丁榮崢，馬國榮，陳波，楊軼博

（1.中國電子科技集團公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214035；2.三江學院, 江蘇 南京 210012）

0 引言

倒裝芯片工藝越來越廣泛地應用于芯片與管殼/基板互連中。目前，倒裝芯片拉脫試驗均采用GJB 548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》方法2031倒裝片拉脫試驗[1]來測量芯片與外殼/基板之間的鍵合強度。試驗中，要求拉開棒施力與芯片表面法線方向保持在5°范圍內，且拉開棒與芯片表面無沖擊，如圖1所示。 《集成電路封裝試驗手冊》也基本遵循此測試方法[2]。部分文獻中涉及的倒裝芯片拉脫試驗與上述有所不同，填充后或實封的芯片拉脫試驗則不在本文范圍內討論[3]。

圖1 倒裝片接觸工具和芯片上表面剛性機械粘接

在方法2031測試方法中，芯片與拉開棒的剛性接觸，因此不同的人測試同一批產(chǎn)品，尤其在倒裝片的芯片面積比較大時，數(shù)值偏差較大。分析確認設備量程、提升速率、拉開棒與芯片表面粘接有效面積和測試儀準確度均不是主要因素，而是由于拉開棒與芯片表面呈一定的小角度，使微測試儀DAGE 4000施加在倒裝片芯片上的力呈現(xiàn)一邊比較大，產(chǎn)生倒裝片的單側部分互連凸點被撕裂，使拉脫測試值偏小，不是倒裝片鍵合強度的真實值，參見圖2。

圖2 剛性接觸，施力不均使開裂先從某一邊開始

當芯片面積比較小時，顯然施力垂直度對施加力的均勻性影響不大；但當芯片面積大（如10 mm×10 mm甚至更大時），會出現(xiàn)某側邊凸點的應力集中現(xiàn)象，使凸點先被撕裂，導致芯片測試值與真實值之間的誤差增大。

為了提高倒裝片拉脫試驗的測試精確度，需要對倒裝片拉脫試驗的測試方法進行改進，消除測試施力因單邊先施力而帶來的測試值與真實強度之間的誤差，以真實地反映倒裝片整體的拉脫強度。

1 倒裝片測試方案優(yōu)化

針對剛性施加存在施加力容易有單邊先加力，局部被先撕裂而帶來整體的拉脫強度測試值偏低的問題，可以通過圖3、4兩種方法來施加拉脫力，消除測量誤差。

圖3所表示的尼龍等軟繩子不僅僅可以消除施力垂直度問題，還可以降低剛開始接觸施加力所帶來的沖擊力。

圖3 微測試儀DAGE 4000拉桿力通過軟繩施加于拉開棒

圖4所示的接觸工具球形可以很好地消除垂直度問題，測試儀拉桿與球部接觸處有凹坑可以起到導向作用。

圖4 微測試儀DAGE 4000拉桿力通過球形接觸施加于拉開棒

2 改進測試夾具的實際使用情況

采用圖3和圖4改進后的倒裝片拉脫試驗夾具，測試值再未出現(xiàn)異常情況，測試表明改進有效。

在實際的測試中，采用繩套結構的，測試儀拉桿接觸面一定要圓滑，以減小摩擦所帶來的影響；另，繩子容易因捆綁不牢而導致測試失敗，故建議主要使用接觸工具的球形面與測試儀拉桿的凹面配合的金屬接觸來施力，即圖4所示的結構更優(yōu)，消除了繩子可能存在的打滑現(xiàn)象。

尼龍繩子等具有一定的緩沖作用，可以部分消除沖擊力的影響，尤其在測試凸點數(shù)少，焊接面比較小的時候，按（4.9±0.98）N/s 的拉升速率施加力還是有一定程度的影響的。

3 改進測試方法與測試數(shù)據(jù)分析

采用同一生產(chǎn)批FC-CLGA 160外殼15只，用于凸點焊接的焊盤直徑為φ 110 μm，W金屬化層上鍍Ni-Au，其中金層厚度小于0.5 μm；同一批硅集成電路芯片，凸點材料為Sn5Pb95材料，焊盤直徑為φ 100 μm，凸點直徑為φ 110 μm，凸點總個數(shù)為114；采用無助焊劑和助焊劑2中焊接方式進行倒扣焊接，焊接工藝曲線如圖5、6所示。

圖5 無助焊劑回流焊接工藝曲線

圖6 助焊劑回流焊接工藝曲線

根據(jù)GJB 548B-2005《微電子器件試驗方法和程序》方法2031倒裝片拉脫試驗的失效判據(jù)，X的最小值為：

X=760（N/cm2）×凸點平均面積cm2）×凸點數(shù)

計算得： X=760（N/cm2）×3.14×（0.005cm）2×114=6.80 N=0.68 kg。

倒裝片拉脫試驗測試儀器均采用BT 22，10 kg拉力傳感器進行測量。

采用圖2所示的測試夾具，對采用無助焊劑回流焊接的5只樣品進行拉脫測試，測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 卡式夾具測試試的倒扣焊拉脫強度kg

采用圖4所示的測試夾具，對采用無助焊劑回流焊接和助焊劑回流焊接的各5只樣品進行拉脫測試，測試數(shù)據(jù)見表2。助焊劑回流焊接的樣品通常很難完全清洗干凈，殘留有助焊劑；無助焊劑回流焊接則可以保證任何殘留，因而其拉脫強度測試值為純倒扣焊的強度，見圖7。

表2 改進夾具測試試的倒扣焊拉脫強度kg

從表1、2的測試數(shù)據(jù)來看，可以得出實際的倒裝片拉脫強度最小為3.15 kg，其遠大于失效判據(jù)0.68 kg。

從表2可以看出，測試夾具改進的測試值普遍比較高，改進夾具測試2個批次樣品的平均值為4.20 kg和4.24 kg，較改進前的拉脫強度平均值3.35 kg有25%以上的增幅；2種回流焊接工藝的10只測試樣品中的最小拉脫強度為3.80 kg，比未改進夾具前的5只測試樣品中的最大拉脫強度3.55 kg也有7%以上的增幅度，這些均表明測試改進是有效的，顯著地減少了測試夾具帶來的測量值的誤差，改進拉脫測試夾具能真實地反映倒裝片拉脫試驗的真實值。

圖7 無助焊劑回流焊接和助焊劑回流焊接倒裝片拉脫后的表面

4 結論

傳統(tǒng)剛性卡式施力，要求測試施力方向要求高，控制困難，常常引起測試值存在極大的波動，測試值與真實值之間存在很大的偏差，影響統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析的準確性，建議謹慎采用。

倒裝片拉脫試驗方法改進是有效的，實際的測試數(shù)據(jù)符合正態(tài)統(tǒng)計分布規(guī)律。

2種倒裝片拉脫測試的柔性繩、球形與凹坑施力方式的改進，可以保證施力能垂直于倒裝片芯片表面，并且不產(chǎn)生施力不均問題，均有效地消除了卡式剛性施力帶來的測試誤差問題。

在改進施力接觸方式的2種方式中，由于繩子耐磨性等問題，不適合長期使用，需要及時更新；剛性球形與凹坑接觸可長期反復地使用。

[1]中國人民解放軍總裝備部.GJB 548B-2005微電子器件試驗方法和程序[M].北京：總裝備部軍標出版發(fā)行部，2005.

[2]王先春.集成電路封裝試驗手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，1998.

[3]吳豐順，吳懿平，鄔博義，等.倒裝芯片各向異性導電膠互連的剪切結合強度[J].半導體學報，2004，25（3）：340-345.