劉慶川，劉 笛，關(guān)亞男

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)110032)

1 引言

目前集成電路芯片的主要粘接方式有兩種，一種是聚合物粘接工藝。另外一種是合金粘接工藝，聚合物粘接工藝在微電子行業(yè)已得到廣泛的應(yīng)用［1］，其具有可避免焊接高溫、工藝簡(jiǎn)單、無(wú)鉛及總成本低等優(yōu)點(diǎn)。但隨著微電子行業(yè)的迅速發(fā)展，以及產(chǎn)品使用環(huán)境的日益惡化，對(duì)于聚合物粘接質(zhì)量可靠性的要求也日益嚴(yán)格，完成聚合物粘接芯片質(zhì)量的提升變得日益迫切。而失效模式影響分析技術(shù)(FMEA:Failure Mode and Effects Analysis)作為在整機(jī)、組件等生產(chǎn)行業(yè)廣泛應(yīng)用的技術(shù)，并有適用整機(jī)行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)［4］。同時(shí)FMEA也是美國(guó)三大車廠對(duì)所屬供應(yīng)商的強(qiáng)制性要求之一。在電子元器件行業(yè)，特別是微電子行業(yè)，如 SONY、Toshiba、INTEL、TI等公司，均采用了FMEA技術(shù)提升和控制其產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性［1-4］。本文通過(guò)在聚合物膠粘劑粘片工序應(yīng)用FMEA技術(shù)，找出聚合物粘接芯片影響集成電路質(zhì)量的因素，進(jìn)而完成聚合物粘接芯片工藝的優(yōu)化及可靠性的提升。

2 失效模式影響分析(FMEA)技術(shù)

2.1 FMEA簡(jiǎn)介

失效模式影響分析(FMEA:Failure Mode and Effects Analysis)是生產(chǎn)過(guò)程中一項(xiàng)事前預(yù)防的分析手段。工程技術(shù)人員自設(shè)計(jì)策劃階段開始，通過(guò)嚴(yán)密分析，列出及評(píng)估系統(tǒng)內(nèi)潛在的失效模式和可能造成的后果，使設(shè)計(jì)、組成等作業(yè)時(shí)，留意改善，通過(guò)各個(gè)階段持續(xù)評(píng)估、分析及改進(jìn)，使產(chǎn)品逐步達(dá)到最佳。通過(guò)FMEA可以分析出系統(tǒng)的可靠性、維修性、安全性等所受的影響。

2.2 FMEA分析核心

在進(jìn)行FMEA分析過(guò)程中，最為重要，也是最為核心的是對(duì)產(chǎn)品失效模式的分析。通過(guò)對(duì)失效模式的影響分析來(lái)明確可靠性的方向和目的。在明確了目標(biāo)后，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中各組成模塊及單元可能存在的故障模式對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)品功能的影響分析，以故障模式的產(chǎn)生原因及機(jī)理為研究基礎(chǔ)，提出具有針對(duì)性的預(yù)防改進(jìn)措施，提高產(chǎn)品的可靠性，在大批量投產(chǎn)前就完成可靠性的提升，杜絕可能在設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中存在的可靠性隱患，這是一種事前行為，一種由下而上的原因和結(jié)果分析方法。與傳統(tǒng)的可靠性提升方法不同，是一種由后至前的方法，從元器件基本失效的原因及影響逐步向上分析，直至對(duì)整個(gè)元器件或組件進(jìn)行分析，評(píng)價(jià)影響后果，用分析的方法對(duì)元器件的結(jié)構(gòu)、材料、工序和工藝等失效模式、機(jī)理、影響、嚴(yán)重程度與發(fā)生概率進(jìn)行評(píng)估。

2.3 元器件的FMEA分析技術(shù)

FMEA有兩種基本方法:硬件法和功能法。工作中采用何種方法進(jìn)行分析，取決于設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和可利用信息的多少。對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，可以考慮綜合采用功能法和硬件法。

進(jìn)行FMEA分析必須熟悉整個(gè)要分析產(chǎn)品的情況，包括結(jié)構(gòu)方面、工藝生產(chǎn)方面、使用方面以及所處環(huán)境等方面。

由于研制生產(chǎn)需要盡可能持續(xù)地改進(jìn)產(chǎn)品和過(guò)程的質(zhì)量和可靠性，F(xiàn)MEA作為一種專門的技術(shù)用以最大程度地減少潛在隱患是非常重要的。成功實(shí)施FMEA項(xiàng)目最重要的因素之一是時(shí)間性，即在事件發(fā)生前采用必要的措施，而不是在事件發(fā)生后。采用FMEA分析在產(chǎn)品或過(guò)程之前，評(píng)價(jià)潛在失效模式及影響，實(shí)施改進(jìn)措施，有效降低潛在隱患風(fēng)險(xiǎn)。

進(jìn)行FMEA絕不僅是填寫表格，而是要理解FMEA過(guò)程，以便消除或控制失效的發(fā)生，確保產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。在實(shí)施FMEA過(guò)程中，最關(guān)鍵的是量化確定每個(gè)失效模式及機(jī)理的嚴(yán)重度級(jí)別、失效發(fā)生的頻度和可探測(cè)度。這是確定需要重點(diǎn)或優(yōu)先控制的失效模式及機(jī)理，提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性的關(guān)鍵。

實(shí)施FMEA可大致按以下程序進(jìn)行:

(1)掌握產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能的有關(guān)資料。

(2)掌握產(chǎn)品工作狀態(tài)、應(yīng)力的資料。

(3)掌握產(chǎn)品所處環(huán)境條件的資料。

(4)定義產(chǎn)品及其功能和最低工作要求。

(5)按照產(chǎn)品功能、性能方框圖畫出其可靠性方框圖。

(6)根據(jù)所需要的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有資料的多少來(lái)確定分析級(jí)別。

(7)找出失效模式、機(jī)理，分析其原因及影響。

(8)找出失效模式或機(jī)理的檢測(cè)、隔離措施和方法。

(9)找出設(shè)計(jì)和可能的預(yù)防措施，以防止最主要的失效模式及機(jī)理。

(10)確定各種失效模式及其機(jī)理對(duì)產(chǎn)品影響的嚴(yán)重程度。

(11)填寫FMEA表。

在進(jìn)行FMEA分析之前，還需要確定嚴(yán)重度S、頻度O和探測(cè)度D的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，具體如表1-3所示。

表1 嚴(yán)重度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則表

表2 頻度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則表

頻度(O):是指這種失效原因發(fā)生的可能性。分值為1-10。

表3 探測(cè)度的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則表

探測(cè)度(D):是指問(wèn)題被發(fā)現(xiàn)并阻止失效發(fā)生的可能性。發(fā)現(xiàn)的可能性越小，則不易探測(cè)度D越大。探測(cè)度評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。

在確定了嚴(yán)重度、頻度和探測(cè)度后，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)的計(jì)算公式RPN=S*O*D可得到風(fēng)險(xiǎn)順序數(shù)，進(jìn)而確定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)、工序和關(guān)鍵工藝點(diǎn)，并進(jìn)行有針對(duì)性的重點(diǎn)控制，達(dá)到工藝能力的提升。

3 聚合物膠粘劑粘片F(xiàn)MEA分析

3.1 芯片粘接失效模式研究

粘片工序的主要作用是集成電路芯片固定到管殼或基板上，并形成需要的導(dǎo)電、導(dǎo)熱通道，粘片工序作為集成電路封裝的一個(gè)重要步驟，對(duì)集成電路性能和可靠性具有重要影響。粘片工序的主要失效模式及其導(dǎo)致原因如下:

(1)芯片破裂

芯片的破裂是指在聚合物粘接芯片的過(guò)程中，因?yàn)楣に噮?shù)的不當(dāng)所造成的芯片的任何部位出現(xiàn)損壞。這種失效過(guò)程也是十分嚴(yán)重的。導(dǎo)致芯片破裂的原因主要有:①粘接區(qū)域的空洞過(guò)多，粘接區(qū)域形成空洞后，在經(jīng)歷溫度的劇烈的變化后，因?yàn)闊崤蛎浵禂?shù)的不匹配，造成在空洞邊緣處形成應(yīng)力，根據(jù)力學(xué)原理，應(yīng)力會(huì)沿著薄弱處累積，進(jìn)而形成應(yīng)力釋放點(diǎn)，相對(duì)于有效粘接區(qū)域，芯片空洞處所能承受的力相對(duì)較小，進(jìn)而易造成芯片的碎裂;②粘接區(qū)域的面積過(guò)大或過(guò)小，粘接區(qū)域的過(guò)大或過(guò)小都會(huì)造成聚合物粘接過(guò)程中，膠粘劑的分布不均勻，導(dǎo)致芯片的受力不均勻而導(dǎo)致芯片的碎裂;③粘片層的厚度不足，粘片層的作用是固定芯片，同時(shí)傳到熱量和緩沖應(yīng)力，如厚度不足，起不到上述作用，在受到應(yīng)力時(shí)，容易造成碎片;④從粘片膜上取片時(shí)過(guò)大的取片壓力或粘片時(shí)過(guò)大的彈出壓力。這種情況多是設(shè)備調(diào)試或是設(shè)備故障時(shí)才會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題。

(2)芯片掉落

芯片掉落即芯片從粘片區(qū)域或腔體內(nèi)脫落。這是一種嚴(yán)重的失效情況，后果是造成集成電路完全失去功能。導(dǎo)致芯片脫離的原因主要為:①粘片區(qū)域或腔體內(nèi)被污染及芯片背面被污染，因?yàn)槲畚锏拇嬖谑沟迷谡辰訁^(qū)域與聚合物粘接劑間形成隔離層，造成聚合物粘接劑與管殼襯底間不能形成良好的歐姆接觸，使芯片容易發(fā)生脫落;②粘接區(qū)域空洞過(guò)多，必然會(huì)造成有效粘接面積的相對(duì)較小，其必然會(huì)影響到芯片的粘接質(zhì)量，使芯片的粘接強(qiáng)度明顯降低;③不充分的粘接區(qū)域;④不充分的粘片固化。

(3)芯片劃傷

芯片劃傷是由于各種原因造成芯片的機(jī)械損傷。導(dǎo)致芯片劃傷的原因:操作人員的培訓(xùn)不充分，進(jìn)而在操作工程中操作不當(dāng)使芯片表面產(chǎn)生不可逆的損傷，破壞了芯片的有效圖形，造成集成電路的功能失效，有些輕微劃傷會(huì)碰壞芯片表面的鈍化層，是集成電路產(chǎn)生可靠性隱患;其他可能造成芯片劃傷的原因還包括拾取和放置工具的損壞或污染;工作臺(tái)位置不好等。

(4)由粘片引起的內(nèi)部水汽過(guò)多

在聚合物芯片粘接過(guò)程中，工藝參數(shù)的不當(dāng)，會(huì)造成聚合物粘接劑內(nèi)部氣氛的揮發(fā)不徹底，進(jìn)而在聚合物粘接劑內(nèi)部產(chǎn)生局部殘留，殘存的氣體在溫度循環(huán)中重復(fù)熱脹冷縮的過(guò)程，使器件遭受應(yīng)力損傷，應(yīng)力會(huì)沿著薄弱處產(chǎn)生應(yīng)力釋放點(diǎn)，形成應(yīng)力釋放通道，隨著應(yīng)力的不斷反復(fù)釋放，在應(yīng)力釋放通道內(nèi)，應(yīng)力得到積累，進(jìn)而對(duì)聚合物粘接質(zhì)量產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的失效，造成芯片的破裂或聚合物粘接處的斷裂，會(huì)加速開裂最終導(dǎo)致器件掉片。另外在聚合物芯片粘接過(guò)程中，聚合物粘接劑內(nèi)所含氣體的揮發(fā)不徹底，其在長(zhǎng)期貯存過(guò)程中或是在溫度劇增的環(huán)境及溫度循環(huán)中會(huì)沿著聚合物粘接面外立面的細(xì)微孔洞釋放，造成芯片表面及引線鍵合絲的氧化，形成集成電路芯片電性能的實(shí)效及引線鍵合強(qiáng)度的降低，形成嚴(yán)重的產(chǎn)品功能實(shí)效。

(5)粘接短路

粘接短路是由于導(dǎo)電的粘片材料在芯片表面暴露的金屬線、焊盤、焊點(diǎn)或焊線之間形成了導(dǎo)電通路。導(dǎo)致短路的原因主要有:粘片時(shí)導(dǎo)電膠粘劑滴落到芯片表面或合金粘接時(shí)的金屬顆粒搭接了未被鈍化層覆蓋的部分，這樣就會(huì)造成短路。

從上述的失效模式來(lái)看，涉及到聚合物粘片的失效過(guò)程，包括粘接面積不足;聚合物的固化條件不充分，以及粘接面的空洞過(guò)多;還有粘接面不均勻，使芯片受力不均等，這些缺陷都會(huì)給電路粘接的可靠性帶來(lái)很大影響。上述問(wèn)題都需要在粘片工藝中得到更好的控制。

3.2 芯片粘接失效模式FMEA表格的建立

通過(guò)分析生產(chǎn)中常用的聚合物粘接芯片工藝過(guò)程，對(duì)其易產(chǎn)生的失效模式進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)及歸類，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理分析處理了大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而得到上述聚合物粘接芯片過(guò)程中各類失效模式的嚴(yán)重度、頻度及可檢測(cè)度，根據(jù)其產(chǎn)生的難易程度、對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響程度及是否容易檢測(cè)等判別依據(jù)，分別將嚴(yán)重度、頻度和探測(cè)度分為1-10級(jí)，分析計(jì)算得到的具體數(shù)值如表2所示。

表2 聚合物粘接芯片F(xiàn)MEA表

通過(guò)對(duì)該表進(jìn)行分析，可以清晰看出諸多失效模式對(duì)于聚合物粘接質(zhì)量的影響大小，按照RPN數(shù)值對(duì)其進(jìn)行排序，數(shù)值越高越影響聚合物粘接質(zhì)量。根據(jù)對(duì)聚合物粘接質(zhì)量影響程度的高低，結(jié)合失效模式的產(chǎn)生機(jī)理及原因，制定出具有針對(duì)性的改進(jìn)措施。通過(guò)優(yōu)化聚合物粘接芯片的溫度工藝曲線、加工操作手段及換取聚合物粘接膠劑的類型將聚合物粘接過(guò)程中的失效問(wèn)題及存在的可靠性隱患加以解決，有效提升了聚合物粘接芯片的質(zhì)量。

4 結(jié)束語(yǔ)

FMEA在整機(jī)組裝領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，但是國(guó)內(nèi)很少有廠家在元器件的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)中開展該類方法的研究，而國(guó)外在元器件設(shè)計(jì)加工領(lǐng)域已廣泛的引入該方法，以完成對(duì)元器件設(shè)計(jì)加工能力的整體優(yōu)化。該方法是科學(xué)合理的，我們?cè)趯?duì)聚合物粘接工藝控制的研究過(guò)程中引入FEMA方法，有效地縮短了項(xiàng)目的技術(shù)攻關(guān)周期，使得后續(xù)的工藝優(yōu)化更有針對(duì)性和可實(shí)施性，為聚合物粘接工藝質(zhì)量的提升，提供了嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的分析方法。

［1］ 劉品.可靠性工程基礎(chǔ)［M］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，1999.

［2］ 楊為民.可靠性、維修性、保障性總論［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

［3］ 陸廷孝，鄧鵬洲.可靠性設(shè)計(jì)與分析［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1995.

［4］ GB/T 7826-1987，失效模式和效應(yīng)分析(FMEA)程序［S］