劉若冰,王 爽,陳 勤,喻松林,毛京湘,陳洪雷

(1.中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院,北京 100007；2.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015；3.昆明物理研究所,云南 昆明 650223；4.中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所,上海 200083)

1 引 言

紅外焦平面探測(cè)器制冷組件的質(zhì)量和可靠性對(duì)整個(gè)紅外成像系統(tǒng)的性能至關(guān)重要,也是目前制約其工程化應(yīng)用的主要因素。目前紅外焦平面探測(cè)器各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的可靠性試驗(yàn),主要是對(duì)最終組件進(jìn)行工作或貯存試驗(yàn),對(duì)工藝過(guò)程中的可靠性水平暫無(wú)規(guī)定。紅外焦平面探測(cè)器的質(zhì)量和可靠性與其制造過(guò)程密切相關(guān),對(duì)探測(cè)器的評(píng)價(jià)不僅是對(duì)封裝后組件的評(píng)價(jià),還應(yīng)結(jié)合工藝過(guò)程控制要求,解決質(zhì)量和可靠性隱患。

紅外焦平面探測(cè)器制冷組件的關(guān)鍵零部件包括焦平面芯片、杜瓦和制冷機(jī)/器,由于影響各個(gè)零部件可靠性的因素不同,難以對(duì)整體制冷組件直接進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。法國(guó)Sofradir公司首先建立了制冷組件的可靠性串聯(lián)模型,將制冷組件的可靠性考核分解到焦平面芯片、杜瓦和制冷機(jī)/器的考核中[1]。本文對(duì)焦平面芯片和杜瓦的失效模式及其對(duì)應(yīng)的可靠性試驗(yàn)方法進(jìn)行了分析研究,對(duì)目前標(biāo)準(zhǔn)中缺失的引線鍵合強(qiáng)度和芯片剪切強(qiáng)度考核,選取典型樣品進(jìn)行了摸底試驗(yàn),以探索目前產(chǎn)品制造工藝過(guò)程的質(zhì)量和可靠性水平,相關(guān)研究結(jié)果得到了紅外焦平面探測(cè)器相關(guān)生產(chǎn)和使用單位的認(rèn)可。

2 失效機(jī)理及考核試驗(yàn)分析

2.1 探測(cè)器芯片

紅外焦平面探測(cè)器混成芯片類似于半導(dǎo)體集成電路,所不同的是作為光電探測(cè)用的焦平面陣列芯片材料不是單晶硅,而是多樣化的紅外功能材料,包括以碲鎘汞為代表的合金半導(dǎo)體材料、以銻化銦為代表的化合物半導(dǎo)體材料等。對(duì)于探測(cè)器混成芯片來(lái)說(shuō),主要失效模式一方面是銦柱開(kāi)裂,導(dǎo)致銦柱互連結(jié)構(gòu)疲勞失效,盲元增加；另一方面是像元性能退化導(dǎo)致信號(hào)變小或噪聲增大,從而導(dǎo)致芯片失效。

2.1.1 銦柱互連疲勞失效

銦柱互連是實(shí)現(xiàn)焦平面陣列芯片與讀出電路芯片之間電連接的關(guān)鍵工藝,其失效是探測(cè)器芯片工作過(guò)程中的主要失效機(jī)理。由于紅外探測(cè)器芯片需要在80 K左右甚至更低的溫度下工作,每次工作都經(jīng)受室溫至低溫再至室溫的溫度沖擊。焦平面芯片材料和硅讀出電路芯片材料間存在較大的熱膨脹系數(shù)差異(常見(jiàn)的碲鎘汞芯片的熱膨脹系數(shù)約4.9×10-6K-1,硅讀出電路芯片的的熱膨脹系數(shù)約2.6×10-6K-1),大陣列芯片互連后,每次工作的溫度沖擊帶來(lái)的伸縮應(yīng)力很大,連接焦平面芯片和讀出電路芯片的銦柱會(huì)承受一個(gè)周期的剪切應(yīng)力,頻繁的高低溫沖擊會(huì)造成探測(cè)器盲元的增加乃至失效。

由此可見(jiàn)銦柱互連失效的敏感應(yīng)力主要是產(chǎn)品開(kāi)關(guān)機(jī)過(guò)程造成的溫度沖擊。 針對(duì)這一失效機(jī)理,相關(guān)通用規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了探測(cè)器組件的開(kāi)關(guān)機(jī)壽命試驗(yàn),或在生產(chǎn)工藝過(guò)程中對(duì)芯片進(jìn)行“室溫——液氮”溫度沖擊試驗(yàn),以模擬組件使用過(guò)程中的反復(fù)開(kāi)關(guān)機(jī)情況。

2.1.2 像元性能退化

焦平面芯片經(jīng)過(guò)較高溫度或較長(zhǎng)時(shí)間貯存后,像元性能有時(shí)會(huì)發(fā)生退化。像元性能退化與提高溫度有關(guān),一般認(rèn)為溫度越高,退化速度越快,為此可以利用提高溫度作為可靠性試驗(yàn)的加速應(yīng)力。對(duì)于探測(cè)器制冷組件來(lái)說(shuō),由于焦平面芯片需要在深低溫下工作,以提高溫度作為工作壽命試驗(yàn)的加速應(yīng)力無(wú)法執(zhí)行,故對(duì)于焦平面芯片一般以提高溫度作為貯存壽命試驗(yàn)的加速應(yīng)力進(jìn)行。但在焦平面混合芯片真空封裝進(jìn)杜瓦后,無(wú)法再對(duì)芯片單獨(dú)試驗(yàn),故針對(duì)此失效模式的可靠性考核方法,一般是隨杜瓦組件整體進(jìn)行高溫貯存試驗(yàn)。目前已有紅外焦平面探測(cè)器相關(guān)通用規(guī)范對(duì)高溫貯存壽命試驗(yàn)進(jìn)行了規(guī)定,高溫(70±3)℃,累計(jì)貯存時(shí)間1500 h。

2.2 杜瓦組件

紅外焦平面探測(cè)器杜瓦組件在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上,是由探測(cè)器混成芯片、低溫粘接膠、引線基板,以及金屬支撐結(jié)構(gòu)等組成的多層材料體系[2]。杜瓦內(nèi)部需要在一定的時(shí)間范圍內(nèi)維持必要的高真空,才能使制冷機(jī)通過(guò)冷頭將芯片冷卻到工作溫度,否則探測(cè)器混合芯片將無(wú)法正常工作。對(duì)于杜瓦組件來(lái)說(shuō),杜瓦真空失效、電學(xué)引線失效、探測(cè)器混成芯片粘接失效是主要失效模式。杜瓦組件的質(zhì)量和可靠性控制主要應(yīng)考慮真空保持時(shí)間、混成芯片對(duì)基座的粘接強(qiáng)度、引線焊接的牢固性等問(wèn)題。

2.2.1 真空失效

漏氣和零部件內(nèi)表面放氣是導(dǎo)致杜瓦真空度下降的主要失效機(jī)理[3]。根據(jù)近年行業(yè)積累的研制數(shù)據(jù),目前的工藝水平能保證杜瓦的總體漏率處于較小的水平(一般小于5×10-13He·atm·cc/s),在杜瓦結(jié)構(gòu)不發(fā)生物理破壞導(dǎo)致更大的漏氣情況下,杜瓦的漏率對(duì)真空壽命的影響較小,內(nèi)部表面放氣是真空失效的更主要原因[3]。

杜瓦內(nèi)部的探測(cè)器芯片及其他零部件在大氣環(huán)境下溶解、吸附了一些氣體,且在進(jìn)行焊接組裝前,需要用石油醚、丙酮、無(wú)水乙醇等有機(jī)溶劑進(jìn)行表面處理以去除機(jī)械加工過(guò)程中引入的污染,這些溶劑同樣被吸附于零部件表面。吸附氣體和殘余溶劑隨著時(shí)間的推移緩慢釋放,會(huì)使杜瓦真空度降低、熱耗增大,影響杜瓦的真空壽命。氣體放氣速率除了與材料、制造工藝、預(yù)處理有關(guān)外,環(huán)境溫度也是影響放氣速率的重要因素,溫度越高,放氣速率越大。對(duì)材料進(jìn)行真空、高溫烘烤除氣可使吸附氣體大量脫附。但由于探測(cè)器混成芯片的特性決定了組件排氣烘烤溫度不可能太高(通常不超過(guò)90 ℃),導(dǎo)致杜瓦組件在常溫貯存條件下仍然有不可忽略的放氣,這是影響杜瓦組件的真空壽命的主要因素[3]。貯存溫度越高,放氣率越大,組件的真空壽命明顯降低。因此可以利用提高貯存溫度作為加速應(yīng)力,來(lái)進(jìn)行杜瓦組件真空壽命加速試驗(yàn),故針對(duì)此失效模式的可靠性考核方法也是進(jìn)行高溫貯存試驗(yàn)。

2.2.2 引線鍵合失效

電學(xué)引線鍵合失效是指引線的焊接失效導(dǎo)致的電學(xué)連接失效。紅外焦平面探測(cè)器混成芯片由焦平面芯片和讀出電路芯片互連組成,一般產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中,焦平面芯片位于頂層,硅讀出電路芯片位于下方,讀出電路芯片的外邊框比焦平面芯片略大一圈,整個(gè)混成芯片的電學(xué)接口是通過(guò)位于讀出電路芯片上的引線焊接輸出的。焦平面探測(cè)器混成芯片通過(guò)低溫膠粘在基板上,基板再粘在杜瓦冷指上?；搴投磐咭€環(huán)通過(guò)引線鍵合,引線環(huán)再與外圍圖像處理電路相連,從而將探測(cè)器芯片輸出的電學(xué)信號(hào)輸出到外部。

以上引線焊接一般采用超聲焊接,超聲焊接本身屬于損傷焊接,焊接工藝過(guò)程對(duì)基底材料和焊接引線材料都會(huì)造成一定損傷。探測(cè)器杜瓦組件在運(yùn)輸、工作時(shí),振動(dòng)、沖擊等力學(xué)環(huán)境下鍵合引線斷裂、焊點(diǎn)脫鍵以及虛焊等是電學(xué)引線失效的主要失效機(jī)理。

針對(duì)這一失效機(jī)理,在生產(chǎn)工藝過(guò)程中應(yīng)對(duì)引線鍵合強(qiáng)度進(jìn)行直接測(cè)試,以評(píng)估工藝的可靠性。紅外焦平面探測(cè)器組件廠商已開(kāi)展引線鍵合強(qiáng)度測(cè)試等相關(guān)研究,積累了較豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù),但尚未形成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),因此目前紅外焦平面探測(cè)器相關(guān)通用規(guī)范或試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中暫無(wú)該試驗(yàn)的相關(guān)要求。

2.2.3 芯片粘接失效

紅外焦平面探測(cè)器混成芯片通過(guò)低溫膠粘在基板上,基板再粘在杜瓦冷頭上。探測(cè)器組件貯存時(shí),在熱環(huán)境下基板與芯片熱失配導(dǎo)致粘接膠疲勞劣化是粘接失效的主要失效機(jī)理,尤其是探測(cè)器芯片工作需在液氮溫度下進(jìn)行,粘接劑也會(huì)隨著芯片工作開(kāi)關(guān)機(jī),不斷經(jīng)歷室溫和液氮溫度的沖擊,會(huì)對(duì)其牢固性造成影響。同時(shí)探測(cè)器在運(yùn)輸和工作中強(qiáng)振動(dòng)和沖擊也有可能導(dǎo)致粘接失效。

目前相關(guān)通用規(guī)范或試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中暫無(wú)關(guān)于紅外焦平面探測(cè)器芯片剪切強(qiáng)度試驗(yàn)的相關(guān)要求,紅外探測(cè)器主要廠商對(duì)于芯片粘接強(qiáng)度一般不進(jìn)行直接考核,多是通過(guò)間接驗(yàn)證的方式,如對(duì)粘接劑的粘接強(qiáng)度進(jìn)行工藝驗(yàn)證,對(duì)粘接劑進(jìn)行室溫和液氮下的溫度沖擊試驗(yàn),或?qū)M件成品進(jìn)行振動(dòng)等機(jī)械試驗(yàn)。

3 引線鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)研究

3.1 引線結(jié)構(gòu)與鍵合工藝特點(diǎn)

引線鍵合作為紅外焦平面探測(cè)器可靠性封裝技術(shù)基礎(chǔ)之一,是紅外焦平面探測(cè)器組件化、實(shí)用化及工程化的關(guān)鍵工藝,隨著焦平面陣列輸入/輸出密度不斷加大,速度不斷加快,焦平面探測(cè)器引線鍵合的難度也越來(lái)越大,且易出現(xiàn)失效問(wèn)題。探測(cè)器芯片和杜瓦內(nèi)部結(jié)構(gòu)引線鍵合涉及兩個(gè)部位,其一是讀出電路芯片—基板鍵合(內(nèi)引線),其二是基板—引線環(huán)鍵合(外引線),如圖1所示。

圖1 探測(cè)器內(nèi)部引線鍵合結(jié)構(gòu)示意圖

引線鍵合工藝有熱壓鍵合、超聲鍵合和熱超聲鍵合三種工藝。對(duì)于焦平面探測(cè)器來(lái)說(shuō),由于受封裝材料和工序溫升的限制,一般采用超聲鍵合工藝。超聲鍵合工藝一般有球焊和楔焊兩種形式,球焊鍵合速度快,對(duì)焊盤沖擊作用小,楔焊能夠?qū)崿F(xiàn)超細(xì)間距鍵合,對(duì)表面污染物不敏感,但操作較為復(fù)雜[4]。目前紅外焦平面探測(cè)器球焊和楔焊兩種形式都有廣泛采用,根據(jù)焊接特點(diǎn),一般內(nèi)引線較多采用楔焊,外引線較多采用球焊,示意圖如圖2所示。

(a)超聲球焊

(b)超聲楔焊

目前國(guó)內(nèi)主流紅外焦平面探測(cè)器制冷組件使用的鍵合絲主要由金絲、硅鋁絲、鉑銥絲等貴/賤金屬?gòu)?fù)合絲材組成,鍵合絲直徑為25 μm或50 μm,焊盤材質(zhì)主要為鋁或金。

硅鋁絲鍵合成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)、工藝簡(jiǎn)單,在引線互連中應(yīng)用廣泛。鋁絲的電導(dǎo)和熱導(dǎo)性能良好,抗蝕能力強(qiáng),能與芯片的金屬層形成良好的結(jié)合且穩(wěn)定性強(qiáng)。但鋁在高溫下容易氧化,而所形成的氧化膜在引線鍵合過(guò)程中會(huì)對(duì)焊點(diǎn)的成形產(chǎn)生很大的影響,從而降低產(chǎn)品的質(zhì)量；另外,與金相比鋁的機(jī)械性能較差,拉伸強(qiáng)度低,易在鍵合處產(chǎn)生疲勞斷裂,耐熱性較低,生產(chǎn)工藝中容易產(chǎn)生引線下垂等失效[5]。目前鋁絲鍵合以楔形鍵合為主。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)目前使用硅鋁絲進(jìn)行鍵合的紅外焦平面探測(cè)器多為星載等航天用產(chǎn)品,其工作的環(huán)境溫度相對(duì)穩(wěn)定,使用硅鋁絲能夠滿足器件的可靠性需求。

金絲鍵合材料的強(qiáng)度、延伸率較高,工藝穩(wěn)定性好,能更好的抵抗封裝沖擊力和封裝材料熱膨脹力,但金絲制作成本較高,且和鋁化學(xué)親和力較強(qiáng),當(dāng)金線與鋁焊盤的鍵合界面處于高溫環(huán)境下時(shí),易產(chǎn)生金屬間化合物,導(dǎo)致鍵合界面形成較大應(yīng)力而開(kāi)裂,或在鍵合界面形成柯肯德?tīng)柨锥匆约傲芽p,影響鍵合強(qiáng)度,降低可靠性。此外,金絲耐熱性較低,而金的再結(jié)晶溫度較低(150 ℃),也會(huì)導(dǎo)致高溫環(huán)境下產(chǎn)品可靠性降低[5]。

對(duì)于焦平面探測(cè)器來(lái)說(shuō),為了獲得可以接受的制冷時(shí)間,必須相應(yīng)地降低熱容量。因此焦平面探測(cè)器的引線選用除了確保連接的可鍵合性和可靠性外,還要兼顧考慮引線熱負(fù)載的要求[4]。

除金絲和硅鋁絲外,很多紅外焦平面探測(cè)器芯片的外引線選擇使用鉑銥絲,這主要是由于鉑銥絲不僅抗拉強(qiáng)度大,而且相對(duì)于金絲來(lái)說(shuō)承載的電流小,導(dǎo)熱系數(shù)小,可以減小基板和杜瓦引線環(huán)之間的漏熱,從而降低給制冷機(jī)帶來(lái)的熱負(fù)載,提高制冷機(jī)的工作效率。由于探測(cè)器芯片內(nèi)引線位于真空杜瓦內(nèi)部,不涉及漏熱問(wèn)題,故內(nèi)引線一般無(wú)需使用鉑銥絲。

3.2 試驗(yàn)研究

3.2.1 試驗(yàn)方法與合格判據(jù)

目前紅外焦平面探測(cè)器相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中暫無(wú)對(duì)于引線鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)方法的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。主要廠商在內(nèi)部評(píng)估引線鍵合強(qiáng)度時(shí),主要參照微電子器件試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)中鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行。

該試驗(yàn)方法中給出了幾種常用引線成份和直徑的鍵合絲的最小鍵合強(qiáng)度判據(jù),但其中并無(wú)鉑銥絲的判據(jù),目前國(guó)內(nèi)主流生產(chǎn)廠商對(duì)于25 μm鉑銥絲的鍵合強(qiáng)度判據(jù)一般根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)值規(guī)定,范圍約15～17 gf。幾種常見(jiàn)鍵合絲的材料及其力學(xué)性能,歸納如表 1所示,從表1中可以看出,鉑銥絲的延伸率最大,且其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)大于金絲、硅鋁絲,可達(dá)金絲的4倍～5倍。通過(guò)對(duì)比鉑銥絲與金絲和硅鋁絲的抗拉強(qiáng)度倍數(shù)關(guān)系(約4～5倍),依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中給出的金絲和硅鋁絲最小鍵合強(qiáng)度判據(jù)(25 μm金絲為3.0 gf,25 μm硅鋁絲為2.5 gf),同比換算得到25 μm鉑銥絲最小鍵合強(qiáng)度判據(jù)約為12.5～15 gf,結(jié)合目前生產(chǎn)廠商內(nèi)控的判據(jù)水平,初步將25 μm鉑銥絲最小鍵合強(qiáng)度判據(jù)明確為15 gf。

表1 鍵合材料抗拉強(qiáng)度及延伸率

本研究選取了來(lái)自不同廠商的23只紅外焦平面探測(cè)器制冷組件樣品,按照以上方法對(duì)引線鍵合強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)。部分樣品為帶基板的焦平面探測(cè)器芯片,只包含內(nèi)引線,部分樣品為帶杜瓦外殼和引線環(huán)的杜瓦組件,既包含內(nèi)引線又包含外引線,全部樣品照片如圖3所示。本次試驗(yàn)對(duì)其中23只樣品進(jìn)行了內(nèi)引線的鍵合強(qiáng)度試驗(yàn),對(duì)其中7只樣品進(jìn)行了外引線鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)。

圖3 引線鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)樣品照片

3.2.2 25 μm金絲楔焊內(nèi)引線

共12只樣品進(jìn)行了試驗(yàn),每只樣品焊盤材料相同,讀出電路焊盤為鋁,基板焊盤材料為金。試驗(yàn)中對(duì)每只樣品隨機(jī)選取15根鍵合絲,根據(jù)GJB548B的判據(jù),最小鍵合強(qiáng)度合格判據(jù)3.0 g。

對(duì)2a、2b和2c樣品進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖4所示,不同樣品間的數(shù)據(jù)差異較大。理想情況下,同一生產(chǎn)單位同一時(shí)期同一型號(hào)產(chǎn)品的鍵合強(qiáng)度數(shù)據(jù)應(yīng)近似服從正態(tài)分布,從圖中可以看出,2a、2b和2c樣品統(tǒng)計(jì)分析后,出現(xiàn)了多個(gè)鍵合強(qiáng)度頻數(shù)較大的力值,分布較為離散,且數(shù)據(jù)分布范圍較大、不夠集中,表明工藝一致性較差,不同樣品之間存在差異較大,因此工藝穩(wěn)定性有待提高。

圖4 2a、2b、2c樣品鍵合強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布情況

3.2.3 50 μm金絲球焊內(nèi)引線

選取1只探測(cè)器樣品進(jìn)行了試驗(yàn),讀出電路焊盤為鋁,基板焊盤材料為金。對(duì)樣品隨機(jī)選取15根鍵合絲進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)GJB 548B的判據(jù),最小鍵合強(qiáng)度合格判據(jù)7.6 gf。試驗(yàn)結(jié)果有一根絲不合格,斷裂模式為芯片上的鍵合脫落,考慮鍵合界面形成金鋁化合物導(dǎo)致鍵合力較弱,即在溫度應(yīng)力下,界面由于Au、Al相互擴(kuò)散,產(chǎn)生了界面金屬間化合物(IMC),隨著溫度的升高和鍵合時(shí)間的增加,IMC層厚度增加,從而使接觸電阻增加,鍵合強(qiáng)度下降。金鋁鍵合是行業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的一個(gè)可靠性問(wèn)題,目前,對(duì)于功率器件普遍要求對(duì)產(chǎn)品金鋁鍵合的可靠性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

該樣品的鍵合絲斷裂模式大部分為非芯片上的鍵合脫落,即金鍵合絲和基板上的焊盤界面脫鍵,基板上的焊盤材質(zhì)也為Au。出現(xiàn)這種情況的原因可能有:①基板上焊盤的Au層較厚,在鍵合時(shí),鍵合力度不夠,未把焊盤上的金打穿,即未形成Au-Ni鍵合；②50 μm金絲本身的強(qiáng)度大于基板上的金金鍵合強(qiáng)度。

3.2.4 50 μm硅鋁絲楔焊內(nèi)引線

選取5只樣品進(jìn)行試驗(yàn),每只樣品焊盤材料相同,讀出電路焊盤為鋁,基板焊盤材料為金。

每只樣品根據(jù)引線數(shù)不同分別進(jìn)行試驗(yàn),最小鍵合強(qiáng)度合格判據(jù)5.4 gf。試驗(yàn)結(jié)果4只樣品合格,1只樣品不合格。鍵合絲的大部分?jǐn)嗔涯Ｊ街饕獮樵陬i縮點(diǎn)處引線斷開(kāi),頸縮點(diǎn)為一根鍵合絲的應(yīng)力集中點(diǎn),一般為發(fā)生鍵合絲斷裂的主要位置,可見(jiàn)硅鋁絲自身的抗拉強(qiáng)度對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響較大。其次,有少部分鍵合絲的斷裂模式為非芯片上的鍵合脫落,考慮為硅鋁絲和基板焊盤的鍵合強(qiáng)度較弱,基板焊盤材料為金,因此也考慮形成的金鋁IMC層對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響。

對(duì)某一合格的典型樣品14的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如圖5所示,橫坐標(biāo)為鍵合力(單位gf),縱坐標(biāo)為頻數(shù),可以看出,50 μm硅鋁絲的鍵合強(qiáng)度在17 gf(均值)處呈近似正態(tài)分布,數(shù)據(jù)一致性較好,說(shuō)明該工藝的一致性和穩(wěn)定性較好。

圖6、圖7分別為芯片上的鍵合脫落和基板上的鍵合脫落顯微鏡下形貌,從圖中可以看出芯片和基板上的分離界面較為粗糙,仍有部分鍵合材料殘留,鍵合界面存在著一定的鍵合力,且鍵合強(qiáng)度滿足判據(jù)要求。

圖5 樣品14鍵合強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布情況

圖6 樣品14芯片上的鍵合脫落顯微鏡下形貌

圖7 樣品14基板上的鍵合脫落顯微鏡下形貌

不合格的樣品15有9根鍵合絲測(cè)試結(jié)果不合格,斷裂模式均為非芯片上的鍵合脫落,考慮鍵合絲材質(zhì)為Al,基板焊盤材料為金,可能存在影響鍵合強(qiáng)度的IMC層,從而導(dǎo)致鍵合失效。其他合格數(shù)據(jù)的鍵合絲斷裂模式也均為非芯片上的鍵合脫落,且鍵合數(shù)據(jù)僅比判據(jù)大一些,考慮該樣品可能經(jīng)歷過(guò)高溫或者長(zhǎng)期貯存,使得金鋁鍵合強(qiáng)度大幅下降。圖8為樣品15基板上的鍵合脫落顯微鏡下形貌,從圖中可以看出芯片和基板上的分離界面較為光潔、鍵合材料殘留較少,說(shuō)明該樣品整體鍵合強(qiáng)度偏低。

圖8 樣品15基板上的鍵合脫落顯微鏡下形貌

3.2.5 25 μm鉑銥絲球焊外引線

共4只紅外焦平面探測(cè)器樣品進(jìn)行了試驗(yàn),每只樣品焊盤材料相同,基板和引線環(huán)焊盤均為金。

每只樣品根據(jù)引線數(shù)不同分別進(jìn)行試驗(yàn),最小鍵合強(qiáng)度合格判據(jù)為15.0 gf。試驗(yàn)結(jié)果3只樣品試驗(yàn)合格,1只樣品9號(hào)不合格。不合格樣品的斷裂模式大多為非芯片上的鍵合脫落,與其他三只樣品不同,考慮鍵合工藝的影響因素較大。

圖9為25 μm鉑銥絲超聲球焊鍵合脫落顯微鏡下形貌,大部分鉑銥鍵合絲的斷裂模式為在頸縮點(diǎn)處引線斷開(kāi),可見(jiàn)鉑銥絲自身的抗拉強(qiáng)度對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響較大,其次考慮鉑銥絲和基板焊盤的金層間的鍵合強(qiáng)度。對(duì)合格樣品10號(hào)樣品測(cè)試結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖10所示,可以看出,25 μm鉑銥絲的鍵合強(qiáng)度近似符合正態(tài)分布,三只合格樣品10～12號(hào)樣品統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果如圖11所示,可見(jiàn),不同樣品的鍵合強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布較為離散,一致性較差。

圖9 25 μm鉑銥絲鍵合脫落顯微鏡下形貌

圖10 樣品10鍵合強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布情況

圖11 樣品10、樣品11、樣品12鍵合強(qiáng)度數(shù)據(jù)分布情況

綜上所述,除個(gè)別樣品存在金鋁鍵合界面、鉑銥鍵合絲和金焊盤之間的鍵合界面因環(huán)境等因素影響,產(chǎn)生退化,導(dǎo)致界面結(jié)合強(qiáng)度降低,從而影響鍵合強(qiáng)度的情況之外,大部分產(chǎn)品的鍵合強(qiáng)度是滿足試驗(yàn)方法及判據(jù)要求的,證明了主要生產(chǎn)單位的可靠性滿足要求。但從數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果上看,部分產(chǎn)品的鍵合強(qiáng)度工藝一致性較差,這在對(duì)比同一生產(chǎn)單位同一型號(hào)不同批次數(shù)據(jù)時(shí),尤為明顯,批次產(chǎn)品的工藝水平一致性代表了生產(chǎn)線的長(zhǎng)期維持穩(wěn)定的能力,研制單位應(yīng)注重工藝過(guò)程控制,提高產(chǎn)品工藝一致性,從而提高可靠性。

4 芯片剪切強(qiáng)度試驗(yàn)方法研究

4.1 試驗(yàn)方法與合格判據(jù)

芯片剪切強(qiáng)度是半導(dǎo)體器件破壞性物理分析試驗(yàn)的一部分,目的是確定半導(dǎo)體芯片與安裝的管座或其他基板連接的牢固性,主要考核附著材料的性能,是否能把芯片牢固安裝在管座或其他基板上。本試驗(yàn)從使用的角度上講是為了評(píng)價(jià)半導(dǎo)體芯片的粘接強(qiáng)度能否滿足使用過(guò)程中環(huán)境應(yīng)力的要求,如航天器在發(fā)射、回收過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)應(yīng)力、沖擊應(yīng)力、離心力或加速度都會(huì)對(duì)芯片的粘接產(chǎn)生影響[6],對(duì)探測(cè)器制冷組來(lái)說(shuō),還包含了在工作和貯存時(shí)高低溫度沖擊作用下對(duì)粘接膠性能的影響。

紅外焦平面探測(cè)器芯片在杜瓦中的固定方式是通過(guò)粘接劑粘在基板上,基板一般多用陶瓷或玻璃,芯片牢固得粘接在基板上是保證探測(cè)器組件正常工作的必要條件。由于芯片工作時(shí)杜瓦內(nèi)的溫度一般低至80K甚至更低,粘接劑多使用特殊的低溫膠,其在高低溫沖擊和機(jī)械環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性對(duì)探測(cè)器組件正常工作至關(guān)重要,如果芯片粘接不牢在使用中脫落,就會(huì)造成探測(cè)器組件的致命性失效[6]。

目前主要的紅外焦平面探測(cè)器組件廠商一般不直接對(duì)探測(cè)器芯片進(jìn)行芯片剪切強(qiáng)度試驗(yàn),而是通過(guò)間接驗(yàn)證的方式確定芯片和基板連接的牢固性,一般會(huì)對(duì)粘接劑的粘接強(qiáng)度進(jìn)行工藝驗(yàn)證,對(duì)每批次產(chǎn)品抽樣進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)(如液氮沖擊、烘箱高溫烘烤)等。對(duì)粘接劑進(jìn)行溫度沖擊試驗(yàn)的溫度下限達(dá)到一般探測(cè)器芯片的工作溫度,即組件工作時(shí)杜瓦腔體內(nèi)的溫度,溫度上限覆蓋任務(wù)剖面,以此來(lái)覆蓋探測(cè)器組件在貯存和工作時(shí)低溫環(huán)氧膠可能經(jīng)歷的溫度沖擊范圍。

鑒于目前行業(yè)內(nèi)均未對(duì)探測(cè)器芯片直接進(jìn)行剪切強(qiáng)度試驗(yàn),針對(duì)紅外焦平面探測(cè)器芯片和低溫膠的特殊性,為了摸底目前國(guó)內(nèi)芯片和基板粘接工藝的強(qiáng)度水平,開(kāi)展了芯片粘接強(qiáng)度試驗(yàn)的研究。本試驗(yàn)參考MIL-STD-883的試驗(yàn)方法和判據(jù),結(jié)合紅外焦平面探測(cè)器組件使用的低溫膠材料特性,將失效判據(jù)定為:

(a)達(dá)不到圖12中1.0倍曲線所表示的剪切強(qiáng)度要求；

(b)發(fā)生分離的力大于圖12中表示的最小強(qiáng)度(1.0倍力)曲線所對(duì)應(yīng)的力,但是小于圖12中2倍力曲線所對(duì)應(yīng)的力,同時(shí)殘留粘接材料面積小于附著區(qū)面積的75%。

圖12 微電子器件芯片剪切強(qiáng)度判據(jù)

分離模式分離模式劃分A、B、C三種:分離模式A為芯片被剪切掉,底座上殘留有硅碎片；分離模式B為芯片與芯片附著材料間脫離；分離模式C為芯片與芯片附著材料一起脫離底座。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由于紅外焦平面探測(cè)器芯片和杜瓦組件尺寸較大,且多為定制,外形不統(tǒng)一,很多樣品無(wú)合適夾具固定,故試驗(yàn)樣品選取難度較大,本試驗(yàn)選取來(lái)自國(guó)內(nèi)不同廠商的8只樣品進(jìn)行芯片剪切強(qiáng)度摸底試驗(yàn)。部分樣品為帶基板的焦平面探測(cè)器芯片,部分樣品為帶杜瓦的杜瓦組件。樣品的試驗(yàn)結(jié)果匯總?cè)绫?2所示,樣品及試驗(yàn)結(jié)果圖片如圖13～20所示。

圖13 1號(hào)樣品及試驗(yàn)結(jié)果

圖14 2C號(hào)樣品及試驗(yàn)結(jié)果

表2 芯片剪切強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖15 5號(hào)樣品及試驗(yàn)結(jié)果

圖16 6號(hào)樣品及試驗(yàn)結(jié)果

圖17 7號(hào)樣品及試驗(yàn)結(jié)果

圖18 8號(hào)樣品及試驗(yàn)結(jié)果

圖19 9號(hào)和11號(hào)樣品及試驗(yàn)結(jié)果(冷指變形)

圖20 13號(hào)樣品及試驗(yàn)結(jié)果

相對(duì)于集成電路芯片來(lái)說(shuō),紅外焦平面探測(cè)器芯片的面積一般較大,隨著線陣和面陣規(guī)模的不斷擴(kuò)大,芯片面積也變得更大,從表2可以看出,最小的面陣規(guī)模128×128陣列的探測(cè)器芯片面積也達(dá)到30 mm2以上。按照?qǐng)D12給出的剪切強(qiáng)度判據(jù),若附著區(qū)面積大于4.13 mm2,被試件承受的最小作用力應(yīng)為24.5 N或其倍數(shù)(2倍力為49 N),全部樣品的附著區(qū)面積均遠(yuǎn)大于4.13 mm2,則合格判據(jù)均為1倍力24.5 N,2倍力49 N。從表2可以看出,全部試驗(yàn)樣品芯片被剪切掉或結(jié)果被破壞時(shí)的剪切力均遠(yuǎn)高于49 N(最低92 N,最高910 N),充分證明了該工藝的粘接牢固性。

對(duì)分離模式進(jìn)行破壞機(jī)理分析,芯片內(nèi)聚破壞的情況比較多,芯片內(nèi)聚破壞是芯片剪切試驗(yàn)時(shí),分離發(fā)生在芯片內(nèi)部,造成芯片破碎或破裂。出現(xiàn)這種破壞現(xiàn)象時(shí),剪切力一般比較大,是比較希望出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象,造成這種分離模式出現(xiàn)的原因,一般是附著材料粘接強(qiáng)度比較大,芯片脆性較大。

5 小 結(jié)

引線鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)和芯片剪切強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)于評(píng)價(jià)紅外焦平面探測(cè)器組件可靠性及其工藝控制水平有著重要的意義。本文基于已發(fā)布的相關(guān)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn),充分結(jié)合紅外焦平面探測(cè)器組件的具體工藝結(jié)構(gòu)、材料特性,對(duì)試驗(yàn)方法進(jìn)行優(yōu)化,并選擇典型產(chǎn)品開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證,從驗(yàn)證結(jié)果上看,形成的引線和剪切強(qiáng)度可靠性試驗(yàn)方法可以滿足我國(guó)紅外焦平面探測(cè)器組件的可靠性評(píng)價(jià)需求。此外,從驗(yàn)證數(shù)據(jù)上看,國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的封裝可靠性水平較高,但在質(zhì)量一致性水平方面有待進(jìn)一步提升。