（微电子学与固体电子学专业论文）功率裸芯片的测试与老化筛选技术.pdf

摘要 摘要 功率裸芯片广泛应用于汽车电子、家电等电子系统的功率模块，确保所使用 的裸芯片具有高度的可靠性是提高产品成品率的关键。为了提高功率裸芯片的质 量与可靠性，本文主要研究了功率裸芯片的测试与老化筛选技术。 针对功率裸芯片测试与老化筛选时具有的大电流、高温度的特点，本文改进 了原用于常规裸芯片的临时封装夹具系统，并进行了可靠性验证分析。试验结果 发现：1 ) 采用新型衬底的夹具系统接触电阻明显减少，大尺寸多凸点的新型衬 底设计与原衬底相比接触电阻平均减少了4 0 ，即大大减少了衬底凸点与芯片电 极之间的散热量；2 ) 夹具采用铜质盖板代替塑料盖板，加强了夹具系统的散热 能力，其耐受电流能力从不到2 5 a 提高到3 a 以上；3 ) 通过分析接触压力对接 触电阻的影响并结合接触对裸芯片电极造成的损伤情况，确定了合适的接触压 力，使其能在裸芯片与衬底之间实现可靠电连接的前提下达到微损伤的目的。试 验结果表明，改进后夹具系统的散热能力、耐电流能力都有了明显的改善，抗冲 击能力也得到了提高。 在完成夹具系统的改进工作之后，通过研究功率裸芯片的失效机理，确定了 功率裸芯片可靠性试验的筛选项目、筛选应力条件，并拟定了筛选程序。在筛选 方法中，电功率老化是功率裸芯片可靠性试验最重要的方法，为防止在电功率老 化过程中出现应力不足或者过应力失效，通过深入研究结温的测量与控制技术， 指出了常用的线性近似法的不足之处，提出了适合功率裸芯片的测结温方法。最 后，通过峰值结温法完成了老化筛选功率裸芯片，并通过探针测试对试验结果进 行了验证。 在准确测量和控制结温的基础上，功率裸芯片的电功率老化筛选有两种实现 方案，除本文给出的峰值结温老化筛选法以外，还可以考虑采用满功率连续脉冲 老化筛选法，这也是今后进一步研究的课题。 关键词：功率裸芯片；已知良好芯片；夹具；老化；可靠性 a b s t r a c t t h ep o w e rb a r ed i eh a sa p p l i e dw i d e l yi np o w e rm o d u l e so fe l e c t r o n i cs y s t e m s u c ha sa u t o m o b i l ea n dd o m e s t i ce l e c t r o n i ca p p l i a n c e sa n ds oo n t oe n s u r et h e r e l i a b i l i t yo f t h eb a r ed i ei st h ek e yt oe n h a n c et h ep a s s r a t eo ft h ep r o d u c t s t h ep a p e r s t u d i e dp r i n c i p a l l yt h et e s t i n ga n db u r n i ns c r e e n i n gt e c h n o l o g yo fp o w e rb a r ed i ei n o r d e rt oi m p r o v et h eq u a l 时a n dr e l i a b i l i t y t h ep o w e rb a r ed i eh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fl a r g eo p e r a t i n gc u r r e n ta n dh i g h o p e r a t i n gt e m p e r a t u r ew h e nw et e s t o rs c r e e ni t ，w eh a v em a d et h es u i t a b l e i m p r o v e m e n tt ot h ec a r r i e rs y s t e l i l ，a n dh a v ec a r r i e do nt h er e l i a b l ec o n f i r m a t i o n a n a l y s i sw i t hi t e x p e r i m e n tr e s u l t sh a v es h o w nt h a tt h ec o n d u c tr e s i s t a n c eo ft h en e w c a r r i e rd e c r e a s es i g n i f i c a n t l y , t h ec o n t a c tr e s i s t a n c eo ft h en e ws u b s t r a t ew i t ht h e l a r g e - s i z ea n dm u l t i - b u m pd e c r e a s e sb y4 0 ，i td e c r e a s e st h e r m a ld i s s i p a t i o ng r o s s w er e p l a c et h ep l a s t i cc o v e rb o a r db yc o p p e rc o v e rb o a r dt os t r e n g t h e nt h er a d i a t i o n a b i l i t yo ft h ec a r r i e rs y s t e m t h er e s u l t sh a v es h o w n t h a tt h ee n d u r e dc u r r e n tc a p a c i t y o f t h ec a r r i e ri n c r e a s e sf r o ml e s st h a n2 5 at o3 a a b o v e t h r o u g ha n a l y z i n gt h ei m p a c t p r e s s u r et ot h ec o n d u c tr e s i s t a n c e ，c o m b i n e d 晰t ht h eb a r ed i e sd a m n i f i c a t i o n , w e c o n f i r ma na p p r o p r i a t ec o n t a c tp r e s s u r e e x p e r i m e n tr e s u l t sh a v es h o w nt h a tb o t ht h e t h e r m a ld i s s i p a t i o np o w e ra n dt h eu t m o s tc u r r e n ta n da n t i - i m p a c tc a p a b i l i t yo ft h e c a r r i e rh a v ed i s t i n c ti m p r o v e m e n t a f t e rc o m p l e t i n gt h ec a r r i e rs y s t e md e v e l o p m e n t ，t h em o s ti m p o r t a n tq u e s t i o ni s t oc o n f i r ma na p p r o p r i a t es c r e e n i n gp l a n t h r o u g hr e s e a r c h i n gf a i l u r em e c h a n i s mo f t h ep o w e rb a r ed i e ，w ec o n f i r mb a s i cc o n d i t i o n so ft h er e l i a b i l i t yt e s t ，s u c ha s s c r e e n i n gp r o j e c t s ，t h es c r e e n i n gs t r e s sc o n d i t i o n s ，t h ef a i l u r e c r i t e r i o na n dt h e s c r e e n i n gp r o c e d u r e i nt h es c r e e n i n gm e t h o d s ，t h ee l e c t r i cp o w e rb u r n - i nm e t h o di s c o n s i d e r e dt h em o s te f f e c t i v em e t h o d ，b u tw en e e dt op r e v e n tt h ep h e n o m e n o no ft h e s c r e e n i n gs t r e s si n s u f f i c i e n c yo ro v e r a f t e rp r o f o u n dr e s e a r c h i n gt h em e t h o d sa n d c o n t r o lt e c h n o l o g yo ft h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r em e a s u r e m e n t ，w ei n d i c a t et h e d i s a d v a n t a g e so fn o r m a ll i n e a ra p p r o x i m a t i v e l ym e t h o da n dp r o p o s eam o r ee f f e c t i v e m e t h o d t h en e wm e t h o di m p o v et h e a c c u r a c y o ft h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r e 1 1 厂系正业大学碘士学位论又 m e a s u r e m e n t f i n a l l y , w ew eh a sc o m p l e t e dt h eb u r n i ns c r e e n i n gp o w e rb a r ec h i p t h r o u g ht h ep e a kv a l u ej u n c t i o nt e m p e r a t u r em e t h o da n dc a r r i e do n t h ev a l i d i t yc h e c k t h r o u g ht h ep r o b et e s t a f t e rm e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gt h ej u n c t i o nt e m p e r a t u r e , t h e r ea r et w ok i n d so f b u m i ns c r e e n i n gm e t h o d sf o rp o w e rb a r ed i e ，b e s i d e st h ep e a kv a l u ej u n c t i o n t e m p e r a t u r eb u r n i ns c r e e n i n gm e t h o dw h i c hi n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e ，t h e m e t h o d c a l l e df u l lc a p a c a yc o n t i n u a lp u l s eb u r n - i ns c r e e n i n gm e t h o da l s oc a nb ec o n s i d e r e d ， w h i c hi st h es t u d yt o p i ci nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：p o w e rb a r ed i e ；k n o w ng o o dd i e ；c a r r i e r ；b u r n - i n ；r e l i a b i l i t y i v 独创性声明 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论 文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字： 指导教师签字： 别孝弗夺 第一章绪论 第一章绪论弟一早 三百了匕 1 1 本课题的研究背景与实际意义 近年来，电子系统朝着小型化、高性能、高可靠性的方向发展，带来对多芯 片组件( m c m ) 、混合集成电路( h i c ) 、直接焊接系统( d c a ) 强烈和旺盛的需求。 其中，多芯片组件技术( m c m ) 是近十几年发展起来的一种新的微电子组装与封 装技术，采用高密度互连技术，互连线较短，使得其信号传输延时明显缩短，并 且由于采用多层布线基板和裸芯片，其组装密度较高，产品体积小，重量轻( 其 重量可减少8 0 - - 9 0 ) 1 ，同时电性能和可靠性得到了提高，因此m c m 技术在军 用和民用领域都具有十分稳固的优势地位。m c m 技术的迅猛发展需要使用大量的 裸芯片( b a r ed i e ) ，裸芯片是没有经过封装且一个个分立的芯片，它相对于封装 的半导体器件有着明显的优势，其一就是极大程度上减少了器件本身和模块体 积；其二，减少了芯片的封装所带来的引线电阻，从而减少了总电阻；其三，采 用裸芯片形式可以让设计人员做电路设计时有更大的自由度。然而，将多个裸芯 片置入同一封装中会存在一些技术问题。同一封装中含有多个裸芯片会增加器件 的失效率，同时，组件中任何一个裸芯片的失效即意味着整个组件的失效。即 1 0 0 组8 0 件 合6 0 格 率4 0 2 0 l u2 u3 u4 u5 0 m c m 中的芯片数目( 个) 图l lm c m 的成品率与芯片质量关系 f i g 1 - 1t h er e l a t i o n sb e t w e e nd i eq u a l i t ya n dr e s u l t i n gy i e l do f t h em c m m c m 芯片组件的成品率很大程度上决定于所使用裸芯片的可靠性，图1 是m c m 的 成品率与芯片质量的关系。从图中可以发现，随着组件中的芯片数目越来越多， 组件的合格率呈指数形式下降，可见芯片的质量对于组件的合格率有着至关重要 的影响。因此，确保所使用的裸芯片具有高度的可靠性是提高m c m 合格率的一个 广东工业大学硕士学位论文 根本途径，据统计，使用未检测的裸芯片将使m c m 的成本提高7 2 叫。获得高可 靠性裸芯片的方法是进行测试筛选工作，剔除掉不合格部分，从而获得已知良好 芯片k g d ( k n o w ng o o dd i e ) 。k g d 技术是对m c m 和h i c 中大量使用的裸芯片进行 测试和高温老化筛选等试验，再经功能和参数测试筛除有早期失效或有缺陷的芯 片，保证最后挑选出来的裸芯片的质量与可靠性达到封装成品的质量与可靠性等 级要求。 目前，国内许多单位和企业在其研制或者使用的电源组件、功率组件、放大 器、信号处理电路等组件和m c m 中均已大量使用裸芯片，出厂的裸芯片都只经历 了探针测试这样一个测试环节( 单芯片的工艺制造流程如图l 一2 所示) ，这种测 试通常是检查有限的一组参数，并未经过老炼和全面的电测试，要想获得高可靠 的裸芯片，必须对其进行老炼和全面电测等一系列程序，否则其质量和可靠性无 法保证。k g d 技术是保证h i c m c m 高可靠性系统的关键，可以促使m c m 和h i c 的 成品率和可靠性得到全面的增长和提高，为电子装备的小型化和高可靠性奠定基 础。长期以来由于裸芯片的质量与可靠性没有得到保证，在m c m 和h i c 模块研制 l 圆片制造 _ _ 探针测试卜一一圆片切割卜_ 叱 壳装备 _ - k 炼试验卜一全面电测试 壶 拆装芯片 k g d 阵芏装在十 验验i 网试到 封装载体 图1 2 单芯片工艺制造流程3 1 f i g 1 - 2t h ep r o d u c t i o nf l o wo fs i n g l ed i e 和使用过程中暴露出来的与设计、材料和工艺相关的潜在缺陷等导致产品质量和 可靠性的问题，已直接影响、威胁项目的进度和质量，急需研究适当的方法针对 这些缺陷进行评价、老化筛选，消除工艺缺陷和设计缺陷，将质量与可靠性问题 的苗头消灭在萌芽阶段，保证裸芯片的质量与可靠性符合使用要求。 功率半导体器件是半导体器件的重要组成部分，是功率电子技术的核心部 分。在全球都在倡导节能的情况下，功率电子技术的重要性日益提高，功率半导 2 第一章绪论 体器件的应用领域不断扩展，尤其是汽车和家电等领域对功率半导体器件的需求 强劲。功率裸芯片是未经封装的功率器件，是裸芯片系列的一个重要分支，它具 有电流容量大、耐压高和功率处理能力强等优点，因此，它广泛应用于汽车电子、 家电等应用领域，嚣前国内外均无成熟的测试与老化筛选技术，因此对功率裸芯 片的测试与老化筛选技术的研究无疑有重大的意义。 1 。2 国内外k g d 技术研究情况 1 2 1 阑外k g d 技术的发展情况 k g d 技术的引入在保证质量和可靠性的同时还将带来巨大的经济效益，所以 k g d 技术近几年在国外发展非常迅速。k g d 技术首先是为了满足多芯片封装( m c m ) 的需求而提搬的，1 9 8 9 年，美国空军w r i g h t 实验室为解决m c m 的基础结构问题， 联合8 家航空公司( 休斯、罗克韦尔、i b m 、霍尼韦尔、g e 、t i 、a l l i a n t 、m a r t i n m a r i e t t a ) 组成了一令电子封装与互连合作组织( e l e c t r o n i cp a c k a g i n ga n d i n t e r c o n n e c tc o o p e r a t i v e ，e p i c ) ，该组织认定解决m c m 基础结构问题的关键 在予引入k g d 技术。各大半导体公司楣当重视并投入巨额资金和人力进行研究， 一些有关k g d 的论文开始出现在技术会议上r 驯。1 9 9 3 年j e d e c 发表k g d 指导方 针，在同年，芯片级的k g d 技术舞始出现阳1 ，i b m 公司开发出h a r m o n i c a i r t mk g d 插座，a e h r 公司也开发出d i e p a k t mk g d 插座，t e x a si n s t r u m e n t s 开发出d i e m a t e t m 技术。随着解决方案不断增多穗完善，1 9 9 4 年k g d 技术正式进入商震市场。k g d 技术发展的里程碑是美国、日本和欧洲的k g d 标准的相应出台。美国电子工业协 会( e 王a ) 在1 9 9 6 年颁布了嚣d e c 标准e i m j e s d 4 9 口1 ，隧本电子工业协会( e i a j ) 在1 9 9 9 年颁布了e i a j e d r - - 4 7 0 3 标准嘲，欧洲在2 0 0 0 年颁布了针对k g d 的 e s 5 9 0 0 8 标准嘲，均对k g d 质量和可靠性保证提窭了指导性规范。其中在e i a j e d r - - 4 7 0 3 中将裸芯片质量等级划分为三级，第一级已知良好芯片( k g d ) ，第二级已 知测试芯片( k t d ) ，第三级探针级芯片( 鞠) ，对k g d 来说将通过镜检、电特性测 试、早期失效筛选、长期可靠性试验，而对于k t d 和p d 而言，没有早期失效筛 选帮长期可靠性试验，甚至只有少部分的电特性测试。隧前，k g d 已经被认为是 裸芯片应用中减少费用、缩短周期以及提高产品可靠性的关键。 k g d 技术与芯片的测试、老化技术密切穗关，基前k g d 技术可以分为两大 类，芯片级k g d 技术和圆片级k g d 技术。圆片级k g d 技术中测试和老化夹具费用 高、系统昂赛，适合大批量生产。分立芯片的k g d 技术审夹具使黧灵活，适合批 3 广豢芏鲎大学硬圭学缀论文 量不大的军用高可靠产品。分立芯片k g d 技术经过十余年的发展，现在在小信号 或数字电路领域技术基本成熟。为了有效地降低k g d 的生产成本，一些公司在 9 0 年代中后期开始从芯片级k g d 向圆片级k g d 方向发展，圆片级k g d 技术首先 是美国d a r p a 在1 9 9 4 年提出的项战略性课题，并在1 9 9 8 年开始进入商用阶段。 圆片级k g d 技术是在圆片切割之翦就对芯片实行老化积测试，这样就可以大大降 低k g d 的生产成本。目前国外存在多种圆片级k g d 技术，如损耗金属w l b i 法n n 和直接接触( 探针技术) w l b i 法n 2 叫1 等。从裸芯片与外界电连接的方式来看，可 以分为两大类，一类是压力接触，类为金属连接。压力接触是通过各种各样的 微型探针、芯片插座或临时封装夹具系统，便裸芯片在压力的作用下芯片的电极 与外界保持连接。金属连接则是通过焊接、电化学等方法，采用金属与外界保持 连接，也有多种多样的形式，如芯片级封装c s p 、倒装自动焊t a b 等等。每年在 美国和欧洲分别举行与k g d 技术相关的两个重要国际会议，“k g dp a c k a g i n ga n d t e s tw o r k s h o p ，“t h eg o o d d i ei n t e r n a t i o n a lw o r k s h o p ，有关k g d 的最新 技术都有报道。 国外的k g d 技术提供公司分为三类，一类是以y a m a i c h i 、a e h r 为代表专门 提供k g d 技术，第二类是以t e x a s 为代表的微电子器件生产厂家以自己的k g d 技 术提供k g d 产品，第三类是剩焉其他公司的k g d 技术提供自己的k g d 产晶，这类 公司很多，如i n t e r 、a i d 、n a t i o n a l 、m o t o r o l a 、m c c 、m i c r o n 等。 1 2 2 国内该领域研究现状 瀛内关于k g d 技术的研究在2 0 0 1 年开始起步，有关k g d 技术的文献近年来 开始出现在期刊上m q 引，目前国内还没有工程化的k g d 测试和老化技术平台，也 没有相关的国家军用标准对裸芯片的使用进行规范，裸芯片质量与可靠性检验的 主要方法是采用1 0 0 墨检和抽样封装检验的方法进行，虽然能超到一定的控制 裸芯片质量与可靠性的目的，但由于这些裸芯片均未经过老化筛选，必然存在早 期失效。 国内信息产韭郝电子第五研究所最先开展裸芯片k g d 技术研究，主要针对的 是国内军用硅电路裸芯片的来源渠道复杂、批量小、品种多等特点，为适应国内 军用m c m 和h i c 的发展需求，集中研究芯片级测试、老化筛选技术。自2 0 0 1 年 至今经过数年研究，在常规裸芯片的测试与老优筛选技术上已经取得了成功：已 能进行低频信号、小功率的单面电极常规裸芯片进行测试和老化筛选；融形成完 4 第一章绪论 整的k g i ) 质量与可靠性保证程序；建立了k g d 芯片工艺质量检验技术；制订了从 裸芯片到k g d 的工艺规范；开发并建立k g d 老化筛选技术；具备了k g d 的e s d 评 价技术；并完成了k g d 临时封装载体开发制作。在此基础上建成了国内第一条 k g d 可靠性保障试验、生产线，既可以为国内外芯片厂家提供芯片测试与老化筛 选服务，也为k g d 技术的进一步研究提供了平台。 在功率裸芯片的测试与筛选上，国内尚没有比较成熟或者是系统的方法。对 于功率裸芯片老化筛选技术的研究，建立在电子第五研究所已有的k g d 技术平台 上。电子五所已经研制出适用于常规裸芯片的k g d 夹具系统，但功率裸芯片的老 化筛选存在大电流、高温度的特点，因此需要针对功率裸芯片的特点改进原来的 夹具系统，并对改进后的夹具系统做可靠性评价分析，以确定其能适用于功率裸 芯片的测试与老化筛选。此外在筛选方法上，则主要借鉴功率管( 封装) 的测试 和老化筛选方法，并根据功率裸芯片的特点拟定合适的筛选项目、应力条件、筛 选程序等，最后通过试验的手段对方法进行评价分析。 1 3 本课题的来源、主要研究内容及章节安排 本课题来源于信息产业部电子第五研究所国家级( 国防) 项目“分立器件裸 芯片定制试验与筛选技术 的专题研究内容。 本课题的主要研究内容包括两个部分：第一部分是对功率裸芯片的临时封装 夹具系统进行的可靠性评价分析工作；第二部分是对功率裸芯片老化筛选技术的 研究。主要的研究内容有：金属凸点与芯片电极接触电阻与压力优化分析；金属 凸点与芯片电极之间硬接触条件下的耐受电流能力分析；裸芯片临时封装后抗冲 击和震动能力分析；功率裸芯片质量与可靠性筛选项目及筛选应力条件研究； 功率裸芯片老化筛选时结温的测量与控制技术等。 全文共分为五章：第一章介绍k g d 的基本概念、课题的研究背景和意义、国 内外的k g d 技术发展现状等；第二章详细介绍了功率裸芯片临时封装夹具系统， 并对改进后夹具系统进行了可靠性评价分析；第三章介绍了功率裸芯片质量与可 靠性保障技术，介绍了功率裸芯片可靠性筛选试验的筛选项目、筛选应力条件、 失效判据等，重点介绍了通过结温控制实现老化筛选功率裸芯片技术；第四章介 绍了可靠性筛选试验的流程、试验操作方法，并重点介绍了通过峰值结温法老化 筛选功率裸芯片的试验步骤、各种应力条件的确定，最后分析了试验结果并通过 探针测试对试验结果进行了验证；第五章是全文的总结，进一步阐述了本文的研 广东工业大学硕士学位论文 究结论并提出了下一步研究的重点。 1 4 本章小结 本章介绍了k g d 技术的基本概念、本课题的研究背景和意义，对国内外k g d 技术的发展现状做了详细的介绍。最后介绍了本课题的主要研究内容以及本文的 章节安排。 6 第二章功率裸芯片临时封装系统的可靠性验证分析 第二章功率裸芯片临时封装系统的可靠性验证分析 2 1 临时封装夹具系统介绍 实现裸芯片的无损测试和老化筛选，关键是k g d 夹具系统。k g d 夹具可以 分为两类：半永久性夹具和临时性夹具。半永久性夹具，在裸芯片与夹具之间形 成接触，当取出裸芯片时需要破坏掉这种接触，多数情况下裸芯片上会留下一些 残余物，如载带t a b ( t a pa u t o m a t e db o n d i n g ) 结构 2 0 1 。临时性夹具，当裸芯片取 出时一切的连接都去掉，在裸芯片上不留下任何残余物，裸芯片在夹具中如同在 封装中一样，完成测试和老化后作为k g d 取出。临时封装夹具系统能够达到无 损测试和老化筛选的目的，并对筛选后的裸芯片使用不带来任何不良的影响。 弹力羔桎 图2 - 1 夹具系统横截面示意图 f i g 2 1 ac r o s s - s e c t i o no f t h ec a r r i e r 临时封装夹具系统( 如图2 1 ) 是对裸芯片进行暂时封装的载体，夹具系 统内装薄膜导电布线基板一一衬底，四周有微小间距的金属接触区，其图形及 间隔满足测试插座对其的参数要求，在薄膜的中心区域有一个金属凸点区，其金 属凸点的位置参数与相应裸芯片上的压焊区( p a d ) 相对应，裸芯片倒叩在薄膜 基板上，芯片上压焊区与衬底上的金属凸点接触，芯片上方的盖板带有弹簧装置， 使盖板具有弹性，盖下时将芯片与基板压紧，通过弹力盖板对芯片形成一个可控 制的压力来实现芯片电极与衬底的金属凸点的适当接触，即实现良好的电连接。 衬底上的互连线主要由铜金属制作，其上分别生长了镍和金，实现与裸芯片压焊 区接触的是直径和高度为5 0 u m 的圆锥形铜凸点，其上也分别生长了5 u m 厚的镍 和金。夹具为衬底提供一个机械支撑，既可以保护裸芯片免遭机械损伤，又同时 7 广东工业大学硕上学位论文 为测试和老化的插座提供一个机械界面。安装好裸芯片的夹具系统再装到测试插 座内，即可以进行老化筛选和全温度范围的电性能测试。裸芯片在夹具中如同在 封装中一样，完成测试和老化后作为k g d 取出，裸芯片上不会留下任何残余物。 这样既能实现对裸芯片进行无损测试和老化筛选的目的，对筛选后的裸芯片使用 也不会带来任何的影响。 功率裸芯片测试和老化筛选时有大电流、高温度的特点，因此与常规裸芯 片有所不同，功率裸芯片的临时封装系统( 即夹具系统) 需要考虑测试与老化筛 选时的散热问题。散热难是夹具系统一个突出的问题，夹具是一个半封闭的系统， 塑料的导热能力不强，芯片产生的热量不易带走，在测试与筛选常规裸芯片时由 于通过的工作电流很小，产生的热量不大，因此不会出现大的影响，但是功率裸 芯片工作时的电流可能达到数安，在如此大的工作电流下，夹具系统升温很快， 不仅可能导致裸芯片由于承受不了高温而损坏，也可能烧坏夹具系统。解决这个 问题的办法，一方面是改善散热条件，另一个方面是尽可能减少产生的热量。基 于这两个方面的考虑，需要对裸芯片的夹具系统和衬底进行改进。首先，为解决 测试与筛选功率裸芯片散热难的问题，把制作夹具盖板的材料从塑料的换成导热 能力强的金属材料铜( 如图2 2 ) 。其次，考虑到夹具系统内的热量主要是由于 衬底引线电阻和芯片电极与凸点之间的接触电阻在电流的作用下产生的，为降低 产生的热量，需要尽可能减少芯片电极与金属凸点之间的接触电阻。 图2 2 铜材料弹簧盖板夹具和塑料弹簧盖板夹具比较 f i g 2 2t h ec a r r i e rw i t hc o p p e r yc o v e rb o a r dc o m p a r ew i t ht h ep l a s t i cc o v e rb o a r d 2 2 微损伤电接触的可靠性分析与验证 当裸芯片装入夹具以后，带有弹簧装置的盖板盖下，对裸芯片形成一定的接 触压力，以保证裸芯片电极与衬底金属凸点之问形成可靠的电连接。电连接的可 靠性与衬底凸点表面的平整度以及弹力盖板的压力大小密切相关，一个合适的接 第二章功率裸芯片临时封装系统的可靠性验证分析 触压力对于测试与老化筛选功率裸芯片是很重要的，一方面，若接触压力过小， 夹具中安装好的裸芯片在测试与老化筛选过程中可能会发生移位，这会导致金属 凸点和电极之间不能精确对准，即不能实现良好的电连接；另一方面，若接触压 力过大，则有可能对衬底的金属凸点以及芯片电极造成损伤。此外，需要重点关 注的是衬底金属突点与裸芯片电极( p a d ) 的接触处产生的接触电阻。在测试和 老化筛选功率裸芯片时，接触处会消耗功率，从而散发热量，由于裸芯片本身没 有散热途径，半封闭的夹具系统导致芯片产生的热量不易散发。因此，在大的工 作电流条件下，夹具系统升温很快( 短时间内可以达到数百摄氏度) ，这种高温 是裸芯片和夹具系统不能承受的。研究接触电阻的影响因素，在满足可靠的电连 接条件下设法减少接触电阻，是实现功率裸芯片老化筛选的前提条件。 2 2 1 影响接触电阻的因素 经过研究发现，接触电阻与接触压力、接触面积、凸点材料、施加电流的大 小等因素有关，此外接触电阻与温度是一个正相关的关系，随着施加电流时间的 增加，夹具系统的温度升高，金属的电阻率随温度的升高而增大，因此接触电阻 亦会增大。在这些因素当中，接触压力、接触面积和凸点材料对接触电阻的影响 最大，也是可以优化的部分。其中，接触压力是指弹力盖板对裸芯片的压力的大 小，压力越大接触电阻越小，但是压力越大对裸芯片电极的损伤也越严重，因此 在保证可靠的电连接条件下，需要通过反复实验，选取一个最优的压力值在达到 尽可能小的接触电阻的同时造成最少的损伤。另外一个重要因素就是芯片电极与 金属凸点的接触面积，增大接触面积有利于减少接触电阻，图2 3 是金属凸点 与芯片电极的连接示意图。 与测试插座连接 凸点与苗片电极的接触 与涓试插座连接 图2 3 金属凸点与芯片电极的接触 f i g 2 3t h ec o n t a c tb e t w e e nm e t a l l i cb u m pa n db a r ed i ep a d 从图2 3 中可以发现，接触面积是由衬底金属凸点的尺寸决定的，凸点的台 面直径的大小决定了接触的面积，增大金属凸点与芯片电极的接触面积可以通过 9 广东工业大学硕士学位论文 直接增大凸点的台面直径大小或者通过多点接触来实现，图2 4 是多点接触的 衬底，与芯片电极相接触的接触点最多有九个( 如图2 5 ) 。采用这种做法可以减 少接触电阻，使接触电阻带来的损耗功率大大减少，其散发的热量得到了降低。 除此之外，衬底凸点材料对接触电阻也有一定的影响，金丝焊球凸点的接触电阻 比普通镀金铜凸点要小，同时电连接的可靠性也更高，但是采用金丝球焊凸点的 衬底是一次性衬底，不能重复使用，这样就会增加测试与老化筛选功率裸芯片的 成本。 图2 4 多点接触凸点衬底图2 5 衬底上的凸点 f i g 2 4t h em u l t i b u m ps u b s t r a t ef i g 2 - 5t h eb u m po nt h es u b s t r a t e 为了分析各种因素对接触电阻的影响及其影响程度，以便设计和挑选出适合 功率裸芯片的衬底，针对上述各种可能的影响因素，我们使用数种不同的衬底， 做了大量的实验。实验情况和结果分析在下述章节详细介绍。 2 2 2 接触电阻的测试方法 要评价各种因素对接触电阻的影响，需要能够精确地测量接触电阻。接触电 阻是指衬底上的金属凸点与裸芯片的电极接触处产生的电阻，其值一般比较小， 约为数百毫欧。在如此小的待测电阻条件下，如何减小引线电阻的影响和测试电 极接触电阻的影响是需要首先解决的问题。采用四线测量法能够有效地消除引线 电阻和接触电阻的影响。 如图2 - 6 ，假设r 1 、r 2 、r 3 、r 4 分别代表电压表和电流回路的引线电阻和接 触电阻，因为： 1 )电压表的输入阻抗很大，通过电压表的电流几乎为0 ，所以a 、c 点等电 位，b 、d 点等电位，电压表的读数能够反映a 、b 点之间的电位差u ，而r 1 、r 2 不影响电压测量： 2 ) 串联电路的各个点电流相等，a 、b 两点不产生分流，所以电流表的读数 i 正是通过被测电阻对的电流，而r 3 、r 4 不影响电流测量。 1 0 第二章功率裸芯片临时封装系统的可靠性验证分析 图2 - 6四线法测量接触电阻的示意图 f i g 2 6f o u rl i n em e t h o df o rm e a s u r i n gc o n t a c tr e s i s t a n c e 所以，u 和i 的比值，就是定义在a 、b 两点之间的电阻值。r 1 、r 2 、r 3 、r 4 和a 、b 两点之外的引线均不影响测量结果。在测量接触电阻时，必须采用四线 法测量，还要注意电流测量端m 、几应跨在电压测量端p h 、p l 之外。 2 2 3 实验衬底介绍 针对不同的测试要求，使用不同的衬底。每种衬底的大体结构是一致的，关 键区别在于凸点的尺寸、凸点的材料、单点接触或者多点接触以及有无保护模等 方面。本实验使用的衬底有如下三种： ( 1 ) 衬底i 型 衬底i 型是一种单触点接触模式，用于互连接触的金属凸点由三层组成，铜 层( 凸点高度4 5 u m 、互连金属条厚度2 5 u m ) + 镍层( 5 u r n ) + 金层( 1 u m ) ，金 属凸点呈圆台形，用于接触裸芯片p a d 的台面最后宽度在3 5 u m 左右，金层主要 作用是提高凸点的耐氧化能力，降低金属凸点的接触电阻。图2 7 是衬底i 型及 衬底上的金属凸点。 图2 7 衬底i 型及其金属凸点 f i g 2 7 t h es u b s t r a t eia n dt h em e t a l l i cb u m p 1 1 广东工业大学硕上学位论文 ( 2 ) 衬底型 f i g 2 8t h es u b s t r a t ei ia n dt h em e t a l l i cb u m p 衬底i i 型包含了三类金属凸点( 如图2 - 9 ) ，分别是单点接触，四点接触和九 点接触，而且相同类型的接触点的凸点尺寸又有区别( 如表2 1 所示) ，单点接 触的凸点尺寸有3 0 3 5um 、6 0um 、1 0 0um 三类，四点接触的凸点尺寸有3 0 3 5 j ? f j 竺。一1 一一一7 1 一一，o i 一 uf = 4 3 9 ，即凸点 接触压力越大，其接触电阻越小，这种现象可以归结为压力越大，凸点与芯片电 极的表面接触面积也随之增大，而接触电阻与接触面积成负相关的关系，所以表 现出来的就是接触电阻随着压力增大而变小。此外，凸点压力为4 3 克的平均值 比凸点压力为3 0 克的平均值仅仅减少了o 0 0 2 。因此可以认为，当接触压力增大 到一定程度时，增大接触压力并不能显著减少接触电阻，即使是凸点压力为1 5 克的接触电阻其平均值也仅比凸点压力为4 3 克的平均值大o 0 lq ，因此在能够 满足可靠的电连接情况下，为了尽可能减少因为接触对芯片表面的损伤，应该尽 量采用压力较小的弹簧。 ( 2 ) 衬底i i 型 取6 0 um 的九点接触凸点c 7 与3 0 3 51 1m 的单点接触凸点a 5 、6 0 1 1m 的单 点接触凸点a 2 、1 0 0um 的单点接触凸点氏、3 0 3 5um 的四点接触凸点b l 、3 0 3 5 um 的九点接触凸点c 4 和6 0um 的九点接触凸点c 6 组合，测量其接触电阻的 大小，数据如表2 7 所示( 输入端口的编号参见表2 一1 ) 。 表2 7 凸点压力为1 4 克时接触电阻大小( 单位：欧姆) f i g 2 - 7t h ec o n t a c tr e s i s t a n c ev a l u ew h e nt h ep r e s s u r ei s14g r a m s 意装? 衬底i i - 1衬底i i - 2 输入端编号 样品1样品2样品1样品2 c 7a 5 0 1 4 90 1 5 30 1 2 00 1 2 5 c 7a 2 0 1 4 70 1 4 20 1 2 70 1 2 6 c 7a 6 0 11 7o 11 8o 1 2 20 1 2 l 第二章功率裸芯片临时封装系统的可靠性验证分析 c 7b 1 0 1 2 1o 1 1 90 1 2 30 1 2 4 c 7c 4 0 1 1 50 1 1 50 1 1 50 1 1 3 c 7c 6 0 1 0 70 1 0 50 1 1 l0 1 0 9 表2 8 凸点压力为8 克时接触电阻 f i g 2 - 8t h ec o n t a c tr e s i s t a n c ev a l u ew h e nt h ep r e s s u r ei s8g r a m s 漆? 衬底i i - 1衬底i i - 2 输入端编号样品l样品2 样品1样品2 c 7 a 5 0 1 5 50 1 5 6 0 1 3 2o 1 3 5 c 7 a 2 0 1 5 30 1 5 50 1 3 7 0 1 3 4 c 7 氏 0 1 2 90 1 3 20 1 2 80 1 2 6 c 7b 1 0 1 3 30 1 3 70 1 2 80 1 2 8 c 7 c 4 o 1 1 60 1 1 70 1 1 50 1 1 6 c 7c 6 0 1 0 9o 1 1 30 1 1 60 1 1 2 取相同衬底的相同输入端在相同压力下样品l 和样品2 的测得电阻值，求其 平均值，比较不同压力下相同接触点的电阻大小。 表2 - 9 衬底一1 凸点压力不同时接触电阻平均值比较 f i g 2 9t h ea v e r a g ec o n d u c tr e s i s t a n c ev a l u eo fs u b s t r a t ei i i - lu n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r ec o n d i t i o n s 一 c 7 a 5c 7a 2c 7 &c 7b 1c 7c 4c 7c 6 凸点压力 1 4 克 0 1 5 l0 1 4 50 1 1 80 1 2 00 1 1 50 1 0 6 8 克 0 1 5 60 1 5 40 1 3 10 1 3 50 1 1 70 1 1 0 表2 1 0 衬底2 凸点压力不同时接触电阻比较 f i g 2 10t h ec o n d u c tr e s i s t a n c ev a l u eo fs u b s t r a t ei i i - 2u n d e rd i f f e r e n tp r e s s u r ec o n d i t i o