勿在测试过程中损坏纤薄器件

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每个人都想有轻薄的移动设备,这也是新发布的iPhone 6比前几代产品更薄的原因。更薄的设备要求人们开发出更先进的封装技术。遗憾的是,传统的环氧塑料封装不足以构建这些特别薄的设备,因为其封装占位面积比其内部容纳的芯片要大近6倍。

这个问题可采用芯片级封装(CSP)解决,即封装与芯片本身大小相同。CSP封装利用焊球直接附着到电路板上。遗憾的是,小尺寸的CSP封装使得它们非常脆弱,在操作过程中很容易损坏。因此,半导体制造行业需要有新的方法来检验器件的质量,以便工程师理解故障,并且筛选掉故障器件。

薄在内部

苹果的iPhone 6厚度是6.9mm,小于iPhone 5的7.6mm和iPhone 4S的9.3mm。因为电池和屏幕无法做得更薄,所以必须降低封装和基板的厚度。这也正是转移到CSP的驱动力。

市场调查公司Prismark 的Brandon Prior 指出,iPhone 5S是第一款在0.4mm间距上使用50μm线宽/线间距(L/S)和CSP的移动设备。据Prismark预测,到2018年有超过28%的CSP和WLCSP(晶圆级CSP)将达到0.4mm或以下。

Qualcomm公司封装工程高级总监Steve Bezuk在2014年“IMAPS器件封装大会”上对封装挑战进行了阐述。他认为,虽然21世纪初期很少有封装采用WLP,但这类封装如今在IC封装市场已占近一半份额。

CSP 基板做得越来越薄。SEMI 全球行业协会表示, 目前最前沿的CSP 基板采用15 μm 的线宽和线间距,而且正在向更小的线宽与间距发展, 因此它们可以处理≤ 110 μm 的精细凸点间距。SEMI 在其题为《Global Semiconductor Pack aging MaterialsOutlook 2013~2014》的报告中指出,基板制造商的2015年目标是5μm的线宽与线间距。他们还考虑在积层中使用40μm的过孔直径。报告透露,所制造的核心层上的线宽与线间距为12μm,过孔最小为50μm,捕捉焊盘小至110μm。

上述情况和相关趋势使得操作CSP的难度越来越大,在生产质量认证之前和过程中它们也更加容易损坏。一般来说,任何CSP可靠性认证过程都必须解决操作、来料和出货质量控制(IQC/OQC)、插接和无偏置应力测试4个关键问题。

CSP暴露的硅材料是未经加工的,非常易碎,因此在操作期间很容易因应力裂缝而损坏。这种裂缝可能会形成不合格的硅片矩阵,并在认证过程中由于额外应力造成裂缝的扩大。这些因素加上其他不可知因素使得人们很难区分是认证有关的应力测试引起的CSP故障还是操作引起的CSP故障。在大批量生产移动设备时这个问题变得更具挑战性。

在来料和出货质量控制过程中定位裂缝的过程是很困难的,实现自动化的成本也很高。因此必须由经过适当培训的技术人员通过目视检查来完成。如何度量也是个问题,通常要求定制的规范指标来优化筛选指定器件的效率。

无偏置应力测试在室内进行,包括预调节湿度敏感性、回流焊、高温存储(HTS)、温度循环测试(TMCL)和高加速度应力测试(HAST)(图1)。这些测试对于非CSP来说相对简单,因为它们体积比较大,重量比较重,不容易碎。然而,如果CSP用相同的工艺,很容易造成器件损坏。解决这个问题要求在这些无偏置应力测试过程中选择保护CSP的解决方案,包括使用载体和其他定制夹具,并提供有关如何使用它们的培训。

 

CSP

图1:温度循环和高度加速应力测试需要在室内创造测试条件。

 

器件不仅必须通过无偏置应力测试,还必须通过有偏置测试,包括器件在加电和工作时的有偏置应力测试和有偏置可靠性认证测试。有偏置测试包括高温工作寿命(HTOL)、高温循环、早期失效率(EFR)和老化。在有偏置测试期间,器件通过放入一个插座中与电路板建立电气连接,而不是将器件直接焊接到电路板上。这时要求使用插座,或在某些情况下专门设计的子板。测试范围从高温工作寿命测试到有偏置的其他测试,十分广泛。这种方法可以确保在测试完成后方便地移除器件。但是,器件出入插座时要求不损坏器件也极具挑战性。

应对这些挑战的解决方案是组合使用专门的工艺、载体和其他定制夹具,用它们代替插座和子板(需要的话),然后是覆盖认证过程各个方面的操作人员培训。

在开发专门的工艺时,应该实现100%的全方位目视检查。这种检查可以在开始应力测试之前筛选出损坏的器件。可以开发定制的全方位检查规范,把重点放在如何测量尺寸以优化筛选效率上。任何被忽略的器件都可能使整批产品失效,因此关键是在施加应力之前对器件进行筛选,以便使用有效的样本数量。

为了开展有偏置的应力测试,应该在插座和越来越多专门设计的子板之间作出正确选择,这要求在用插座和子板方法设计老化和HTOL/HAST电路板方面拥有丰富的经验。对于器件不需要加电的无偏置应力测试,通常需要使用被称为载体的定制夹具。

EAG公司在应力测试中使用了多种载体材料和结构用于保护CSP,包括带盖子的小篮或覆盖器件的“大礼帽”,以便CSP不会被碰到、吹翻而受到影响和损坏(图2)。材料对于保护CSP来说非常重要,因为载体也暴露在极端的环境条件下。另外,载体必须足够大,以便CSP在插入或拔出时不会受损,但也不能太大,否则在里面因容易到处移动而破裂。每块载体可以容纳多达240个器件,对器件来说是唯一的,并且是针对合适尺寸的CSP进行了定制设计。


CSP
图2:这种载体包含了覆盖器件的“大礼帽”,可优化操作时的保护。


操作人员培训—包括如何正确地开展检查需要寻找的缺陷类型,如何操作器件(如果需要的话)才能最大程度地减少损坏—非常重要。如果在有偏置的应力测试中要使用插座,还要求培训操作人员和技术人员如何将CSP插入插座并安全地拔出来。如果有定制夹具,还需要培训夹具的使用方法。凡是涉及CSP认证过程的任何人都需要培训,最有价值的培训通常是边工作边培训。EAG通过相当多的反复试验开发出了适合大多数情形的最佳操作方法,包括开发最有效率的筛选工艺、载体和其他部件。

最佳操作方法

EAG建立了许多很好的操作方法。虽然没有完全一样的两个挑战,但有许多重现的问题必须解决。

举例来说,有一家面向移动设备的大型芯片供应商在应力测试中存在损坏问题。认证批量将在多步过程中的一个未知点失效。导致的延迟才是真正的问题,因为面临着满足具有特别短开发周期的行业中的压力。

分析表明,问题发生在器件被切割和可能产生碰撞的组装车间。由于不正确的操作,器件将产生裂缝。解决方案是对组装车间的出厂器件进行检查,包括100%的全方位目视检查,它能发现组装车间发生的问题根源。EAG随后还会在客户现场培训操作人员,包括需要寻找的缺陷类型,并提供检查指南。在完成这些步骤后,客户就能在应力测试开始之前筛选出所有损坏的器件。

在另外一个例子中,一位制造消费电子设备用IC的客户存在无偏置应力测试期间由于气流设备效应引起的CSP裂缝和碎裂问题。虽然气流非常小,但由于它们到处吹拂,导致近20%的待测器件损坏,使得整批筛选器件失效。EAG设计了一个定制的专利夹具,能够安全地保护器件,从源头上避免问题的发生。

小结

解决CSP认证挑战要求拥有在种类广泛的客户和情形下解决许多复杂问题的经验。最佳操作方法要求使用专门的工艺,正确地选择插座、子板或定制夹具(包括用于带偏置测试插座插入的专用载体)以及受过高级培训的设备操作人员和检查技师。采用正确的实现方法后,一个好的批量里应该有不到8%“落选”,确保在复杂的CSP认证过程中上游或下游的任何点都不会产生批量失效问题。

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