芯片級封裝(CSP)解決，即封裝與芯片本身大小相同。CSP封裝利用焊球直接附著(zhù)到電路板上。遺憾的是，小尺寸的CSP封裝使得它們非常脆弱，在操作過(guò)程中很容易損壞。因此，半導體制造行業(yè)需要有新的方法來(lái)檢驗器件的質(zhì)量，以便工程師理解故障，并且篩選掉故障器件。

薄在內部

蘋(píng)果的iPhone 6厚度是6.9mm，小于iPhone 5的7.6mm和iPhone 4S的9.3mm。因為電池和屏幕無(wú)法做得更薄，所以必須降低封裝和基板的厚度。這也正是轉移到CSP的驅動(dòng)力。

市場(chǎng)調查公司Prismark 的Brandon Prior 指出，iPhone 5S是第一款在0.4mm間距上使用50μm線(xiàn)寬/線(xiàn)間距(L/S)和CSP的移動(dòng)設備。據Prismark預測，到2018年有超過(guò)28%的CSP和WLCSP(晶圓級CSP)將達到0.4mm或以下。

Qualcomm公司封裝工程高級總監Steve Bezuk在2014年“IMAPS器件封裝大會(huì )”上對封裝挑戰進(jìn)行了闡述。他認為，雖然21世紀初期很少有封裝采用WLP，但這類(lèi)封裝如今在IC封裝市場(chǎng)已占近一半份額。

CSP 基板做得越來(lái)越薄。SEMI 全球行業(yè)協(xié)會(huì )表示， 目前最前沿的CSP 基板采用15 μm 的線(xiàn)寬和線(xiàn)間距，而且正在向更小的線(xiàn)寬與間距發(fā)展， 因此它們可以處理≤ 110 μm 的精細凸點(diǎn)間距。SEMI 在其題為《Global Semiconductor Pack aging MaterialsOutlook 2013～2014》的報告中指出，基板制造商的2015年目標是5μm的線(xiàn)寬與線(xiàn)間距。他們還考慮在積層中使用40μm的過(guò)孔直徑。報告透露，所制造的核心層上的線(xiàn)寬與線(xiàn)間距為12μm，過(guò)孔最小為50μm，捕捉焊盤(pán)小至110μm。

上述情況和相關(guān)趨勢使得操作CSP的難度越來(lái)越大，在生產(chǎn)質(zhì)量認證之前和過(guò)程中它們也更加容易損壞。一般來(lái)說(shuō)，任何CSP可靠性認證過(guò)程都必須解決操作、來(lái)料和出貨質(zhì)量控制(IQC/OQC)、插接和無(wú)偏置應力測試4個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

CSP暴露的硅材料是未經(jīng)加工的，非常易碎，因此在操作期間很容易因應力裂縫而損壞。這種裂縫可能會(huì )形成不合格的硅片矩陣，并在認證過(guò)程中由于額外應力造成裂縫的擴大。這些因素加上其他不可知因素使得人們很難區分是認證有關(guān)的應力測試引起的CSP故障還是操作引起的CSP故障。在大批量生產(chǎn)移動(dòng)設備時(shí)這個(gè)問(wèn)題變得更具挑戰性。

在來(lái)料和出貨質(zhì)量控制過(guò)程中定位裂縫的過(guò)程是很困難的，實(shí)現自動(dòng)化的成本也很高。因此必須由經(jīng)過(guò)適當培訓的技術(shù)人員通過(guò)目視檢查來(lái)完成。如何度量也是個(gè)問(wèn)題，通常要求定制的規范指標來(lái)優(yōu)化篩選指定器件的效率。

無(wú)偏置應力測試在室內進(jìn)行，包括預調節濕度敏感性、回流焊、高溫存儲(HTS)、溫度循環(huán)測試(TMCL)和高加速度應力測試(HAST)(圖1)。這些測試對于非CSP來(lái)說(shuō)相對簡(jiǎn)單，因為它們體積比較大，重量比較重，不容易碎。然而，如果CSP用相同的工藝，很容易造成器件損壞。解決這個(gè)問(wèn)題要求在這些無(wú)偏置應力測試過(guò)程中選擇保護CSP的解決方案，包括使用載體和其他定制夾具，并提供有關(guān)如何使用它們的培訓。

圖1：溫度循環(huán)和高度加速應力測試需要在室內創(chuàng )造測試條件。

器件不僅必須通過(guò)無(wú)偏置應力測試，還必須通過(guò)有偏置測試，包括器件在加電和工作時(shí)的有偏置應力測試和有偏置可靠性認證測試。有偏置測試包括高溫工作壽命(HTOL)、高溫循環(huán)、早期失效率(EFR)和老化。在有偏置測試期間，器件通過(guò)放入一個(gè)插座中與電路板建立電氣連接，而不是將器件直接焊接到電路板上。這時(shí)要求使用插座，或在某些情況下專(zhuān)門(mén)設計的子板。測試范圍從高溫工作壽命測試到有偏置的其他測試，十分廣泛。這種方法可以確保在測試完成后方便地移除器件。但是，器件出入插座時(shí)要求不損壞器件也極具挑戰性。

應對這些挑戰的解決方案是組合使用專(zhuān)門(mén)的工藝、載體和其他定制夾具，用它們代替插座和子板(需要的話(huà))，然后是覆蓋認證過(guò)程各個(gè)方面的操作人員培訓。

在開(kāi)發(fā)專(zhuān)門(mén)的工藝時(shí)，應該實(shí)現100%的全方位目視檢查。這種檢查可以在開(kāi)始應力測試之前篩選出損壞的器件?？梢蚤_(kāi)發(fā)定制的全方位檢查規范，把重點(diǎn)放在如何測量尺寸以?xún)?yōu)化篩選效率上。任何被忽略的器件都可能使整批產(chǎn)品失效，因此關(guān)鍵是在施加應力之前對器件進(jìn)行篩選，以便使用有效的樣本數量。

為了開(kāi)展有偏置的應力測試，應該在插座和越來(lái)越多專(zhuān)門(mén)設計的子板之間作出正確選擇，這要求在用插座和子板方法設計老化和HTOL/HAST電路板方面擁有豐富的經(jīng)驗。對于器件不需要加電的無(wú)偏置應力測試，通常需要使用被稱(chēng)為載體的定制夾具。

EAG公司在應力測試中使用了多種載體材料和結構用于保護CSP，包括帶蓋子的小籃或覆蓋器件的“大禮帽”，以便CSP不會(huì )被碰到、吹翻而受到影響和損壞(圖2)。材料對于保護CSP來(lái)說(shuō)非常重要，因為載體也暴露在極端的環(huán)境條件下。另外，載體必須足夠大，以便CSP在插入或拔出時(shí)不會(huì )受損，但也不能太大，否則在里面因容易到處移動(dòng)而破裂。每塊載體可以容納多達240個(gè)器件，對器件來(lái)說(shuō)是唯一的，并且是針對合適尺寸的CSP進(jìn)行了定制設計。

圖2：這種載體包含了覆蓋器件的“大禮帽”，可優(yōu)化操作時(shí)的保護。

操作人員培訓—包括如何正確地開(kāi)展檢查需要尋找的缺陷類(lèi)型，如何操作器件(如果需要的話(huà))才能最大程度地減少損壞—非常重要。如果在有偏置的應力測試中要使用插座，還要求培訓操作人員和技術(shù)人員如何將CSP插入插座并安全地拔出來(lái)。如果有定制夾具，還需要培訓夾具的使用方法。凡是涉及CSP認證過(guò)程的任何人都需要培訓，最有價(jià)值的培訓通常是邊工作邊培訓。EAG通過(guò)相當多的反復試驗開(kāi)發(fā)出了適合大多數情形的最佳操作方法，包括開(kāi)發(fā)最有效率的篩選工藝、載體和其他部件。

最佳操作方法

EAG建立了許多很好的操作方法。雖然沒(méi)有完全一樣的兩個(gè)挑戰，但有許多重現的問(wèn)題必須解決。

舉例來(lái)說(shuō)，有一家面向移動(dòng)設備的大型芯片供應商在應力測試中存在損壞問(wèn)題。認證批量將在多步過(guò)程中的一個(gè)未知點(diǎn)失效。導致的延遲才是真正的問(wèn)題，因為面臨著(zhù)滿(mǎn)足具有特別短開(kāi)發(fā)周期的行業(yè)中的壓力。

分析表明，問(wèn)題發(fā)生在器件被切割和可能產(chǎn)生碰撞的組裝車(chē)間。由于不正確的操作，器件將產(chǎn)生裂縫。解決方案是對組裝車(chē)間的出廠(chǎng)器件進(jìn)行檢查，包括100%的全方位目視檢查，它能發(fā)現組裝車(chē)間發(fā)生的問(wèn)題根源。EAG隨后還會(huì )在客戶(hù)現場(chǎng)培訓操作人員，包括需要尋找的缺陷類(lèi)型，并提供檢查指南。在完成這些步驟后，客戶(hù)就能在應力測試開(kāi)始之前篩選出所有損壞的器件。

在另外一個(gè)例子中，一位制造消費電子設備用IC的客戶(hù)存在無(wú)偏置應力測試期間由于氣流設備效應引起的CSP裂縫和碎裂問(wèn)題。雖然氣流非常小，但由于它們到處吹拂，導致近20%的待測器件損壞，使得整批篩選器件失效。EAG設計了一個(gè)定制的專(zhuān)利夾具，能夠安全地保護器件，從源頭上避免問(wèn)題的發(fā)生。

小結

解決CSP認證挑戰要求擁有在種類(lèi)廣泛的客戶(hù)和情形下解決許多復雜問(wèn)題的經(jīng)驗。最佳操作方法要求使用專(zhuān)門(mén)的工藝，正確地選擇插座、子板或定制夾具(包括用于帶偏置測試插座插入的專(zhuān)用載體)以及受過(guò)高級培訓的設備操作人員和檢查技師。采用正確的實(shí)現方法后，一個(gè)好的批量里應該有不到8%“落選”，確保在復雜的CSP認證過(guò)程中上游或下游的任何點(diǎn)都不會(huì )產(chǎn)生批量失效問(wèn)題。