有一些电子设备需要频率高度稳定的交流信号,而LC振荡器稳定性较差,频率容易漂移,即产生的交流信号频率容易变化。 在振荡器中采用一个特殊的元件——石英晶体,可以产生高度稳定的信号,这种采用石英晶体的振荡器称为晶体振荡器,简称晶振,如下图是各种各样的晶振。 电子元器件的小型化趋势,有力促进了当下社会的发展进步,电子元器件越小,为主板节约的空间越大,因此,有人异想天开,如果能将晶振电路封装到IC芯片(如时钟芯片)内部将是多么完美,就如同有源晶振在无源晶振的基础内置振动芯片,就无需外部的电容电阻等元器件了。 但实际出于各种原因,晶振并没有内置到IC芯片中。这究竟是为什么呢? 原因 1 早些年,芯片的生产制作工艺也许还不能够将晶振做进芯片内部,但是现在可以了。这个问题主要还是实用性和成本决定的。 原因 2 芯片和晶振的材料是不同的,芯片 (集成电路) 的材料是硅,而晶体则是石英 (二氧化硅),没法做在一起,但是可以封装在一起,目前已经可以实现了,但是成本就比较高了。 原因 3 晶振一旦封装进芯片内部,频率也固定死了,想再更换频率的话,基本也是不可能的了,而放在外面, 就可以自由的更换晶振来给芯片提供不同的频率。 有人说,芯片内部有 PLL,管它晶振频率是多少,用 PLL 倍频/分频不就可以了,那么这有回到成本的问题上来了,100M 的晶振集成到芯片里, 但我用不了那么高的频率,我只想用 10M 的频率,那我为何要去买你集成了 100M 晶振的芯片呢,又贵又浪费。 我们通常所说的 "片内时钟", 是不是实际上片内根本没有晶振, 是有RC 振荡电路。 以上STM32的时钟框图,关于STM32时钟, 可以看出STM32系统时钟的供给可以有3种方式: HSI,高速内部时钟信号STM32单片机内带的时钟 (8M频率), 精度较差。 HSE,高速外部时钟信号,精度高。来源:HSE外部晶体/陶瓷谐振器(晶振)HSE用户外部时钟 PLL,低速外部晶体32.768kHz主要提供一个精确的时钟源 一般作为RTC时钟使用。 如果选用内部时钟作为系统时钟,其倍频达不到72Mhz,最多也就8Mhz/2*16 = 64Mhz。 如果使用内部RC振荡器而不使用外部晶振,请按照如下方法处理: 1)对于100脚或144脚的产品,OSC_IN应接地,OSC_OUT应悬空。 2)对于少于100脚的产品,有2种接法: OSC_IN和OSC_OUT分别通过10K电阻接地。此方法可提高EMC性能。 分别重映射OSC_IN和OSC_OUT至PD0和PD1,再配置PD0和PD1为推挽输出并输出'0'。此方法可以减小功耗并(相对上面i)节省2个外部电阻。 时钟是STM32单片机的脉搏,是单片机的驱动源。 使用任何一个外设都必须打开相应的时钟。这样的好处就是,如果不使用一个外设的时候,就把它的时钟关掉,从而可以降低系统的功耗,达到节能,实现低功耗的效果。
共读好书 孙瑞花 郑宏宇 吝海峰 (河北半导体研究所) 摘要: MEMS 封装技术大多是从集成电路封装技术继承和发展而来, 但 MEMS 器件自身有其特殊性, 对封装技术也提出了更高的要求, 如低湿, 高真空, 高气密性等。本文介绍了五种用于MEMS 封装的封帽工艺技术, 即平行缝焊、钎焊、激光焊接、超声焊接和胶粘封帽。总结了不同封帽工艺的特点以及不同 MEMS 器件对封帽工艺的选择。本文还介绍了几种常用的吸附剂类型, 针对吸附剂易于饱和问题, 给出了封帽工艺解决方案, 探讨了使用吸附剂、润滑剂控制封装内部环境的方法。 1 引言 近年来, 国内外的微电子机械系统 ( MEMS )研究取得了较大的进展, 很多种类的 MEMS 芯片研究已经相当成熟, 对于先进的微电子机械系统来说, 更多的关注已经集中到这些系统的封装上面。目前的封装技术大多是从集成电路封装技术继承和发展而来的 , 但 MEMS 器件 自身 有其 特殊 性。MEMS 系统是一个含有多种材料组成的三维结构和活动组件, 并且常常要处于高温、高湿或酸碱性恶劣环境之中, 所以对封装技术提出了更高的要求: ( 1 ) 高真空。 EMS 系统常包括可动部件, 如微型阀、微型泵、微齿轮等。为了使运动部件能长期可靠地工作, 需要真空封装以减小摩擦。 ( 2 ) 高气密性。一些 MEMS 器件, 如微陀螺必须在稳定的气密条件下才能长期可靠地工作。 ( 3 ) 特殊的封装环境和引出。某些 MEMS 器件 ( 如光 MEMS 器件) 的工作环境是气体、液体或透光的环境, MEMS 封装就必须构成稳定的环境, 并能使气体、液体稳定流动, 使光纤输入低损耗。 ( 4 ) 高隔离度。对 MEMS 射频开关隔离度尤为重要, 为了保证其他干扰信号尽可能小, 要求对传感器的某些部位进行封装隔离, 否则干扰信号叠加在所采样的有用信号上将使 MEMS 的正常功能难以发挥。 ( 5 ) 低应力。在 MEMS 器件中, μm 或 μm/nm 尺寸的部件, 如悬臂梁、微镜等, 其精度高,但结构脆弱易断裂, 因此封装对器件产生的应力应尽可能小。要充分发挥 MEMS 的性能, 就要为其提供适宜的工作环境, 将芯片与外部环境隔离开, 避免不必要的外部干扰及侵害。本文将介绍 MEMS 封装中的封帽工艺技术及封装内部环境的控制。 2 封帽工艺技术 将 MEMS 器件组装到外壳内并完成电连通后,需要用盖板将外壳密封起来, 即封帽。目前, 主要有平行缝焊、钎焊、激光焊、超声焊和胶粘等五种封帽工艺技术。 2.1 平行缝焊 气密 MEMS 器件最常用的封帽方法是平行缝焊, 平行缝焊是单面双电极接触电阻焊, 如图 1( a ) 所示, 其工作原理是用两个圆锥形的滚轮电极与金属盖板接触形成闭合回路, 整个回路的高阻点在电极与盖板接触处, 电流在接触处产生大量热量, 使得盖板与焊框上的镀层呈熔融状态, 凝固后形成一个焊点。在焊接过程中, 电流是脉冲式的,每一个脉冲电流形成一个焊点, 由于管壳做匀速直线运动, 滚轮电极在盖板上做滚动, 因此就在外壳盖板的两个边的边缘形成了两条平行的、由重叠的焊点组成的连续焊缝, 如图 1 ( b ) 所示。平行缝焊的工艺参数主要有焊接电流、焊接速度、电极压力、电极锥顶角度等, 只要选择好焊接规范, 就可以使彼此交迭的焊点形成一条气密性很好的焊缝,漏气率小于 5×10 -9 Pa · m 3 /s ( He ) 。平行缝焊仅对局部加热, 内部芯片温升低, 因此封焊过程不会对芯片造成影响。平行缝焊机操作箱内可充惰性气体, 内连的烘箱, 可对预封器件烘烤, 从而有效控制封装腔体内的水汽含量。 2.2 钎焊 钎焊可实现气体填充或真空封帽, 它是将焊料放在盖板和外壳之间施加一定的力并一同加热, 焊料熔融并润湿焊接区表面, 在毛细管力作用下扩散填充盖板和外壳焊接区之间的间隙, 冷却后形成牢固焊接的过程。盖板焊料有金锡 (Au 80 Sn 20 ) 、锡 - 银 - 铜 ( Sn 95.5 Ag 3.8 Cu 0.7 ) 等。高可靠 MEMS 器件最常用的盖板钎焊材料是熔点为 280 ℃ 的金锡( Au 80 Sn 20 ) 共晶焊料。它具有熔点适中、强度高、浸润性优良、低黏滞性、高耐腐蚀性、高抗蠕变性等优点。焊料可以涂在盖板上, 或根据盖板周边尺寸制成焊料环。图 2 ( a ) 是金锡 ( Au 80 Sn 20 ) 焊料环用于陶瓷封装气密封帽示意图; 图 2 ( b ) 是钎焊封帽的微陀螺仪表头。 影响焊接质量的工艺因素有炉温曲线、最高温度、气体成分、工夹具等。在炉内密封时, 需要采用惰性气体 ( 一般为 N 2 ) 保护, 以防止氧化; 或真空焊接, 焊接温度在 280 ℃ 的共熔温度以上约350 ℃的峰值温度下, 保温时间一般为 3~5 min 。选择好焊接参数, 封帽成品率可在 98% 以上。 2.3 激光焊接 激光焊接是利用激光束优良的方向性和高功率密度的特点, 通过光学系统将激光束聚集在很小的区域和很短的时间内, 使被焊处形成一个能量高度集中的局部热源区, 从而使被焊物形成牢固的焊点和焊缝。利用激光器可以对热塑性塑料、陶瓷和金属封装与几乎所有透明材料制成的盖板密封。不同的材料具有不同的密封机理, 热塑性塑料可以软化结合, 热固性可以固化, 玻璃熔融, 焊料熔化, 金属可以被钎焊甚至焊接。激光焊接能够焊接不规则几何形状的盖板和外壳且具有焊缝质量高的特点。若进行气密性封焊, 一般都能很容易地达到漏气率小于 5×10 -9 Pa · m 3 /s ( He ) 。激光器能量高度集中和可控, 加热过程高度的局部化, 不产生热应力, 使热敏感性强的 MEMS 器件免受热冲击。 利用穿过玻璃的激光能量将玻璃盖板密封到LCP 模塑封装上, 其示意图如图 3 所示。 玻璃密封能通过粗检漏和氦细检漏测试, 在灵敏度范围为 1×10 -9 atm · cm 3 /s He 的情况下, 检测25 只样品没有发现一只漏气。结果表明激光焊接是一种将玻璃盖板密封到模塑 LCP 的实用方法。热塑性塑料可以作为一种粘接材料, 放在非塑料封装和玻璃之间。穿过玻璃的激光能量被塑料吸收,并转换成热使塑料软化。 LCP 是用于玻璃和陶瓷粘接的准气密粘合剂。 2.4 超声焊接 超声焊接就是使用超声能量来软化或熔化焊点处的热塑性塑料或金属。其工作原理为: 震动能量通过一个能放大波幅的增幅器传输, 然后超声波传输到声极, 直接把震动能量传递到要组装的零件, 声极也能施加焊接所需的焊接压力, 震动能量通过工件传输到焊接区, 在焊接区通过摩擦, 机械能再转换成热能, 使材料软化或熔化到一起。 通过施加一定的压力和超声震动, 可以将盖板焊接到封装体上: 典型频率为 20 、 30 或 40 kHz 。焊接质量取决于设备和零件的设计、焊接材料的性能以及能量过程, 常规零件的超声焊接时间小于1 s 。此工艺的特点是能效高、成本低、生产效率高、易实现自动化。一些 MEMS 使用的 LCP 模塑封装和盖板是用超声焊完成的[ 4 ] 。对于低量程的MEMS 加速度计悬臂梁其谐振频率在 5 kHz 以下,超声频率不会引起谐振也不可能造成粘附和损伤, 对于大量程的 MEMS 加速度计谐振频率均在50 kHz 以上, 悬臂梁的刚度较大, 超声频率不会对其造成任何影响。 2.5 胶粘封帽 所有材料都可以采用有机粘合剂密封, 最通用的盖板粘合剂是以热固性环氧为典型代表的热固化粘合剂, 环氧对大多数金属 ( 尤其是含有某些氧化物的金属) 、塑料、陶瓷和玻璃有很强的粘附性。粘合剂可以是触变软膏、低黏度流体或固态膜的形式。软膏可以丝网印刷在盖板底部或封装墙体的上部边缘上, 随后, 将盖板固定在封装体上, 并加热和加少量力, 可以直接加热盖板 - 封装或将整个封装组件移进一个炉子内。 RJR 公司的预涂 B类粘合剂已经用于不同种类型的零件和盖板中, 它们用于光和 MEMS 腔型封装的密封封帽。但是这 些 B 类环氧在室温下会慢慢聚合, 它们都有储存期限, 零件储存在冰箱中, 储存期可以延长至一年左右。这种封装形式非常适合对环境要求不是很苛刻的 MEMS 器件, 如 MEMS 光开关、 MEMS光可变衰减器和一般用途的 MEMS 惯性器件。 五种封帽工艺的特点及适用于 MEMS 器件(或组件) 的类型列于表 1 。 3 封装腔内环境控制 3.1 使用吸附剂 吸附剂是选择性的清除剂或吸引剂, 对于高真空密封封装, 即使进行了严格的密封前烘烤除气,封装完成后仍有一定的气体从各部件内部表面释放出来, 使用吸附剂可保证封装内部良好的真空状态。吸附剂包括气体、液体和固体吸附剂。重要的气体吸附剂包括氧气和氢气吸附剂, 氢气和氧气在气密封装内部均可被发现, 并且已知是有害的。最重要的液体吸附剂的目标是水, 水在高真空条件下是水蒸汽。一些湿气吸附剂也能吸附封装内部发现的氨、二氧化硫和其他有害物质。吸附固体的吸附剂是通用的, 无论何种成分的微小粒子均可被其俘获。表 2 列出了常用的吸附剂。 湿气和微粒吸附剂是 MEMS 封装中使用的最重要吸附剂类型。湿气对任何电子器件一般都是有害的, 但是它对于所有 MEMS 产品尤其棘手, 因为湿气会引起粘连。微粒吸附剂对微镜阵列和可以活动的 MEMS 器件更有价值。微粒吸附剂通常设计成一个多功能系统, 常用的多功能吸附剂, 例如STAYDRY GA2000-2 ( CSPM ) , 具有除湿和吸附微粒的功能, 能够增加工作寿命和 PIND 测试通过率。吸附剂有膏状和固体膜形式,较常用的是固体膜形式, 塑性粘合剂制成的固体膜, 具有内粘附特性, 可按尺寸切割并粘贴到封装腔体内。膏状吸附剂可印刷或点涂在盖板或封装体上。这些产品都有特定的固化或烘干步骤。 使用吸附剂的 MEMS 器件在封帽时, 应先激活吸附剂, 以使其达到最大的效能。不同类型的吸附剂要求的激活温度与时间不同。如 STAYDRYGA2000-2 ( CSPM ) , 激活温度为 225 ℃ , 时间30 min , PaGe ( saes ) 激活温度为 300 ℃ , 时间15 min 。要根据所选吸附剂的类型确定具体的封帽步骤。如果吸附剂的激活温度低于焊料的熔点, 可以将盖板和管壳组装后一同加热, 达到吸附剂的激活温度和时间后再升至封帽温度完成封帽过程。如果吸附剂的激活温度高于焊料的熔点, 就要采用特殊的设备和工装夹具, 保证在加热激活吸附剂时,管壳密封区温度低于焊料的熔点。通常是将吸附剂固定到盖板上, 焊料环固定到管壳的密封区, 如图4 所示。图 5 是陀螺仪的封帽模具示意图 ( SST ) ,将管壳置于模具的下层, 盖板置于可移动层, 盖板和管壳之间有一定的距离, 在加热激活吸附剂时,管壳不加热, 当达到要求的激活温度和时间后, 可移动层下移, 使盖板与管壳紧密接触, 按封帽曲线进行封帽。 3.2 使用润滑剂 在 MEMS 封装中加入挥发性的润滑剂以降低摩擦和磨损, 所用材料可以是能释放气体的固体,其使用方法与吸附剂类似。也可以使用液体材料,在封盖之前, 向封装内滴入一小滴即可。一个用Z-DOL ( monti edison ) 得到的全氟聚酯 ( PFPE )润滑剂单分子结合层, 可大大减小静摩擦力, 也使得接触界面对环境不敏感。高温会引起润滑剂分子的解吸和分解, 不同种类的润滑剂容许的最高温度不同, 如 Z-DOL 、 AM3001 和 A20H 容许的最高温度分别为 183 ℃ 、 280 ℃和 326 ℃。在选择封帽工艺, 确定封帽步骤时, 要充分考虑所选择的润滑剂的热稳定性。 4 结束语 封帽是 MEMS 封装中的一道关键工艺, 对MEMS 而言, 封装的内部环境至关重要。有些器件必须高真空条件下才能具有功能, 有些 MEMS 器件则需要低湿和低氧环境以防止器件粘连及氧化;还有一些 MEMS 器件需要加入润滑剂以降低摩擦和磨损。 MEMS 是迄今为止封装界所遇到的最为特殊的器件, 要针对 MEMS 器件的不同要求, 选择恰当的封装方式才能充分发挥 MEMS 的性能。
闫文勃 王玉珩 李成龙 (山西科泰航天防务技术股份有限公司) 摘要: 通过采用单因素试验方法,研究了金丝球焊键合过程中超声功率、超声时间、超声压力和加热台温度对于键合强度的影响,分析了各个参数对金丝键合强度的影响规律,给出了手动球焊控制参数的参考范围。通过采用正交试验,验证产品键合工艺参数,优化了键合参数组合,并进行了试验验证,对金丝键合工艺具有一定的指导意义。 金丝球焊工艺是目前元器件封装过程中的主要键合工艺之一,其基本过程是通过加热台对工件加热到一定的温度,将金丝在打火杆的瞬间高电压作用下产生大电流,使金丝端头部熔化,并在尾部形成金球,随后超声波换能器通过劈刀对金球施加相应的键合压力、超声功率、超声作用时间等控制条件,从而实现金丝连接各元件的方法。目前有90%左右的电子器件采用球焊工艺,球焊工艺是针对直流、数字电路键合的首选工艺[1]。金丝球焊连接点质量的优劣与各元件材料介质类型、表面处理情况等材料本身状态有关系,而键合过程中的工艺参数如键合压力、超声功率、热台温度和超声时间等参数的匹配情况,对键合点质量起着重要的影响作用。本文是通过单因素试验方法分析球焊工艺各主要控制因素对于键合强度拉力测试值的影响,并结合具体产品,通过采用正交试验方法,对该产品金丝球焊工艺开展参数验证和优化试验研究,以提高产品金丝球焊破坏性键合强度拉力试验水平。 1试验设备与方法 1.1试验设备 试验设备采用WEST BOND 7700D深腔球焊机和MFM1200推拉力测试仪,分别如图1和图2所示。 1.2试验方法 试验采用与某型产品相同技术状态的材料,选取金丝球焊工艺主要参数:超声功率、时间、压力和温度作为研究试验的控制对象,通过改变单因素变量的方法进行研究试验。根据标准GJB 548C—2021《微电子器件试验方法和程序》中方法2011.1键合强度(破环性键合拉力试验)25μm的金丝拉力测试方法进行测试,分析不同因素对于键合强度的影响规律。 设计正交试验,通过对各组参数破坏性键合强度拉力测试进行对比分析,验证产品金丝球焊工艺参数窗口的合理性,并确定较优的工艺参数组合。 2单因素试验 2.1超声功率对破坏性键合拉力测试值的影响 试验时保持超声时间30ms、键合压力40gf、热台温度150℃不变,超声功率步进值由100增加至999,对破坏性键合拉力测试值进行单因素变量研究。每组参数取5根金丝测试破坏性键合拉力值的均值,所得见表1,对应的折线图如图3所示。 通过上述试验过程及数据分析可知:当超声功率步进值小于200时,会出现键合不良或键合点脱键的情况;当超声功率参数设置在200~500步进值范围内,键合强度拉力测试值均大于12gf,观察所形成的键合点形貌规则;当超声功率参数进一步增加时,键合强度拉力测试值有减小的趋势,键合点根部受损迹象逐渐变大。 2.2超声时间对破坏性键合拉力测试值的影响 试验时保持超声功率步进值300、键合压力40gf、热台温度150℃不变,超声时间由10ms增加至300ms,对破坏性键合拉力测试值进行单因素变量研究。每组参数取5根金丝测试破坏性键合拉力值的均值,所得见表2,对应的折线图如图4所示。 通过上述试验过程及数据分析可知:在超声时间参数设置小于10ms的情况下,会出现不能键合或键合点容易脱键的现象;当超声时间参数设置在30~70ms范围内时,键合强度拉力测试值相对稳定,观察键合点形貌规则;当超声时间进一步增大时,拉力测试值有减小的趋势,而且试验过程中发现随着超声时间的增加,对于手动型球焊设备和操作员之间的指令与动作的协调性,以及操作者手部动作稳定性要求更高,两者之间的匹配度直接影响球焊键合点的形状和拉力测试结果。 2.3键合压力对破坏性键合拉力测试值的影响 试验时保持超声功率步进值300、超声时间30ms、热台温度150℃不变,键合压力由10gf增加至65gf,对破坏性键合拉力测试值进行单因素变量研究。每组参数取5根金丝测试破坏性键合拉力值的均值,所得见表3,对应的折线图如图5所示。 通过上述试验过程及数据分析可知:当键合压力小于10gf时,会出现键合不上或键合点容易出现脱键的情况;当键合压力在20~40gf范围内时,键合点形貌和拉力测试值均满足要求;当键合压力进一步增大时,拉力测试值有减小的趋势,且键合点变形较大,有根部受损迹象逐步增大的现象。 2.4热台温度对破坏性键合拉力测试值的影响 试验时保持超声功率步进值300、超声时间30ms、键合压力40gf不变,热台温度由常温20℃增加至150℃,对破坏性键合拉力测试值进行单因素变量研究。每组参数取5根金丝测试破坏性键合拉力值的均值,所得见表4,对应的折线图如图6所示。 通过上述试验过程及数据分析可知:当热台温度小于80℃时,破坏性键合拉力值相对较小,热台温度越高拉力测试值越大,服从材料温度越高越利于材料分子间扩散结合的一般规律。在实际生产中,应视所采用基板材料的Tg玻璃化温度等综合情况而定。 3正交试验 试验选取超声功率、超声时间、键合压力和热台温度4个因素,每个因素在被验证产品规定的工艺参数要求范围内选取3个参数。因素A为超声功率,设置参数选择为A1=300、A2=350、A3=400;因素B为超声时间,参数设置选择为B1=30ms、B2=40ms、B3=50ms;因素C为键合压力,参数设置选择为C1=20gf、C2=30gf、C3=40gf;因素D为热台温度,参数设置选择为D1=120℃、D2=135℃、D3=150℃。 3.1选择正交表 本试验设计3种参数的4种因素试验,采用L9(34)正交表,试验过程需进行9次试验(见表5)。 3.2试验数据收集 试验样本采用与该产品技术状态相同的材料、操作人员和设备完成金丝键合过程,然后按照标准GJB 548C—2021《微电子器件试验方法和程序》中方法2011.1键合强度(破环性键合拉力试验)25μm的金丝拉力测试方法进行测试,25μm金丝最小键合强度为3.0gf。每组试验参数取10次试验结果的平均值,对试验情况进行极差分析,计算结果见表6。 4工艺参数改进及验证 从表6试验数据分析可知,该产品金丝球焊工艺参数窗口内各组参数条件下,破坏性键合拉力试验测试值均满足标准要求的最小键合强度3.0gf的要求;因素C和因素A对破坏性键合拉力测试值结果影响较大,因素D次之,因素B的影响相对最小;在破坏性键合拉力值最优化方面,要取得拉力测试值最大的效果,其较优搭配的参数组合为C1、A1、D3、B2。 采用C1、A1、D3、B2参数组合,即超声压力为20gf、超声功率步进值为300、热台温度为150℃、超声时间为40ms的组合进行验证,测试100根金丝拉力测试值,均值可达12.836gf,且拉力测试值分布相对均匀,破坏性拉力测试过程中失效模式基本一致。 5结语 针对高性能环氧树脂板上25μm的手动金丝球焊,为分析不同因素对于键合强度的影响规律,设计正交试验,通过对比分析可以得出如下结论。 1)超声功率步进值小于200时,将出现键合不良或键合点容易脱键的现象;在200~400步进值范围内,键合强度较好;进一步增加超声功率步进值时,键合强度测试值有减小的趋势;当超声功率过大时,会出现键合点根部受损严重的现象。 2)在超声时间参数设置小于10ms的情况下,会出现键合不上或容易出现脱键的现象;在30~70ms范围内,键合强度拉力测试值相对稳定,键合点形貌规则;当超声时间参数进一步增大时,键合强度拉力测试值变化趋于平缓状态,但采用手动型设备时,随着超声时间的延长,对球焊设备和操作员的协调配合性及动作稳定性要求更高,更容易增加人为不稳定因素的影响。 3)在键合压力参数设置小于10gf的情况下,会出现键合不上或容易出现脱键的现象;键合压力设置在20~40gf范围内,键合强度拉力测试值相对稳定,键合点形貌规则;当键合压力参数进一步加大时,键合强度拉力测试值有减小的趋势,且球焊点变形逐步增大,根部受损迹象呈增长的趋势。 4)当热台温度小于80℃时,破坏性键合拉力值相对较小,热台温度越高拉力测试值越大,服从材料温度越高越利于材料分子间扩散结合的一般规律。在实际生产中,应视所采用基板材料的Tg玻璃化温度等综合情况而定。 5)通过正交试验分析得出,产品金丝球焊的优选参数组合(超声压力为20gf、超声功率步进值为300、热台温度为150℃、超声时间为40ms),其键合点形貌好,破坏性键合强度拉力测试值大且相对稳定,满足产品研制生产要求。 6)采用手动型键合设备,键合过程会受到一定的人为因素影响,操作人员的技能状态、疲劳程度等波动情况都会直接影响到最终的键合点质量,在产品研制生产工作中需要根据情况,综合分析各种因素,如原材料、劈刀及前道工序工艺状态等都会对键合质量造成影响[2]。因此,应采用科学的试验和过程控制方法,选取相对优化的工艺参数组合,从而提高金丝球焊工艺键合点的可靠性和一致性。 来源:半导体封装工程师之家 声明:本文由半导体材料与工艺转载,仅为了传达一种观点,并不代表对该观点的赞同或支持,若有侵权请联系小编,我们将及时处理,谢谢。
市值决定价值,未上市的不在讨论范围之内。半导体行业是一个蓬勃发展的行业,知名公司竞相满足不断增长的需求。本文列出了世界上25家最有价值的半导体公司。为了列出这份名单,我们查看了多个来源,包括行业报告和多个类似的排名。对于上市公司,我们在雅虎财经上检查了截至 2024 年 2 月 15 日的每家公司的市值,非美国公司的市值根据当地汇率转换为美元。为了量化私营公司的“价值”或“规模”,我们根据数据的可用性,选择了估值,或最近一个财年的收入,或员工人数。估值来自主要媒体的报道,基于私营公司的最新一轮融资。年收入或员工人数来自公司的官方声明和公司网站,没有私营公司进入我们的榜单。截至 2 月 15 日,我们按市值升序对全球最有价值的半导体公司进行了排名。25. Cirrus Logic Inc.截至2月15日市值:48.9亿美元Cirrus Logic是一家无晶圆厂半导体公司。Cirrus Logic专注于低功耗、高精度混合信号处理解决方案。该公司还开发了一系列音频产品,包括编解码器组件、智能编解码器和升压放大器。24. Allegro MicroSystems Inc截至 2 月 15 日的市值:60.3 亿美元Allegro MicroSystems是一家专门从事传感器集成电路开发和制造的公司,成立于 2013 年 3月30日,总部位于曼彻斯特。23. Rambus Inc截至2月15日市值:61.3亿美元Rambus是一家半导体公司,生产行业领先的芯片和硅IP。该公司成立于1990年,总部位于圣何塞。22. MACOM Technology Solutions Holdings Inc截至 2 月 15 日的市值:61.9 亿美元MACOM设计、开发和制造半导体和模块,专注于服务于数据中心和电信,成立于2009年3月25日,总部位于洛厄尔。21. 莱迪思半导体截至 2 月 15 日市值:105.3 亿美元莱迪思半导体公司是一家设计、开发和销售可编程逻辑产品及相关软件的公司。该公司成立于1983年,总部位于希尔斯伯勒。20. Qorvo Inc截至2月15日市值:109.7亿美元Qorvo是一家提供射频和功率半导体解决方案的半导体公司。 19. Skyworks Solutions Inc截至2月15日市值:169.6亿美元Skyworks是一家设计、开发和制造专有半导体产品的半导体公司,成立于1962年,总部位于尔湾。18. 联合微电子公司(联电,UMC)截至2月15日市值:198.3亿美元联电是世界上最有价值的晶圆代工厂之一。该公司总部位于新竹,成立于1980年。17. Globalfoundries Inc截至2月15日市值:304.1亿美元GlobalFoundries是一家跨国晶圆代工厂。16. 安森美半导体公司截至2月15日市值:349亿美元安森美半导体公司总部位于亚利桑那州斯科茨代尔,成立于1999年,该公司为各种应用提供电源和信号管理、逻辑、分立和定制设备。15. Monolithic Power Systems Inc截至2月15日市值:357.9亿美元Monolithic Power Systems是一家制造和设计基于半导体的电力电子解决方案的全球性公司,总部位于华盛顿州柯克兰。14. 意法半导体(STMicroelectronics NV)截至2月15日市值:405.7亿美元意法半导体公司总部位于瑞士Plan-Les-Ouates,提供各种半导体产品,包括硅芯片和智能卡。13. Microchip Technology Inc截至2月15日市值:435.4亿美元Microchip是一家美国半导体公司,生产包括IC在内的各种产品,成立于1989年,总部位于亚利桑那州钱德勒。12. Marvell Technology Inc截至2月15日市值:596.2亿美元Marvell提供包括 5G 网络和汽车创新在内的各种技术所需的基本技术。11. 恩智浦半导体公司截至2月15日市值:603.1亿美元恩智浦是一家荷兰半导体公司,设计和制造半导体,包括集成电路、功率模块和开关,总部位于荷兰埃因霍温。10. 美光科技公司截至2月15日市值:903.3亿美元美光设计和制造包括动态随机存取存储器芯片 (DRAM),成立于 1978 年 10 月 5 日,总部位于爱达荷州博伊西。9. ADI公司截至2月15日市值:923.9亿美元ADI是一家美国跨国半导体公司,总部位于马萨诸塞州威尔明顿。该公司专门从事数据转换、信号处理和电源管理技术。8. Arm Holdings截至2月15日市值:1299.5亿美元Arm是一家英国半导体和软件公司,设计中央处理器(CPU)内核。7. 德州仪器公司截至2月15日市值:1435.5亿美元德州仪器是一家美国科技公司,总部位于德克萨斯州达拉斯。它设计和制造模拟芯片和嵌入式处理器。6. 高通公司截至2月15日市值:1718亿美元高通是一家美国跨国公司,总部位于加利福尼亚州圣地亚哥。该公司创建与无线技术相关的半导体、软件和服务。5. 英特尔公司截至 2 月 15 日的市值:1868.4 亿美元英特尔是一家设计、开发、制造和销售一系列半导体产品的全球性公司。4. AMD截至2月15日市值:2887.4亿美元AMD是一家美国公司,总部位于加利福尼亚州圣克拉拉。该公司开发了一系列产品,包括微处理器、主板芯片组、嵌入式处理器和图形处理器。3. 博通公司(Broadcom)截至2月15日市值:5909亿美元Broadcom是一家设计、开发和供应半导体的全球技术公司。2. 台积电截至2月15日市值:6704.5亿美元台积电总部位于新竹,是全球最大的晶圆代工厂。1. 英伟达(NVIDIA)公司截至2月15日的市值:1.83 万亿美元NVIDIA成立于 1993年4月5日,总部位于加利福尼亚州圣克拉拉,是图形处理单元 (GPU)设计的领先企业。 来源:半导体产业纵横 声明:本文由半导体材料与工艺转载,仅为了传达一种观点,并不代表对该观点的赞同或支持,若有侵权请联系小编,我们将及时处理,谢谢。
共读好书 田苗,刘民,林子涵,付学成,程秀兰,吴林晟 (上海交通大学 a.电子信息与电气工程学院先进电子材料与器件平台;b.射频异质异构集成全国重点实验室) 摘要: 以硅通孔(TSV)为核心的 2.5D/3D 封装技术可以实现芯片之间的高速、低功耗和高带宽的信号传输。常见的垂直 TSV 的制造工艺复杂,容易造成填充缺陷。锥形 TSV 的侧壁倾斜,开口较大,有利于膜层沉积和铜电镀填充,可降低工艺难度和提高填充质量。在相对易于实现的刻蚀条件下制备了锥形 TSV,并通过增加第二步刻蚀来改善锥形 TSV 形貌。成功制备了直径为 10~40 μm、孔口为喇叭形的锥形 TSV。通过溅射膜层和铜电镀填充,成功实现了直径为 15 μm、深度为 60 μm 的锥形 TSV 的连续膜层沉积和完全填充,验证了两步刻蚀工艺的可行性和锥形 TSV 在提高膜层质量和填充效果方面的优势。为未来高密度封装领域提供了一种新的 TSV 制备工艺,在降低成本的同时提高了 2.5D/3D 封装技术的性能。 0 引言 微电子技术的飞速发展促进了现代集成电路在高性能、低成本和低功耗方面的突破。然而,微电子封装技术的发展相对滞后,逐渐成为制约半导体技术进一步提升的主要瓶颈。以硅通孔(TSV)为核心的2.5D/3D 封装技术是一种新型的高密度封装技术,通过在硅基底上形成垂直方向的通孔,并用金属材料填充,实现了芯片之间的立体互联,被认为是未来高密度封装领域的主导技术。TSV 封装技术具有显著的优势,如缩减了芯片尺寸、提高了集成度、降低了信号传输延时和功耗、提升了数据传输速率和带宽等。 常规的 TSV 是采用基于等离子刻蚀、循环交替刻蚀/钝化过程的博世(BOSCH)工艺来刻蚀制备的,所得通孔侧边垂直度接近 90°。该垂直圆柱形通孔有利于提升通孔的数量和密度。但是 BOSCH 工艺的循环刻蚀过程会造成侧壁呈扇贝状,导致后续沉积的膜层厚度不均匀。此外,垂直侧壁也增加了后续电介质绝缘层、阻挡层和铜种子层的沉积难度,难以实现良好的阶梯覆盖。膜层沉积时往往只能在 TSV 开口处形成较厚的膜层,而在 TSV 较深处的侧壁和底部很难进行沉积。这种厚度差异会影响 TSV 的电镀填充效果,导致孔口过度填充,孔底出现空缺 [1] 。同时,由于电镀液中的 Cu 2+ 在 TSV 开口处补充的速率远高于 TSV孔深处补充的速率,从而加剧了孔口和孔底部的沉积速率的不一致,进一步导致了填充缺陷的产生。 为了解决这些问题,可以采用锥形TSV的结构。锥形TSV消除了侧壁上的扇贝状结构,并且具有倾斜的侧壁,可以显著提高绝缘层、阻挡层和铜种子层的均匀性和阶梯覆盖性能 [2] 。电镀过程中,其较大的开口也有利于电镀液中的Cu 2+ 在孔深处的快速补充,从而提高孔内部的电镀填充效率。因此,通过同时改善膜层质量和离子通道,锥形TSV可以改进TSV的填充效果和性能。 研究表明,锥形TSV还具有可靠性和传输性能方面的优势。对不同几何形状TSV(包括纺锤形、锥形、椭圆形、三角形、四角形和圆柱形)的可靠性影响的研究表明,与其他TSV形状相比,锥形TSV能更有效地均匀释放垂直方向的热应力。这意味着TSV底部的应力集中程度较低,从而降低了晶圆之间外部接触区域发生故障的可能性,提高了TSV封装的机械可靠性 [3] 。另外,对圆柱形和具有不同锥形角度的锥形TSV的功率损耗进行比较研究,发现锥形TSV由于表面积和寄生参数较小,具有更好的功率性能,能够降低功率反射损耗,提高功率传输效率 [4] 。 目前有两种方法可以制备锥形TSV,一种是改良的BOSCH工艺,一种是SF 6 /O 2 低温反应离子刻蚀(RIE)法。改良的 BOSCH 工艺是在传统的 BOSCH 工艺的基础上,通过调整脉冲时间,增加刻蚀脉冲时间,减少钝化时间,从而形成锥形 TSV [5] 。然而,这种方法只能获得有限的锥形角度(85°~90°),不能满足大多数应用的需求。为了改善锥形 TSV 的开口度,有些研究在 BOSCH 工艺后再进行一次各向异性刻蚀,使孔口呈喇叭状 [6-7] 。该工艺改善了孔口位置的膜层连续性,但对孔底,尤其是孔底拐角处的膜层改善还有待提高。 另一种方法是 SF 6 /O 2 低温 RIE 法,此方法中 SF 6 分解得到的 F*自由基各向同性地刻蚀硅,O 2 的加入将F自由基与Si发生反应生成物SiF x 氧化成SiO x F y ,SiO x F y 附着在刻蚀槽的侧壁上,在侧壁上形成保护层,从而增加刻蚀的方向性 [8] 。低温可以增加对氧化硅掩膜的刻蚀选择比,降低反应产物 SiF 4 的挥发性,从而增强钝化效果,增加各向异性 [9] 。SF 6 /O 2 低温 RIE 法可以实现小于 85°且可控的倾斜角并得到较大的深宽比,扩大了 TSV 工艺整合的可能性 [10] 。但是,SF 6 /O 2 低温 RIE 法也存在一些缺点,如在掩膜与晶圆交界处容易形成侧掏尖角,导致在该处沉积的介质和金属薄膜断裂,增加了 TSV 通孔填充的难度和漏电的风险[11] 。另外,低温 RIE 通常要求极低的温度(-40~ -100 ℃),使得大部分刻蚀机难以实现 [10] 。 因此,改良的 BOSCH 工艺和低温 RIE 法都有一定的局限性,不能适应大多数应用场景。为了解决这个问题,本文提出了一种在非低温条件下制备锥形 TSV 的两步刻蚀法,并研究了如何控制和改善锥形角度和锥形 TSV 形貌。同时,通过研究锥形 TSV 中的膜层厚度和电镀填充深度验证了所得到的锥形 TSV 在膜层沉积和电镀填充过程中的优势。 1 锥形 TSV 的两步刻蚀 1.1 锥形 TSV 的两步刻蚀法 锥形 TSV 的等离子体各向异性刻蚀是在 F * 自由基刻蚀和氧气钝化之间找到一个平衡,使得侧壁有节制地被刻蚀,且其刻蚀速率明显小于孔底的刻蚀速率。锥形深孔的刻蚀是在 SPTS 反应离子刻蚀机中进行的。在这个刻蚀过程中,温度、电感耦合等离子体(ICP)功率、腔室压力、射频(RF)偏压、气体体积流量、SF 6 与 O 2 的体积流速比均会影响刻蚀结果,如刻蚀速率、选择性、通孔轮廓、侧壁倾斜程度、侧掏。 ICP 功率和 RF 偏压是影响刻蚀速率的主要因素。ICP 功率越高,等离子体的密度越大,离子通量越大,刻蚀速率越高。RF 偏压越高,轰击晶圆的离子能量越大,刻蚀速率和陡直度越高。 腔室压力会影响反应离子的平均自由程,进而影响到各向异性。腔室压力的减小会产生较高的各向异性,增加刻蚀垂直度。而腔室压力增加,离子浓度增加,反应离子的平均自由程减小,离子偏转严重,会导致侧掏现象。侧掏会在掩膜下方形成侧掏尖角(或下切),形成如图 1(a)所示的孔形。 F 与 O 原子数比是影响侧壁倾斜度(即锥形角度)的主要因素 [12] 。这是由于 F 原子和 O 原子在表面的竞争吸附,O 原子的吸附导致钝化,而 F 原子的吸附导致硅刻蚀。F 与 O 原子数比增加,表面吸附的 O原子的侧壁钝化跟不上 F 原子的吸附导致的刻蚀,从而导致负锥度,孔形下大上小,同时侧掏现象严重。当 F 与 O 原子数比减小,O 原子的竞争吸附减少了 F 原子的吸附刻蚀,钝化效果增强,形成正锥形深孔。 温度对各向异性和侧掏均有影响。温度降低,可降低反应产物 SiF 4 的挥发性,生成钝化层,增强钝化效果。在孔底,由于等离子体产生的离子轰击使钝化层脱离,进行所谓的溅射刻蚀。而侧壁由于受到较少的离子轰击,其上的钝化层得到部分保留。这样,温度降低,各向异性提高,侧掏减少。研究表明,将基底温度设置为约 -100 ℃,可以将各向异性刻蚀减至最低程度 [13] 。 但是,这样的极低温对于大多数刻蚀机来说是很难实现的。为了找到更易于实现的技术方法,此处将温度控制为 5 ℃。经过调整,第一步刻蚀参数设置为:温度为 5 ℃,腔室压力为 25 mTorr (1 Torr≈133 Pa),ICP 功率为 800 W,射频(RF)功率为 50 W,SF 6 和 O 2 体积流量均为 40 cm 3 /min,刻蚀时间为 20 min。 图 1(b)为第一步刻蚀后带有侧掏尖角的锥形 TSV 截面的光学显微镜图。经过 20 min 刻蚀,孔径为 20 μm的孔深度达到了 67 μm。侧壁的倾斜角度,即锥形 TSV 的锥形角度为 86°。虽然第一步刻蚀形成了锥形,孔内直径最大处达到了 30 μm,但是由于侧掏尖角的存在,开口处孔径依然较小,为 23 μm。 为了消除侧掏尖角,改善孔的形状,在去除掩膜层后进行第二步各向同性刻蚀。刻蚀参数设置为:温度为25 ℃,腔室压力为35 mTorr,ICP功率为800 W,SF 6 、Ar和C 4 F 8 体积流量分别为80、40和10 cm 3 /min,刻蚀时间为 2 min。第二步刻蚀中只使用了有刻蚀作用的 SF 6 ,而不用有钝化作用的 O 2 。同时,Ar 和 C 4 F 8的加入可以降低刻蚀速度,避免由于刻蚀速率过快导致的表面粗糙。图 1(c)为第二步各向同性刻蚀去除侧掏尖角的示意图。图 1 (d)为经过 2 min 各向同性刻蚀后所得到的 TSV 截面的光学显微镜图。明显可以看到侧掏尖角已被去除。同时,孔底直径几乎没有变化,但是孔上部扩大,锥形角度增加,形成喇叭状。这一形貌更有利于膜层的连续沉积和无孔隙的电镀填充。 1.2 不同孔径的刻蚀 图 2 为经过相同刻蚀过程(20 min 的第一步刻蚀和 2 min 的第二步刻蚀)后不同设计直径(即掩膜开口孔径)的深孔的截面图。可以明显看到孔深随着孔径的增大而增大,而锥形程度却减小了。 图 3(a)测量了孔深和孔底直径、孔口直径,并与设计直径进行了比较。结果显示,在相同的刻蚀条件下,大孔径的孔深度较大,孔底直径更容易比设计直径偏大。这是因为在相同的刻蚀条件下,刻蚀气体更容易进入大尺寸孔内,因此对于孔底及侧壁的刻蚀会更快。相反,对于小尺寸的孔径,刻蚀气体难以进入,因此刻蚀速率相对较慢。这与深硅刻蚀中与深宽比相关的负载效应(ARDE)相一致。 图 3(a)中可以看到,孔口直径均比孔底直径大 14~19 μm,印证了孔的锥形形貌。通过孔口直径(a),孔底直径(b)和孔深(d),计算得到孔壁的锥形角度(θ),即 图 3 (b)中黑色的点线为通过孔深、孔口和孔底直径计算得到的锥形角度。但是通过图 2 可以观察到孔侧壁并不是直线,孔上部普遍孔壁更倾斜,锥形角度更小。因此选择测量孔的上 1/3 和下 1/3 分别作为孔口和孔底的锥形角度。图 3 (b)中红色和蓝色线分别画出了孔口和孔底的锥形角度。可以看到,不同孔径的孔底锥形角度比较相似,在 86.6°~88.9°之间。而孔口的锥形角度则比孔底小,在 68°~79°之间,并且在 10~30μm 孔径范围内随着孔径的增大而增大,即倾斜度降低。这说明大孔径的喇叭口倾斜程度更小,而小孔径的喇叭口倾斜程度更大,这一现象也可以在图 2 中直观地看出。这是因为,在相同的第二步各向同性刻蚀工艺下,样品表面部分刻蚀速率是相同的。无论是大孔径图形还是小孔径图形,在孔口处的侧向刻蚀速率是相同的。因此,对于小尺寸的孔径来说,相同时间的刻蚀会导致其孔口直径增加的比例更大,这也就意味着孔口处会更加倾斜。而当孔径继续增大,这一影响逐渐减小,导致孔径 30μm 以上的孔口锥形角度变化不大。 2 膜层沉积 刻蚀后的硅深孔内需要依次沉积绝缘层、阻挡层和种子层:绝缘层用来电隔离硅基底和填充的导电材料,通常选用二氧化硅;阻挡层用来防止铜原子穿透二氧化硅绝缘层而导致的封装器件产品性能下降甚至失效,一般使用化学稳定性较高的金属材料及其化合物,如 Ta、Ti、TaN 等;种子层在后续的电镀填充中提供导电,一般使用 Cu。两步刻蚀得到的喇叭状的孔口角度较平滑,有利于膜层在孔口的连续分布。上大下小的锥形 TSV 也使得孔口的遮蔽效应减小,有利于孔底部的膜层沉积。 本文使用的绝缘层、阻挡层和种子层分别为 2 μm SiO 2 、50 nm Ta 和 800 nm Cu。在 Oxford 电感耦合等离子体化学气相沉积(PECVD)设备中沉积SiO 2 绝缘层, 沉积条件为:ICP功率为1 000 W,温度为200 ℃,腔室压力 12 mTorr,SiH 4 、Ar 和 N 2 O 体积流量分别为 14、60 和 70 cm 3 /min,沉积时间为 195 min。在 Denton多靶磁控溅射镀膜系统中溅射了阻挡层和种子层。阻挡层 Ta 的溅射条件为:溅射直流功率为 200 W,Ar体积流量为 40 cm 3 /min,时间为 150 s。种子层 Cu 的溅射条件为:溅射直流功率为 200 W,Ar 体积流量为40 cm 3 /min,时间为 1 200 s。 图 4 对比了一步刻蚀和两步刻蚀后得到的 20 μm 直径,65 μm 深度孔的孔口处和孔底拐角处(一般为膜层最薄处)的膜层沉积情况。由于扫描电子显微镜(SEM)的成像原理和精度限制,Ta 和 Cu 层无法区分,在图像上表现为一层(Ta/Cu 层)。为了研磨得到可观察的截面,使用树脂填充了孔内空间,树脂在SEM 图中表现为不导电导致的高亮区域。可以在图 4 (a)和图 4 (b)中看到,ICP-化学气相沉积(CVD)沉积 SiO 2 的过程中会在孔口的侧掏尖角位置沉积更多的 SiO 2 ,使尖角更加突出,这会进一步恶化后续种子层的沉积环境。在图 4 (b)中,虽然同样孔口位置绝缘层沉积比较多,但是喇叭状开口可以部分弥补其导致的孔形变化。从图 4 (c)和图 4 (d)种可以看到,孔底拐角处的膜层厚度比孔口小了很多,而有侧掏尖角的图4(c)中膜层已经观察不到连续的膜层。 为了进一步确认孔底金属的分布情况,对孔底部拐角处和孔口位置进行了能量色散 X 射线光谱(EDX)分析。表 1 列出了孔口位置和孔底拐角处 O、Si、Ta 和 Cu 的质量分数(w O 、w Si 、w Ta 和 w Cu )。EDX 测试中电子束的穿透深度为 1~2 μm。因此,在孔口,当金属膜层较厚时,EDX 主要收集到金属膜层的信号。在孔底,当金属膜层较薄时,EDX 穿过金属膜层,更多地收集到了绝缘层和基底的材料信息。从表 1 中可以看到,在孔口,金属 Ta 和金属 Cu 的质量分数分别为 6.01%和 59.18%,这说明有充足量的阻挡层和种子层。而在一步刻蚀后的有侧掏尖角的孔底拐角处,金属 Ta 的质量分数为 11.22%。说明阻挡层的沉积受侧掏尖角影响不大,能够覆盖到孔底。而 O 元素和金属 Cu 的质量分数下降到了 2.83%和 0.15%。说明绝缘层和种子层的量不足。第二步刻蚀去除侧掏尖角后,O 元素和 Cu 的质量分数上升至 3.15%和 1.07%。可见,两步刻蚀去除侧掏尖角对孔底绝缘层和种子层的改善有明显作用。 在电镀填充过程中,种子层是金属沉积的起始点,其厚度和连续性对电镀填充的质量具有重要影响。如果种子层过薄或不连续,金属无法在孔底沉积,就会导致孔底缺陷,如空洞、针孔、短路等[14] 。要确定膜层对填充的真实影响,还需要通过电镀填充结果来确定。 3 电镀填充 以高纯铜片作为阳极,带有 TSV 的溅射了种子层的晶圆作为阴极进行电镀填充。电镀液采用新阳SYS2520 甲基磺酸体系电镀液,并加入针对深孔电镀的 UPT3360 系列添加剂。首先,采用 10 mA/cm 2 的电流密度进行预电镀,以在深孔内壁形成一层均匀的铜层。接着,将电流密度提高到 40 mA/cm 2 ,进行正式填充电镀。不同直径的 TSV 需要不同的电镀时间才能达到完全填充。如,10 μm 和 30 μm 直径的 TSV分别需要 6 h 和 10 h 的填充时间。 图 5 为直径 15 μm 的孔,在不同的孔形下,经过相同的膜层溅射和电镀填充步骤后的截面图。图 5 (a)为一个通过 BOSCH 工艺刻蚀的直径为 15 μm、深度为 100 μm 的垂直 TSV 的电镀填充效果。填充深度大约为 30 μm。由于种子层未能完全覆盖,孔深处大部分没有得到填充。在图 5 (b)中,一步锥形刻蚀后形成的锥形深孔的填充深度增加到了 40 μm。然而,由于侧掏尖角的存在,孔的填充深度增加有限,因此孔仍然没有完全填满。在图 5 (c)中,第二步各向同性刻蚀将侧掏尖角完全消除,电镀填充深度进一步增加,使得深度为 60 μm 的孔得以完全填充。由此可见,锥形 TSV 的形成和侧掏尖角的消除有助于增加 TSV 的填充深度。这是由于扩大了的孔口提高了种子层在深孔侧壁,尤其是孔底区域的覆盖率,从而改善了电镀过程中孔内的导电情况;另外,较大的孔口也让镀液中的铜离子更容易扩散到孔内并发生还原反应。 图 5 (d)和(e)分别放大了图 5 (b)和 (c)中侧壁上的近似位置。由于阻挡层和种子层已经和填充的铜合为一层,很难观察到阻挡层和种子层的具体情况。但是,在图 5 (d)中可以观察到带有侧掏尖角的深孔中绝缘层出现了断裂。鉴于阻挡层和种子层在绝缘层的上层,可以推断它们也出现了断裂情况。绝缘层的断裂可能导致该区域出现电流泄漏和信号丢失。阻挡层的断裂会导致铜向硅基底的扩散。种子层的断裂会影响填充效果。在断裂位置附近出现了填充空缺与这一推断吻合。在图 5 (e)中侧掏尖角被消除后,绝缘层保持了连续性。虽然不能直接观察到阻挡层和种子层的连续分布,但阻挡层的 EDX 数据和孔的完全填充现象证明了阻挡层和种子层的完全连续覆盖。 4 结论 本文提出了一种用于制备锥形 TSV 的两步刻蚀工艺。该工艺首先采用 RIE 在相对常温下形成锥形TSV,然后进行各向同性刻蚀以消除侧掏尖角并优化锥形轮廓。通过这种工艺,可以在直径 10~40 μm 的孔中实现底部锥形角度约为 87°,顶部锥形角度为 68°~79° 的喇叭状锥形 TSV。本文还验证了锥形侧壁对薄膜连续性和 TSV 填充质量的影响,并在孔径 15 μm,孔深 60 μm 的 TSV 中实现了连续膜层分布和完全填充。证明了锥形 TSV 和侧掏尖角的去除有助于实现完整的薄膜覆盖,从而改善了 TSV 的隔离、阻挡和填充效果。通过两步刻蚀工艺,降低了 TSV 制备的工艺难度和工艺成本,提高了填充质量和工艺稳定性。这将在高密度、高质量封装中有巨大的应用潜力,对半导体产业链和科研领域都具有重要意义。
共读好书 闫文勃 王玉珩 李成龙 (山西科泰航天防务技术股份有限公司) 摘要: 通过采用单因素试验方法,研究了金丝球焊键合过程中超声功率、超声时间、超声压力和加热台温度对于键合强度的影响,分析了各个参数对金丝键合强度的影响规律,给出了手动球焊控制参数的参考范围。通过采用正交试验,验证产品键合工艺参数,优化了键合参数组合,并进行了试验验证,对金丝键合工艺具有一定的指导意义。 金丝球焊工艺是目前元器件封装过程中的主要键合工艺之一,其基本过程是通过加热台对工件加热到一定的温度,将金丝在打火杆的瞬间高电压作用下产生大电流,使金丝端头部熔化,并在尾部形成金球,随后超声波换能器通过劈刀对金球施加相应的键合压力、超声功率、超声作用时间等控制条件,从而实现金丝连接各元件的方法。目前有90%左右的电子器件采用球焊工艺,球焊工艺是针对直流、数字电路键合的首选工艺[1]。金丝球焊连接点质量的优劣与各元件材料介质类型、表面处理情况等材料本身状态有关系,而键合过程中的工艺参数如键合压力、超声功率、热台温度和超声时间等参数的匹配情况,对键合点质量起着重要的影响作用。本文是通过单因素试验方法分析球焊工艺各主要控制因素对于键合强度拉力测试值的影响,并结合具体产品,通过采用正交试验方法,对该产品金丝球焊工艺开展参数验证和优化试验研究,以提高产品金丝球焊破坏性键合强度拉力试验水平。 1试验设备与方法 1.1试验设备 试验设备采用WEST BOND 7700D深腔球焊机和MFM1200推拉力测试仪,分别如图1和图2所示。 1.2试验方法 试验采用与某型产品相同技术状态的材料,选取金丝球焊工艺主要参数:超声功率、时间、压力和温度作为研究试验的控制对象,通过改变单因素变量的方法进行研究试验。根据标准GJB 548C—2021《微电子器件试验方法和程序》中方法2011.1键合强度(破环性键合拉力试验)25μm的金丝拉力测试方法进行测试,分析不同因素对于键合强度的影响规律。 设计正交试验,通过对各组参数破坏性键合强度拉力测试进行对比分析,验证产品金丝球焊工艺参数窗口的合理性,并确定较优的工艺参数组合。 2单因素试验 2.1超声功率对破坏性键合拉力测试值的影响 试验时保持超声时间30ms、键合压力40gf、热台温度150℃不变,超声功率步进值由100增加至999,对破坏性键合拉力测试值进行单因素变量研究。每组参数取5根金丝测试破坏性键合拉力值的均值,所得见表1,对应的折线图如图3所示。 通过上述试验过程及数据分析可知:当超声功率步进值小于200时,会出现键合不良或键合点脱键的情况;当超声功率参数设置在200~500步进值范围内,键合强度拉力测试值均大于12gf,观察所形成的键合点形貌规则;当超声功率参数进一步增加时,键合强度拉力测试值有减小的趋势,键合点根部受损迹象逐渐变大。 2.2超声时间对破坏性键合拉力测试值的影响 试验时保持超声功率步进值300、键合压力40gf、热台温度150℃不变,超声时间由10ms增加至300ms,对破坏性键合拉力测试值进行单因素变量研究。每组参数取5根金丝测试破坏性键合拉力值的均值,所得见表2,对应的折线图如图4所示。 通过上述试验过程及数据分析可知:在超声时间参数设置小于10ms的情况下,会出现不能键合或键合点容易脱键的现象;当超声时间参数设置在30~70ms范围内时,键合强度拉力测试值相对稳定,观察键合点形貌规则;当超声时间进一步增大时,拉力测试值有减小的趋势,而且试验过程中发现随着超声时间的增加,对于手动型球焊设备和操作员之间的指令与动作的协调性,以及操作者手部动作稳定性要求更高,两者之间的匹配度直接影响球焊键合点的形状和拉力测试结果。 2.3键合压力对破坏性键合拉力测试值的影响 试验时保持超声功率步进值300、超声时间30ms、热台温度150℃不变,键合压力由10gf增加至65gf,对破坏性键合拉力测试值进行单因素变量研究。每组参数取5根金丝测试破坏性键合拉力值的均值,所得见表3,对应的折线图如图5所示。 通过上述试验过程及数据分析可知:当键合压力小于10gf时,会出现键合不上或键合点容易出现脱键的情况;当键合压力在20~40gf范围内时,键合点形貌和拉力测试值均满足要求;当键合压力进一步增大时,拉力测试值有减小的趋势,且键合点变形较大,有根部受损迹象逐步增大的现象。 2.4热台温度对破坏性键合拉力测试值的影响 试验时保持超声功率步进值300、超声时间30ms、键合压力40gf不变,热台温度由常温20℃增加至150℃,对破坏性键合拉力测试值进行单因素变量研究。每组参数取5根金丝测试破坏性键合拉力值的均值,所得见表4,对应的折线图如图6所示。 通过上述试验过程及数据分析可知:当热台温度小于80℃时,破坏性键合拉力值相对较小,热台温度越高拉力测试值越大,服从材料温度越高越利于材料分子间扩散结合的一般规律。在实际生产中,应视所采用基板材料的Tg玻璃化温度等综合情况而定。 3正交试验 试验选取超声功率、超声时间、键合压力和热台温度4个因素,每个因素在被验证产品规定的工艺参数要求范围内选取3个参数。因素A为超声功率,设置参数选择为A1=300、A2=350、A3=400;因素B为超声时间,参数设置选择为B1=30ms、B2=40ms、B3=50ms;因素C为键合压力,参数设置选择为C1=20gf、C2=30gf、C3=40gf;因素D为热台温度,参数设置选择为D1=120℃、D2=135℃、D3=150℃。 3.1选择正交表 本试验设计3种参数的4种因素试验,采用L9(34)正交表,试验过程需进行9次试验(见表5)。 3.2试验数据收集 试验样本采用与该产品技术状态相同的材料、操作人员和设备完成金丝键合过程,然后按照标准GJB 548C—2021《微电子器件试验方法和程序》中方法2011.1键合强度(破环性键合拉力试验)25μm的金丝拉力测试方法进行测试,25μm金丝最小键合强度为3.0gf。每组试验参数取10次试验结果的平均值,对试验情况进行极差分析,计算结果见表6。 4工艺参数改进及验证 从表6试验数据分析可知,该产品金丝球焊工艺参数窗口内各组参数条件下,破坏性键合拉力试验测试值均满足标准要求的最小键合强度3.0gf的要求;因素C和因素A对破坏性键合拉力测试值结果影响较大,因素D次之,因素B的影响相对最小;在破坏性键合拉力值最优化方面,要取得拉力测试值最大的效果,其较优搭配的参数组合为C1、A1、D3、B2。 采用C1、A1、D3、B2参数组合,即超声压力为20gf、超声功率步进值为300、热台温度为150℃、超声时间为40ms的组合进行验证,测试100根金丝拉力测试值,均值可达12.836gf,且拉力测试值分布相对均匀,破坏性拉力测试过程中失效模式基本一致。 5结语 针对高性能环氧树脂板上25μm的手动金丝球焊,为分析不同因素对于键合强度的影响规律,设计正交试验,通过对比分析可以得出如下结论。 1)超声功率步进值小于200时,将出现键合不良或键合点容易脱键的现象;在200~400步进值范围内,键合强度较好;进一步增加超声功率步进值时,键合强度测试值有减小的趋势;当超声功率过大时,会出现键合点根部受损严重的现象。 2)在超声时间参数设置小于10ms的情况下,会出现键合不上或容易出现脱键的现象;在30~70ms范围内,键合强度拉力测试值相对稳定,键合点形貌规则;当超声时间参数进一步增大时,键合强度拉力测试值变化趋于平缓状态,但采用手动型设备时,随着超声时间的延长,对球焊设备和操作员的协调配合性及动作稳定性要求更高,更容易增加人为不稳定因素的影响。 3)在键合压力参数设置小于10gf的情况下,会出现键合不上或容易出现脱键的现象;键合压力设置在20~40gf范围内,键合强度拉力测试值相对稳定,键合点形貌规则;当键合压力参数进一步加大时,键合强度拉力测试值有减小的趋势,且球焊点变形逐步增大,根部受损迹象呈增长的趋势。 4)当热台温度小于80℃时,破坏性键合拉力值相对较小,热台温度越高拉力测试值越大,服从材料温度越高越利于材料分子间扩散结合的一般规律。在实际生产中,应视所采用基板材料的Tg玻璃化温度等综合情况而定。 5)通过正交试验分析得出,产品金丝球焊的优选参数组合(超声压力为20gf、超声功率步进值为300、热台温度为150℃、超声时间为40ms),其键合点形貌好,破坏性键合强度拉力测试值大且相对稳定,满足产品研制生产要求。 6)采用手动型键合设备,键合过程会受到一定的人为因素影响,操作人员的技能状态、疲劳程度等波动情况都会直接影响到最终的键合点质量,在产品研制生产工作中需要根据情况,综合分析各种因素,如原材料、劈刀及前道工序工艺状态等都会对键合质量造成影响[2]。因此,应采用科学的试验和过程控制方法,选取相对优化的工艺参数组合,从而提高金丝球焊工艺键合点的可靠性和一致性。
《半导体学报》于2020年首次启动“中国半导体十大研究进展”评选活动,旨在遴选、记录我国在半导体基础研究领域的年度标志性成果。经过四年的积累和沉淀,“十大评选”收获了半导体领域专家、学者的广泛瞩目和高度认可,同时也被赋予了更为深远的意义。 2023年,第四届“中国半导体十大研究进展”评选活动共有54项成果获得候选推荐资格。2024年1月底,由243位半导体领域专家组成的评选委员会经过严格评审,评选出10项优秀成果荣膺2023年度“中国半导体十大研究进展”;10项优秀成果荣获2023年度“中国半导体十大研究进展”提名奖。 热烈祝贺各位获奖者!衷心感谢专家评委及国内外专家学者的大力支持!2024年,《半导体学报》将接续奋斗、锐意进取,向着国际卓越的半导体领域旗帜性期刊的目标砥砺前行!祝愿中国半导体研究攻坚克难,谱写高质量发展的新篇章!祝愿大家新年愉快,皆得所愿! 2023年度“中国半导体十大研究进展” (点击成果名称即可查看详情;排名不分先后) 01 接近衬底级晶体质量的氮化物宽禁带半导体异质外延薄膜 北京大学沈波、许福军团队针对大失配异质外延导致氮化物宽禁带半导体高缺陷密度的难题,创新发展了一种基于纳米图形化AlN/蓝宝石模板的“可控离散和可控聚合”侧向外延方法,使蓝宝石衬底上AlN外延薄膜位错腐蚀坑密度大幅降低了两个量级,至~104 cm-2,实现了接近衬底级晶体质量的AlN外延薄膜,并应用于相关器件研制。 该成果发表于《自然·材料》杂志(Nature Materials, 2023, 22: 853–859)。 高质量AlN外延薄膜控制动力学及其应用。 02 超高集成度光学卷积处理芯片 中国科学院半导体研究所李明研究员-祝宁华院士团队借助空-时变换结合波分复用技术,采用多模干涉机理,成功研制了一款超高集成度光学卷积处理芯片,创造了目前光计算芯片最高算力密度记录,该芯片调控单元数量随矩阵规模呈线性增长,有效缓解了光计算芯片规模扩展的难题,为解决光计算芯片大规模集成探索了一个新的方向。 该成果发表于《自然·通信》杂志(Nature Communications, 2023, 14: 3000)。 超高集成度光学卷积处理芯片。 03 单原子层MoS2接触电阻接近量子极限王欣然(南京大学/苏州实验室)、施毅(南京大学)和王金兰(东南大学)教授带领的合作团队提出能带杂化增强欧姆接触新机理,利用半金属接触,成功将单原子层MoS2接触电阻降低至42 Ω·μm,首次低于化学键结合的硅基器件并接近理论量子极限,进而实现了单层二维半导体晶体管最高电流记录。 该成果发表于《自然》杂志(Nature, 2023, 613: 274–279),同时入选了ESI热点和高被引论文。 04 首例外延高κ栅介质集成型二维鳍式晶体管 北京大学彭海琳教授团队实现了世界首例二维半导体鳍片/高κ栅氧化物异质结阵列的外延生长及其三维架构的异质集成,并研制了高性能二维鳍式场效应晶体管(2D FinFET)。该原创性工作突破了后摩尔时代高速低功耗芯片的二维半导体/高κ栅介质精准合成与新架构三维异质集成瓶颈,为开发未来先进芯片技术带来新机遇。 该成果发表于《自然》杂志(Nature, 2023, 616: 66–72)。 首例外延高κ栅介质集成型二维鳍式晶体管(2D Bi2O2Se/Bi2SeO5 FinFET)。 05 超越硅极限的弹道二维晶体管 北京大学彭练矛院士、邱晨光研究员团队构筑了10纳米弹道二维硒化铟晶体管,创造性的开发了稀土元素钇掺杂诱导二维相变技术,首次推进二维晶体管实际性能超过业界先进节点硅基Fin晶体管和IRDS预测的硅极限,并且将二维晶体管的工作电压降到0.5 V,室温弹道率达83%,为国际上迄今速度最快能耗最低的二维半导体晶体管。 该成果发表于《自然》杂志(Nature, 2023, 616: 470–475)。 弹道二维硒化铟晶体管器件结构、性能优势和芯片展望。 06 柔性单晶硅太阳电池 中国科学院上海微系统与信息技术研究所刘正新、狄增峰团队针对传统单晶硅太阳电池易碎的缺陷,通过介观对称性结构设计,开发了边缘圆滑处理技术,在国际上率先发明了柔性单晶硅太阳电池技术,实现了力学韧性和抗震性的跨越式提升,制备的轻质柔性组件成功应用于临近空间飞行器,将极大地开辟单晶硅太阳电池新的应用领域。 该成果以杂志封面形式发表于《自然》杂志(Nature, 2023, 617: 717–723)。 工业尺寸柔性单晶硅太阳电池。 07 新型感存算一体光电探测器 中国科学院上海技术物理研究所红外科学与技术重点实验室胡伟达、苗金水研究团队在国际上首次提出了基于离子-电子耦合效应的感存算一体光电探测器,通过模拟人类视觉感知架构,实现了感知端光电信息处理功能,可解决红外感知分立架构产生的延迟和功耗问题,为大规模硬件集成感存算光电感知芯片及其目标识别应用奠定了基础。 该成果发表于《自然·纳米技术》杂志(Nature Nanotechnology, 2023, 18: 1303–1310)。 08 全球首款可片上学习的忆阻器存算一体芯片 清华大学钱鹤、吴华强研究团队在国际上首次实现了全系统集成、支持高效片上学习的忆阻器存算一体芯片,通过一种基于符号和阈值的权重更新算法及硬件架构,解决了传统CMOS电路与忆阻器适配性差的问题,并使芯片在增量学习任务中的功耗仅有传统硬件的1/35,为边缘端人工智能硬件平台提供了一种新的高能效解决方案。 该成果发表于《科学》杂志(Science, 2023, 381: 1205–1211)。 09 光电全模拟智能计算芯片 清华大学戴琼海、方璐、乔飞、吴嘉敏合作攻关,建立了大规模可重构光电智能计算架构,结合光计算和模拟电子计算技术,突破传统芯片架构中数据转换速度、精度与功耗相互制约的瓶颈,研制了全模拟光电智能计算芯片ACCEL。与现有高性能芯片相比,算力提升千倍,能效提升百万倍。该芯片将在无人系统和智能大模型等实现应用。 该成果发表于《自然》杂志(Nature, 2023, 623: 48–57)。 10 可重构数字存算一体AI芯片清华大学尹首一教授、魏少军教授及香港科技大学涂锋斌教授团队提出可兼顾能效、精度和灵活性的AI芯片新范式——可重构数字存算一体架构,设计出国际首款面向通用云端高算力场景的存算一体AI芯片ReDCIM(Reconfigurable Digital Computing-In-Memory)。该芯片首次在存算一体架构上支持高精度浮点与整数计算,可满足数据中心级的云端AI推理和训练等各种应用场景需求。 该成果发表于集成电路领域顶级期刊IEEE Journal of Solid–State Circuits(JSSC, Volume: 58, Issue: 1, January 2023)。 可重构数字存算一体AI芯片ReDCIM的显微照片、核心技术、与同期研究对比。 2023年度“中国半导体十大研究进展”提名奖 (点击成果名称即可查看详情;排名不分先后) 01 在双层半导体量子阱中揭示激子分数量子霍尔态 成果论文:Excitonic topological order in imbalanced electron–hole bilayers. Nature, 2023, 619: 57–62 论文作者:Rui Wang, Tigran A. Sedrakyan, Baigeng Wang, Lingjie Du & Rui-Rui Du 02 首例基于拓扑保护的半导体手性光子源芯片 成果论文:Topology-induced chiral photon emission from a large-scale meron lattice. Nature Electronics, 2023, 6: 516–524 论文作者:Xuefeng Wu, Xu Li, Wenyu Kang, Xichao Zhang, Li Chen, Zhibai Zhong, Yan Zhou, Johan Åkerman, Yaping Wu, Rong Zhang & Junyong Kang 03 一种CMOS兼容的低矫顽场三方相铁电Hf(Zr)1+xO2材料 成果论文:A stable rhombohedral phase in ferroelectric Hf(Zr)1+xO2 capacitor with ultralow coercive field. Science, 2023, 381: 558–563论文作者:Yuan Wang, Lei Tao, Roger Guzman, Qing Luo, Wu Zhou, Yang Yang, Yingfen Wei, Yu Liu, Pengfei Jiang, Yuting Chen, Shuxian Lv, Yaxin Ding, Wei Wei, Tiancheng Gong, Yan Wang, Qi Liu, Shixuan Du & Ming Liu 04 光化学键合实现半导体3D纳米打印 成果论文:3D printing of inorganic nanomaterials by photochemically bonding colloidal nanocrystals. Science, 2023, 381: 1468–1474论文作者:Fu Li, Shao–Feng Liu, Wangyu Liu, Zheng-Wei Hou, Jiaxi Jiang, Zhong Fu, Song Wang, Yilong Si, Shaoyong Lu, Hongwei Zhou, Dan Liu, Xiaoli Tian, Hengwei Qiu, Yuchen Yang, Zhengcao Li, Xiaoyan Li, Linhan Lin, Hong–Bo Sun, Hao Zhang & Jinghong Li 05 可重构相干纳米激光阵列 成果论文:Reconfigurable moire nanolaser arrays with phasesynchronization. Nature, 2023, 624: 282–288论文作者:Hong-Yi Luan, Yun-Hao Ouyang, Zi-Wei Zhao, Wen–Zhi Mao & Ren-Min Ma 06 半导体黑磷的超快瞬时能带调控 成果论文:Pseudospin-selective Floquet band engineering in black phosphorus. Nature, 2023, 614: 75–80论文作者:Shaohua Zhou, Changhua Bao, Benshu Fan, Hui Zhou, Qixuan Gao, Haoyuan Zhong, Tianyun Lin, Hang Liu, Pu Yu, Peizhe Tang, Sheng Meng, Wenhui Duan & Shuyun Zhou 07 先进节点碳基集成电路 成果论文:Scaling aligned carbon nanotube transistors to a sub-10 nm node. Nature Electronics, 2023, 6: 506–515论文作者:Yanxia Lin, Yu Cao, Sujuan Ding, Panpan Zhang, Lin Xu, Chenchen Liu, Qianlan Hu, Chuanhong Jin, Lian–Mao Peng & Zhiyong Zhang 08 基于存算一体硬件的无线数据传输系统 成果论文:Parallel in-memory wireless computing. Nature Electronics, 2023, 6: 381–389论文作者:Cong Wang, Gong-Jie Ruan, Zai-Zheng Yang, Xing–Jian Yangdong, Yixiang Li, Liang Wu, Yingmeng Ge, Yichen Zhao, Chen Pan, Wei Wei, Li–Bo Wang, Bin Cheng, Zaichen Zhang, Chuan Zhang, Shi-Jun Liang & Feng Miao 09 一款基于环形放大器的10毫瓦、10位有效位、1G采样率的模数转换器 成果论文:A 10-mW 10-ENoB 1-GS/s ring-amp-based pipelined TI-SAR ADC with split MDAC and switched reference decoupling capacitor. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2023, 58: 3576–3585论文作者:Mingtao Zhan, Lu Jie, Yi Zhong & Nan Sun 10 应用于高速无线通信的硅基220 GHz滑动中频收发芯片组 成果论文:A 220-GHz sliding-IF quadrature transmitter and receiver chipset for high data rate communication in 0.13-μm SiGe BiCMOS. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2023, 58: 1913–1927论文作者:Zekun Li, Jixin Chen, Huanbo Li , Jiayang Yu, Yuxiang Lu, Rui Zhou, Zhe Chen & Wei Hong 来源:半导体学报 声明:本文由半导体材料与工艺转载,仅为了传达一种观点,并不代表对该观点的赞同或支持,若有侵权请联系小编,我们将及时处理,谢谢。
摘要: 为满足铜线键合拉力试验需求,从拉力施加位置、失效模式分类、最小拉力值以及试验结果的应用等4 个方面对国内外铜线键合拉力试验方法标准的技术内容进行对比分析,并提出国内试验方法的修订建议。 1 键合拉力试验方法标准现状 半导体器件需要利用引线键合方式实现芯片与基底或引线框架的电气连接,引线键合的质量直接影响器件的性能和可靠性,因此半导体器件的生产过程以及鉴定检验中,需要抽取一定数量的样品进行破坏性键合拉力试验,以评价键合工艺的质量和稳定性。 传统的内引线主要是金线和铝线,为降低成本,业界开发了铜线键合工艺,经过近 20 年的发展和应用,目前铜线键合技术已经得到广泛应用。与金线和铝线相比,铜线的硬度较大,键合时需要更大的能量,更容易产生金属间化合物,降低键合强度,因此需要对采用铜线键合的器件的键合强度进行严格的监测和考核。 国内目前参考 GB/T 4937.22—2018《半导体器件 机械和气候试验方法 第 22 部分:键合强度》 [1]条件 B“引线拉力 ( 双键合点 )”对铜线键合进行破坏性键合拉力试验,该方法转化自 IEC 60749-22:2002《半导体器件 机械和气候试验方法 第 22 部分 :键合强度》 [2] ,技术内容落后,并且缺少具体操作细节,已经无法满足铜线键合拉力试验的需求。 固态技术协会 (JEDEC) 于 2022 年 11 月发布了JESD 22-B120:2022《引线键合拉力试验方法》 [3] ,该标准提供了更多的技术细节,可以更好地指导铜线键合拉力试验。 GB/T 4937.22—2018 条件 B“引线拉力 ( 双键合点 ) 和 JESD 22-B120 规定的破坏性引线键合拉力试验的原理相同,都是在引线下插入一个钩子,施加拉力将引线拉断,但在拉力施加位置、失效模式分类、最小拉力值以及试验结果的应用等 4 个方面存在较大差异,笔者将重点从这 4 个方面对这两项标准的技术内容进行对比分析。 2 拉力施加位置 GB/T 4937.22—2018 条件 B( 双键合点 ) 对拉力施加的位置规定比较笼统,仅规定“在连接芯片或基底和引出端的引线下插一个钩子,尽量在引线中央施加拉力”。在实际操作过程中,引线材料、键合工艺和键合方式 ( 如标准键合、反向键合、多点键合 ) 都会影响引线的形状,很难确定引线中间位置。 为解决该问题,JESD 22-B120 定义了“中跨”的概念,即两个键合点水平间距的中间点。见图 1。 JESD 22-B120 规定试验时钩子应钩在引线的中跨附近,为进一步提高可操作性,该标准提供了鱼尾形键合、超声键合 ( 芯片 - 基底 ) 等 6 种主要键合方式的拉力施加位置示意图,并配有详细的说明,见图 2~ 图 7。 3 失效模式的分类及排序 3.1 GB/T 4937.22—2018 GB/T 4937.22—2018 将引线或键合点的失效模式分为以下 8 类 : a. 引线在颈缩点断开 ( 由于键合工艺引起截面减小的位置 ) ; b. 引线在非颈缩点断开 ; c. 芯片上的键合 ( 引线和金属化层之间的界面 )失效 ; d. 基底、封装接线柱或非芯片位置上的键合 ( 引线和金属化层之间的界面 ) 失效 ; e. 金属化层从芯片翘起 ; f. 金属化层从基底或封装接线柱翘起 ; g. 芯片破裂 ; h. 基底破裂。 上述失效模式分类存在的主要问题有: (1) 失效模式分类是按照失效模式被认知的过程不断累积增加的,因此顺序比较混乱。 (2) 失效模式仅适用于标准键合 ( 即引线一端键合在芯片上,另一端键合在基板上 ),并不完全适用于反向键合、芯片—芯片键合、基板—基板键合以及多路键合等新型键合方式。 (3) 缺少图形示例,加上部分内容翻译的不准确,执行过程中容易引起误解。 3.2 JESD 22-B120 JESD 22-B120 按照失效模式的位置顺序给出了10 种通用的键合拉力失效模式分类,并用数字代码的形式表示,见图 8。 ●失效模式 0 :与操作人员失误或试验前引线损伤有关。 ●失效模式 1、2 和 3 :与芯片相关失效。 ●失效模式 5 :引线断裂。 ●失效模式 6、7、8、9 :与引线框架、基底有关失效。 失效模式分类与 IEC 60749-22(GB/T 4937.22—2018) 的对应关系见表 1。 为便于操作人员更准确的理解失效模式的具体要求,JESD 22-B120 为每种失效模式提供了示意图,见图 9。 4 键合拉力极限值 半导体器件鉴定检验和生产过程监控需要选取样品进行破坏性键合拉力试验,并将拉力的数值与规定的极限值进行对比,以判定键合强度是否合格。 4.1 GB/T 4937.22—2018 GB/T 4937.22—2018 转化自 IEC 60749-22:2002 《半导体器件 机械和气候试验方法 第 22 部分 :键合强度》,该标准规定的要求是基于 20 多年前的技术水平制定的,已无法满足当前铜线键合器件的键合拉力试验要求,就键合拉力极限值来看,主要体现在以下两点。 一是 GB/T 4937.22—2018 未规定铜线的键合拉力极限值,部分厂商参考该标准给出的金线键合拉力极限值用于对铜线的键合强度检验。由于铜线键合强度理论上优于金线,部分单位以金线键合拉力极限值为基础进行适当调整作为铜线的键合拉力极限值。例如,雷神公司以 2 倍金线键合拉力作为铜线键合拉力极限值。键合拉力极限判据的缺失导致目前行业对铜线键合强度的考核比较混乱。 二是GB/T 4937.22—2018的表2仅给出了0.018 mm、0.025 mm、0.033 mm、0.038 mm 和 0.075 mm 5 种 直径的金线和铝线密封前和密封后的最小拉力值判据,其他直径的引线需要按照该标准中图 3给出的曲线来确定键合拉力的极限值。GB/T 4937.22—2018 规定的引线直径数量较少,不能覆盖常用的键合丝直径,而且由于该标准中图 3 的精度较低,因此不同人员利用该曲线确定的拉力极限值往往存在一定的差异,容易造成争议。 4.2 JESD 22-B120 JESD 22-B120 编制组对现有键合拉力判据对铜线键合的适用性进行了研究。现有键合拉力极限值是50 多年前基于少数几种直径的金丝和铝丝的拉力试验数据制定的,而且试验样品的键合工艺主要是超声键合工艺。此后,虽然键合技术在不断发展,铜线制作的键合丝成为市场主流产品,常用键合丝的直径由几十微米扩展到 600 多微米,键合工艺增加了热压焊和热超声焊,但判据并未进行过更新或重新验证。 JESD 22-B120 编制组发现,业内长期按照金线的键合拉力判据作为铜线的键合拉力判据,未发生重大技术问题。如果针对铜线制定键合拉力判据,需要考虑到不同类型铜线材料 ( 纯铜或镀钯铜线 ) 的差异、不同键合界面的差异、不同键合工艺的差异,试验验证的工作量非常巨大。因此,JESD 22-B120 编制组决定采用金线的键合拉力判据作为铜线的键合拉力判据。 针对现有标准规定的引线直径数量较少、不能覆盖市场上主流产品这一问题,JESD 22-B120 编制组对金线、铜线和铝线常见直径进行了调查,并直接给出了 17 种常见直径键合丝的键合拉力判据。 按照 JEDEC 对标准技术内容的统一规定,试验方法仅规定试验方法,具体的判据由通用规范规定。2022 年 12 月,JEDEC 发布了 JESD 47《基于应力试验的集成电路鉴定要求》L 版[4] ,在该标准第 7 章增加了键合拉力的极限值判据。 目前市场上主流半导体器件的封装形式是塑封封装,而塑封器件开封可能会对键合丝或键合点造成一定的破坏,影响键合拉力试验的结果,因此JESD 47L 不要求进行开封后的键合拉力试验,未规定器件开封后的键合拉力判据。 JESD 47L规定的键合拉力判据见表 2。 5 增加对试验结果的应用指导 GB/T 4937.22—2018 仅规定了试验程序和判据,未给出如何应用键合拉力试验结果相关的指导。针对这一问题,JESD 22-B120 提供了以下对试验结果的应用指导。 (1) 通用规范中规定进行键合拉力试验的目的是确认不可接受的键合 ( 即器件在寿命周期内可能会发生失效),因此理想的失效模式是键合丝被拉断(失效模式 5),这表示键合强度高于引线的强度。键合拉力的大小还受键合界面的材料成分、键合工艺条件的影响,因此标准规定的最小键合拉力值受远远低于实测值。因此,制造商应对键合拉力试验结果进行统计过程控制,对拉力值满足最小值要求但偏离正常平均值的产品进行分析并制定后续处理措施。 (2) 只有失效模式 5 是可以接受的。出现其他失效模式时均应分析出现失效的原因。出现失效模式4 和失效模式 6 时,建议首先从内引线材料和键合工艺方面分析原因。出现失效模式 1、2、3、7、8 和 9 时,建议除内引线材料和键合工艺外,还应该从键合界面分析原因。 6 下一步工作建议 铜线已经成为当前半导体器件主要的内部互联材料,铜线的键合拉力试验是评价器件内部互联质量的关键技术手段。现行国家标准 GB/T 4937.22—2018 规定的键合拉力试验方法已经不能满足铜线键合的质量评价需求,建议参考 JESD 22-B120 的技术要求,从拉力施加位置、失效模式分类、最小拉力值以及试验结果的应用等方面对该标准的技术内容进行研究,并尽快开展 GB/T 4937.22—2018 的修订工作。 声明:本文由半导体材料与工艺转载,仅为了传达一种观点,并不代表对该观点的赞同或支持,若有侵权请联系小编,我们将及时处理,谢谢。
共读好书 李瑶,袁飞,周晓冬,潘舟,吴雪峰 (武汉环达电子科技有限公司) 摘要: 现今常用的气密性封装工艺有平行缝焊封装和储能焊封装等。在实际生产或科研中,封装材料、封装设备和人员操作的熟练性等都会影响封装质量,一旦气密性达不到要求,重新封装需拆除盖板,操作难度大,成本高。改良的双组份环氧树脂胶堵漏工艺,配胶工序繁琐,堵漏胶固化时间长,固化后残留在焊缝区域的环氧树脂胶无法去除,易造成产品外观不良。提出了采用渗透性厌氧胶对气密性封焊失效产品进行堵漏的新工艺,并通过试验及实际生产,验证了该方法的有效性和实用性。 集成电路的封装,简而言之就是把经过组装和电互联的器件芯片与相关的功能器件和电路等封入特制的管壳内。在微电子集成电路和光电器件的制造过程中,气密性封装技术得到了广泛的应用,尤其在军用电子器件中,产品的气密性是主要考核指标之一。气密性封装的意义在于让管壳内的器件与外部环境相隔离,避免外部空气中的水汽和二氧化硫等有害气体进入管壳内。 平行缝焊作为电子元器件主要封装形式之一,普遍应用于对水汽含量和气密性要求较高的集成电路封装中。平行缝焊封装合格的电子产品,能有效保护管腔内的IC、电阻和电容等元器件,使得IC引脚、电阻和电容端头等不易被氧化,保证产品长久持续地正常工作。 1 现有问题分析 在实际科研和生产过程中,平行缝焊的质量直接关系到电子元器件的气密性 [1-2] ,而影响平行缝焊质量的因素多种多样,如盖板热处理工艺、盖板与管座焊接处的工艺卫生、夹具的精度、电极表面的状态和工艺参数的设置等 [3-4] ,都会导致焊缝的气密性达不到要求,封焊失效。 封焊失效的模块需经过返修后方可使用,最直观的返修方法是拆除漏气的盖板,更换新盖板进行重新焊接。这种方法虽说一定程度上能解决封焊失效问题,但平行缝焊盖板厚度为0.08~0.30 mm之间,拆除难度大,易损伤管座。即使能有效拆除,重新封装前需对管座进行机械化抛光处理,平整度等质量难以控制,工序繁琐,效率低,成本高。 经气密性封装从业人员的不断摸索和试验,环氧树脂胶堵漏工艺已逐渐取代上述的拆盖板重封,并被应用到气密性封装失效返修中。以较常用的某透明环氧树脂胶为例,该环氧树脂胶为双组份,需进行配比、搅拌均匀后再涂抹于焊缝处。使用该环氧树脂胶进行封焊失效堵漏,缺点较为明显:1)使用前的配胶和搅拌工序操作繁琐,难以控制;2)在常温条件下固化24 h或40 ℃条件下固化16 h或80 ℃条件下固化2 h,固化时间太长;3)焊缝区域残留的胶液固化后硬度大,难以去除,易造成外观不良。 为了优化堵漏工艺,提高堵漏效率,本文提出了采用渗透性厌氧胶对气密性封装失效产品进行堵漏的新工艺,并通过前期试验及后续实际生产,验证了其有效性和实用性。 2 工艺方案及试验 2.1 厌氧胶固化机理 厌氧胶的反应机理 [5] 如图1所示。 厌氧胶一般在常温下即可固化,温度升高时可以使其加速固化。根据图1可知,其固化需具备以下两个条件: 1)厌氧胶在固化过程中必须有金属离子参与,即厌氧胶必须涂抹在金属材料上才能固化; 2)厌氧胶必须在无氧条件下才能固化,未渗透到裂纹和微孔内的胶液是不固化的。 2.2 堵漏材料选择 在电子产品中常用的厌氧胶主要用于螺纹的锁固和密封。本文所使用的厌氧胶是一种单组份、低黏度的渗透性厌氧胶,由于它的低黏度和毛细管作用,使得它既可以应用于螺纹锁固和密封,也可以应用于填充密封缝焊焊接和浇铸等金属零件的空隙( d 0.125 mm以下),其常规特性见表1。 2.3 堵漏工艺流程 所使用的厌氧胶为单组份胶液,在胶液未被污染的条件下,可回收多次利用,具体堵漏工艺流程如下: 1)清洗:采用酒精等溶剂清洗漏气组件的焊缝; 2)烘烤:将漏气组件放入60 ℃的电热鼓风干燥箱中烘烤30 min后取出冷却到常温; 3)涂胶:用牙签蘸取厌氧胶刷涂到焊缝区,保证胶液完全覆盖焊缝区; 4)固化:常温条件下固化1 h或者40 ℃条件下固化30 min; 5)清理:用酒精等溶剂清洗焊缝区残留的余胶,回收多余未使用胶液。 2.4 试验步骤 2.4.1 气密性封装 选取管座和盖板皆为可伐合金的同一批管壳(数量大于30套)进行平行缝焊封装。 2.4.2 检漏 按GJB 360方法112试验条件D,试验条件选取下列其中一种执行:a)当样品引脚数≤16时,加压压力不低于40 N/cm 2 ,时间不小于2 h,氟油液体温度125±5 ℃;b)当样品引脚数大于16时,加压压力不低于20 N/cm 2 ,时间不小于4 h,氟油液体温度125±5 ℃;c)采用平行封焊的模块,加压压力不低于20 N/cm 2 ,时间不小于4 h,氟油液体温度125±5 ℃。 检漏过程中,如发现漏气模块,用红色记号笔在漏气位置做上标识,如图2所示,并分类放置。 2.4.3 堵漏 按照2.3中堵漏工艺流程对漏气模块进行堵漏处理。 2.4.4 检漏 堵漏后的模块先按照GJB 360B方法112试验条件D进行粗检漏,漏率合格产品再应用氦质谱检漏仪进行细检漏,记录漏率数据。 2.4.5 筛选试验 将经检漏后漏率合格的产品依次进行高温贮存、温度循环和功率老炼等筛选试验。每完成一项筛选试验后,需恢复2 h再进行下一项试验。高温贮存试验按GJB 150.3试验方法进行,试验条件选为: a)贮存温度:85±2 ℃;b)贮存时间:72 h;温度循环试验按照GJB 548方法1010进行,试验条件为-40±3 ℃~85±2 ℃,循环≥10次。功率老炼试验按照GJB 548方法1015进行,试验条件为85±2 ℃,时间96 h。 2.4.6 检漏 经过筛选试验后的模块先按照GJB 360B方法112试验条件D进行粗检漏,漏率合格产品再应用氦质谱检漏仪进行细检漏,记录漏率数据。 2.5 试验结果 堵漏后筛选试验前的模块,先经过氟油粗检漏,未发现漏气现象,再经过氦质谱细检漏后,发现漏率值皆小于1.05×10 -9 Pa·L/s,满足GJB 548B-2005的要求。 筛选试验后的模块,经过氟油粗检漏,未发现漏气现象,且经过氦质谱细检漏后,发现漏率值小于1.05×10 -9 Pa·L/s,满足GJB 548B-2005中的要求。 3 结论 通过本次试验结果可知,渗透性厌氧胶能有效填充气密性封装封焊失效产品中的焊缝( d 0.125 mm以下)。对比于拆除盖板重新封装的传统返修工艺和改良后的环氧树脂胶堵漏工艺,渗透性厌氧胶堵漏新工艺具有如下诸多优点:1)工艺流程更加简单,操作更便捷;2)堵漏胶固化条件易满足,固化时间短,能有效提高堵漏效率;3)焊缝区域多余的胶液不固化,可用酒精擦除,堵漏前后模块外观无明显变化,不会造成外观不良;4)堵漏结束后,未使用完的胶液可回收重复利用,节约返修成本。 4 实际应用效果 渗透性厌氧胶不仅适用于平行缝焊堵漏返修,还可将其应用于储能焊封装等空隙小于 d 0.125 mm的气密性封装产品的堵漏返修中。 参考2.4中的试验步骤,对同一批(数量大于30套)储能焊封装模块进行堵漏试验,堵漏后的模块先按照GJB360B方法112试验条件D进行粗检漏,未发现漏气现象,再经过氦质谱细检漏后,发现漏率值小于1.05×10 -9 Pa·L/s,能满足GJB 548B-2005中的要求。将堵漏合格的模块按照GJB相应标准,依次高温存储、温度循环和功率老炼等筛选试验后,再次进行氟油粗检漏和氦质谱细检漏,发现漏率值小于1.05×10 -9 Pa·L/s,亦可满足GJB548B-2005的要求。 5 结束语 采用渗透性厌氧胶堵漏新工艺,能有效解决气密性封装产品漏率不达标的问题,从而降低返修返工难度和成本,提高气密性封装封焊失效产品的返修效率。但是,根本上解决气密性封装问题,应从盖板热处理工艺、盖板与管座焊接处的工艺卫生、夹具的精度、电极表面的状态和工艺参数的设置等方面进行改进和优化,减少不良率,提高气密性封装产品的质量。
芯片是很多智能设备的重要器件,缺少芯片的情况下,这些智能设备将“瘫痪”。所以,我们应当大力发展芯片。为增进大家对芯片的认识,本文将对芯片的内部制造工艺予以介绍。如果你对芯片具有兴趣,不妨和小编一起继续...