王明康

（中國振華集團(tuán)永光電子有限公司 貴州貴陽 550018）

粘片過程中頂針引起的芯片裂紋解析

王明康

（中國振華集團(tuán)永光電子有限公司 貴州貴陽 550018）

芯片裂紋是半導(dǎo)體器件嚴(yán)重的失效模式之一，由于受裂紋位置及裂紋的嚴(yán)重程度影響，在一定條件下芯片裂紋不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，在產(chǎn)品后期焊接或產(chǎn)品工作過程中，裂紋不斷延伸，最終導(dǎo)致器件失效，給產(chǎn)品質(zhì)量及可靠性帶來極大隱患。導(dǎo)致芯片裂紋的因素是多方面的，本文本文主要以TO-252封裝外型為例，論述在后部加工過程中，由于頂針使用不合理或頂針破損，導(dǎo)致的芯片裂紋進(jìn)行分析，并通過相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

TO-252封裝；裂紋；頂針；耐焊接熱

引言

TO-252封裝是一種國際通用封裝外形，采用該封裝的半導(dǎo)體器件或集成電路門類齊全，廣泛使用于各種電子設(shè)備。穩(wěn)態(tài)功率一般在1W以上，屬于中功率器件，所以通常芯片尺寸較大，粘片過程中容易導(dǎo)致芯片損傷甚至裂紋。

TO-252封裝外形通常采用自動(dòng)化進(jìn)行批量流水生產(chǎn)，頂針引起的芯片裂紋在芯片背面，如果裂紋未延伸到芯片正面，不易被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致大量的廢次品產(chǎn)品。由此可能引發(fā)與用戶的質(zhì)量糾紛及經(jīng)濟(jì)賠償，甚至可能會(huì)影響到國家的重大項(xiàng)目。

1 頂針高度設(shè)置不合理

自動(dòng)化粘片過程中，頂針將藍(lán)膜上單粒芯片頂起，吸頭吸住芯片后將芯片移送到框架上的芯片粘接區(qū)。在此過程中，如果頂針位置設(shè)置過高，頂針在頂起芯片時(shí)，會(huì)造成芯片背面頂針痕跡或直接使芯片產(chǎn)生裂紋；同時(shí)，吸頭在下降吸取芯片時(shí)的作用力將會(huì)把芯片砸碎。

為了驗(yàn)證不同頂針高度對(duì)引起的芯片破壞程度，本文使用美國生產(chǎn)的ESEC2007SSI型號(hào)粘片機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。將粘片機(jī)頂針最低調(diào)整高度為1mm，最高調(diào)整高度為2mm。為了在試驗(yàn)中取得明顯效果，分別將頂針高度調(diào)整到不同高度進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

為了在試驗(yàn)中取得明顯效果，分別將頂針高度調(diào)整到1mm、1.3mm及2mm進(jìn)行試驗(yàn)，樣品封裝后進(jìn)行耐焊接熱試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：錫爐溫度：280℃±3℃；浸錫時(shí)間：10S；焊錫成分：Sn/Ag/Cu=95：0.5：4.5。試驗(yàn)后用化學(xué)的方法去除塑封料芯片背面金屬，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 不同頂針高度試驗(yàn)情況

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該設(shè)備在頂針高度調(diào)整到1.6mm時(shí)，芯片背面出現(xiàn)明顯的頂針痕跡現(xiàn)象。

2 頂針規(guī)格與芯片尺寸不匹配

不同的頂針規(guī)格其頂端錐度不同，頂針規(guī)格既要滿足芯片尺寸的要求，也要能夠?qū)⑿酒瑥乃{(lán)膜上頂起。由于不同芯片尺寸在藍(lán)膜上的附著力不同，不同頂針錐度對(duì)較大尺寸的芯片將產(chǎn)生不同程度的頂針痕跡，甚至導(dǎo)致芯片裂紋。所以在芯片尺寸達(dá)到一定程度但又不能滿足采用多頂針的情況下，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采用錐度較小的頂針。

3 頂針數(shù)量與芯片尺寸不匹配

當(dāng)芯片尺寸大到一定程度后，芯片在藍(lán)膜上的附著力增大，采用單頂針時(shí)芯片被頂針向上頂擊位置受到的作用力與芯片受到藍(lán)膜的粘附力作用方向相反，不能很好的頂起芯片，容易造成芯片裂紋或頂針痕跡。

ESEC2007SSI型粘片機(jī)頂針底座可同時(shí)裝配17顆頂針，在實(shí)際生產(chǎn)中根據(jù)芯片面積選擇不同的頂針數(shù)量。為了驗(yàn)證單頂針和多頂針對(duì)芯片的影響，試驗(yàn)中選擇單頂針和4頂針進(jìn)行了不同的對(duì)比試驗(yàn)，將頂針高度調(diào)整到1.6mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 單頂針和四頂針實(shí)驗(yàn)結(jié)果

樣品封裝后采用相同的方法進(jìn)行耐焊接熱實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)后將樣品腐蝕，單頂針樣品中部分有頂針痕跡或者裂紋，采用四頂針后芯片完好無損。

4 頂針偏移芯片中心位置

根據(jù)筆者經(jīng)驗(yàn)，頂針偏移是造成TO-252封裝芯片裂紋的主要因素之一，頂針偏離芯片中心位置，頂起芯片后導(dǎo)致芯片傾斜，致使偏移的方向受到吸頭的作用力較大，整片芯片受力不均而產(chǎn)生裂紋。偏移距離較大時(shí)，而且會(huì)使芯片向偏移的對(duì)向產(chǎn)生位移，頂針在芯片背面留下劃痕和產(chǎn)生裂紋。

將芯片尺寸為2.85mm×2.2mm的打點(diǎn)片（參數(shù)不合格芯片）作為實(shí)驗(yàn)片，將頂針調(diào)整到離芯片一邊1.1mm，另一邊1.75mm，使其嚴(yán)重偏移中心位置。封裝后進(jìn)行相同條件下的耐焊接熱實(shí)驗(yàn)，解剖后發(fā)現(xiàn)一定比例樣品產(chǎn)生裂紋，并且裂紋位置與頂針位置相同。

5 頂針尖端斷裂

頂針斷裂后斷面局部非常鋒利，會(huì)造成嚴(yán)重的芯片背面損傷，或者直接導(dǎo)致芯片裂紋；在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中用一顆頂部斷裂的頂針裝配尺寸為2.85mm×2.2mm的20只芯片，經(jīng)在顯微鏡下檢查，有4只產(chǎn)生裂紋，其余芯片背面都有不同程度的損傷。

6 結(jié)束語

半導(dǎo)體器件芯片裂紋是致命缺陷，頂針使用不當(dāng)將會(huì)導(dǎo)致芯片產(chǎn)生裂紋或使芯片背面產(chǎn)生頂針痕跡，損傷的芯片在受到急劇溫度沖擊時(shí)由損傷部位產(chǎn)生裂紋，在引起的芯片裂紋具有其極大地隱蔽性，嚴(yán)重影響到產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。本文通過頂針引起的芯片裂紋進(jìn)行剖析，供同行參考。在生產(chǎn)中需合理使用和調(diào)整頂針，完善預(yù)防措施，不斷優(yōu)化粘片工藝，避免芯片裂紋產(chǎn)生。

[1]史保華，等.微電子器件可靠性.1999，4.

[2]鄧永孝.半導(dǎo)體器件失效分析.1989，12.

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1004-7344（2016）23-0316-01

2016-7-23