勿在測試過程中損壞纖薄器件

每個人都想有輕薄的移動設(shè)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(shè)備要求人們開發(fā)出更先進(jìn)的封裝技術(shù)。遺憾的是，傳統(tǒng)的環(huán)氧塑料封裝不足以構(gòu)建這些特別薄的設(shè)備，因?yàn)槠浞庋b占位面積比其內(nèi)部容納的芯片要大近6倍。

這個問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，在操作過程中很容易損壞。因此，半導(dǎo)體制造行業(yè)需要有新的方法來檢驗(yàn)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(nèi)部

蘋果的iPhone 6厚度是6.9mm，小于iPhone 5的7.6mm和iPhone 4S的9.3mm。因?yàn)殡姵睾推聊粺o法做得更薄，所以必須降低封裝和基板的厚度。這也正是轉(zhuǎn)移到CSP的驅(qū)動力。

市場調(diào)查公司Prismark 的Brandon Prior 指出，iPhone 5S是第一款在0.4mm間距上使用50μm線寬/線間距(L/S)和CSP的移動設(shè)備。據(jù)Prismark預(yù)測，到2018年有超過28%的CSP和WLCSP(晶圓級CSP)將達(dá)到0.4mm或以下。

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

CSP 基板做得越來越薄。SEMI 全球行業(yè)協(xié)會表示， 目前最前沿的CSP 基板采用15 μm 的線寬和線間距，而且正在向更小的線寬與間距發(fā)展， 因此它們可以處理≤ 110 μm 的精細(xì)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(biāo)是5μm的線寬與線間距。他們還考慮在積層中使用40μm的過孔直徑。報告透露，所制造的核心層上的線寬與線間距為12μm，過孔最小為50μm，捕捉焊盤小至110μm。

上述情況和相關(guān)趨勢使得操作CSP的難度越來越大，在生產(chǎn)質(zhì)量認(rèn)證之前和過程中它們也更加容易損壞。一般來說，任何CSP可靠性認(rèn)證過程都必須解決操作、來料和出貨質(zhì)量控制(IQC/OQC)、插接和無偏置應(yīng)力測試4個關(guān)鍵問題。

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(yīng)力裂縫而損壞。這種裂縫可能會形成不合格的硅片矩陣，并在認(rèn)證過程中由于額外應(yīng)力造成裂縫的擴(kuò)大。這些因素加上其他不可知因素使得人們很難區(qū)分是認(rèn)證有關(guān)的應(yīng)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)移動設(shè)備時這個問題變得更具挑戰(zhàn)性。

在來料和出貨質(zhì)量控制過程中定位裂縫的過程是很困難的，實(shí)現(xiàn)自動化的成本也很高。因此必須由經(jīng)過適當(dāng)培訓(xùn)的技術(shù)人員通過目視檢查來完成。如何度量也是個問題，通常要求定制的規(guī)范指標(biāo)來優(yōu)化篩選指定器件的效率。

無偏置應(yīng)力測試在室內(nèi)進(jìn)行，包括預(yù)調(diào)節(jié)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(yīng)力測試(HAST)(圖1)。這些測試對于非CSP來說相對簡單，因?yàn)樗鼈凅w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。解決這個問題要求在這些無偏置應(yīng)力測試過程中選擇保護(hù)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(xùn)。

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

器件不僅必須通過無偏置應(yīng)力測試，還必須通過有偏置測試，包括器件在加電和工作時的有偏置應(yīng)力測試和有偏置可靠性認(rèn)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，器件通過放入一個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。這時要求使用插座，或在某些情況下專門設(shè)計(jì)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，器件出入插座時要求不損壞器件也極具挑戰(zhàn)性。

應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的解決方案是組合使用專門的工藝、載體和其他定制夾具，用它們代替插座和子板(需要的話)，然后是覆蓋認(rèn)證過程各個方面的操作人員培訓(xùn)。

在開發(fā)專門的工藝時，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)100%的全方位目視檢查。這種檢查可以在開始應(yīng)力測試之前篩選出損壞的器件。可以開發(fā)定制的全方位檢查規(guī)范，把重點(diǎn)放在如何測量尺寸以優(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(yīng)力之前對器件進(jìn)行篩選，以便使用有效的樣本數(shù)量。

為了開展有偏置的應(yīng)力測試，應(yīng)該在插座和越來越多專門設(shè)計(jì)的子板之間作出正確選擇，這要求在用插座和子板方法設(shè)計(jì)老化和HTOL/HAST電路板方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。對于器件不需要加電的無偏置應(yīng)力測試，通常需要使用被稱為載體的定制夾具。

EAG公司在應(yīng)力測試中使用了多種載體材料和結(jié)構(gòu)用于保護(hù)CSP，包括帶蓋子的小籃或覆蓋器件的“大禮帽”，以便CSP不會被碰到、吹翻而受到影響和損壞(圖2)。材料對于保護(hù)CSP來說非常重要，因?yàn)檩d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在插入或拔出時不會受損，但也不能太大，否則在里面因容易到處移動而破裂。每塊載體可以容納多達(dá)240個器件，對器件來說是唯一的，并且是針對合適尺寸的CSP進(jìn)行了定制設(shè)計(jì)。

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

操作人員培訓(xùn)—包括如何正確地開展檢查需要尋找的缺陷類型，如何操作器件(如果需要的話)才能最大程度地減少損壞—非常重要。如果在有偏置的應(yīng)力測試中要使用插座，還要求培訓(xùn)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。如果有定制夾具，還需要培訓(xùn)夾具的使用方法。凡是涉及CSP認(rèn)證過程的任何人都需要培訓(xùn)，最有價值的培訓(xùn)通常是邊工作邊培訓(xùn)。EAG通過相當(dāng)多的反復(fù)試驗(yàn)開發(fā)出了適合大多數(shù)情形的最佳操作方法，包括開發(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。雖然沒有完全一樣的兩個挑戰(zhàn)，但有許多重現(xiàn)的問題必須解決。

舉例來說，有一家面向移動設(shè)備的大型芯片供應(yīng)商在應(yīng)力測試中存在損壞問題。認(rèn)證批量將在多步過程中的一個未知點(diǎn)失效。導(dǎo)致的延遲才是真正的問題，因?yàn)槊媾R著滿足具有特別短開發(fā)周期的行業(yè)中的壓力。

分析表明，問題發(fā)生在器件被切割和可能產(chǎn)生碰撞的組裝車間。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間的出廠器件進(jìn)行檢查，包括100%的全方位目視檢查，它能發(fā)現(xiàn)組裝車間發(fā)生的問題根源。EAG隨后還會在客戶現(xiàn)場培訓(xùn)操作人員，包括需要尋找的缺陷類型，并提供檢查指南。在完成這些步驟后，客戶就能在應(yīng)力測試開始之前篩選出所有損壞的器件。

在另外一個例子中，一位制造消費(fèi)電子設(shè)備用IC的客戶存在無偏置應(yīng)力測試期間由于氣流設(shè)備效應(yīng)引起的CSP裂縫和碎裂問題。雖然氣流非常小，但由于它們到處吹拂，導(dǎo)致近20%的待測器件損壞，使得整批篩選器件失效。EAG設(shè)計(jì)了一個定制的專利夾具，能夠安全地保護(hù)器件，從源頭上避免問題的發(fā)生。

小結(jié)

解決CSP認(rèn)證挑戰(zhàn)要求擁有在種類廣泛的客戶和情形下解決許多復(fù)雜問題的經(jīng)驗(yàn)。最佳操作方法要求使用專門的工藝，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用載體)以及受過高級培訓(xùn)的設(shè)備操作人員和檢查技師。采用正確的實(shí)現(xiàn)方法后，一個好的批量里應(yīng)該有不到8%“落選”，確保在復(fù)雜的CSP認(rèn)證過程中上游或下游的任何點(diǎn)都不會產(chǎn)生批量失效問題。