勿在測試過程中損壞纖薄器件

每個人都想有輕薄的移動設備，這也是新發(fā)布的iPhone 6比前幾代產品更薄的原因。更薄的設備要求人們開發(fā)出更先進的封裝技術。遺憾的是，傳統(tǒng)的環(huán)氧塑料封裝不足以構建這些特別薄的設備，因為其封裝占位面積比其內部容納的芯片要大近6倍。

這個問題可采用芯片級封裝(CSP)解決，即封裝與芯片本身大小相同。CSP封裝利用焊球直接附著到電路板上。遺憾的是，小尺寸的CSP封裝使得它們非常脆弱，在操作過程中很容易損壞。因此，半導體制造行業(yè)需要有新的方法來檢驗器件的質量，以便工程師理解故障，并且篩選掉故障器件。

薄在內部

蘋果的iPhone 6厚度是6.9mm，小于iPhone 5的7.6mm和iPhone 4S的9.3mm。因為電池和屏幕無法做得更薄，所以必須降低封裝和基板的厚度。這也正是轉移到CSP的驅動力。

市場調查公司Prismark 的Brandon Prior 指出，iPhone 5S是第一款在0.4mm間距上使用50μm線寬/線間距(L/S)和CSP的移動設備。據Prismark預測，到2018年有超過28%的CSP和WLCSP(晶圓級CSP)將達到0.4mm或以下。

Qualcomm公司封裝工程高級總監(jiān)Steve Bezuk在2014年“IMAPS器件封裝大會”上對封裝挑戰(zhàn)進行了闡述。他認為，雖然21世紀初期很少有封裝采用WLP，但這類封裝如今在IC封裝市場已占近一半份額。

CSP 基板做得越來越薄。SEMI 全球行業(yè)協會表示， 目前最前沿的CSP 基板采用15 μm 的線寬和線間距，而且正在向更小的線寬與間距發(fā)展， 因此它們可以處理≤ 110 μm 的精細凸點間距。SEMI 在其題為《Global Semiconductor Pack aging MaterialsOutlook 2013～2014》的報告中指出，基板制造商的2015年目標是5μm的線寬與線間距。他們還考慮在積層中使用40μm的過孔直徑。報告透露，所制造的核心層上的線寬與線間距為12μm，過孔最小為50μm，捕捉焊盤小至110μm。

上述情況和相關趨勢使得操作CSP的難度越來越大，在生產質量認證之前和過程中它們也更加容易損壞。一般來說，任何CSP可靠性認證過程都必須解決操作、來料和出貨質量控制(IQC/OQC)、插接和無偏置應力測試4個關鍵問題。

CSP暴露的硅材料是未經加工的，非常易碎，因此在操作期間很容易因應力裂縫而損壞。這種裂縫可能會形成不合格的硅片矩陣，并在認證過程中由于額外應力造成裂縫的擴大。這些因素加上其他不可知因素使得人們很難區(qū)分是認證有關的應力測試引起的CSP故障還是操作引起的CSP故障。在大批量生產移動設備時這個問題變得更具挑戰(zhàn)性。

在來料和出貨質量控制過程中定位裂縫的過程是很困難的，實現自動化的成本也很高。因此必須由經過適當培訓的技術人員通過目視檢查來完成。如何度量也是個問題，通常要求定制的規(guī)范指標來優(yōu)化篩選指定器件的效率。

無偏置應力測試在室內進行，包括預調節(jié)濕度敏感性、回流焊、高溫存儲(HTS)、溫度循環(huán)測試(TMCL)和高加速度應力測試(HAST)(圖1)。這些測試對于非CSP來說相對簡單，因為它們體積比較大，重量比較重，不容易碎。然而，如果CSP用相同的工藝，很容易造成器件損壞。解決這個問題要求在這些無偏置應力測試過程中選擇保護CSP的解決方案，包括使用載體和其他定制夾具，并提供有關如何使用它們的培訓。

圖1：溫度循環(huán)和高度加速應力測試需要在室內創(chuàng)造測試條件。

器件不僅必須通過無偏置應力測試，還必須通過有偏置測試，包括器件在加電和工作時的有偏置應力測試和有偏置可靠性認證測試。有偏置測試包括高溫工作壽命(HTOL)、高溫循環(huán)、早期失效率(EFR)和老化。在有偏置測試期間，器件通過放入一個插座中與電路板建立電氣連接，而不是將器件直接焊接到電路板上。這時要求使用插座，或在某些情況下專門設計的子板。測試范圍從高溫工作壽命測試到有偏置的其他測試，十分廣泛。這種方法可以確保在測試完成后方便地移除器件。但是，器件出入插座時要求不損壞器件也極具挑戰(zhàn)性。

應對這些挑戰(zhàn)的解決方案是組合使用專門的工藝、載體和其他定制夾具，用它們代替插座和子板(需要的話)，然后是覆蓋認證過程各個方面的操作人員培訓。

在開發(fā)專門的工藝時，應該實現100%的全方位目視檢查。這種檢查可以在開始應力測試之前篩選出損壞的器件?？梢蚤_發(fā)定制的全方位檢查規(guī)范，把重點放在如何測量尺寸以優(yōu)化篩選效率上。任何被忽略的器件都可能使整批產品失效，因此關鍵是在施加應力之前對器件進行篩選，以便使用有效的樣本數量。

為了開展有偏置的應力測試，應該在插座和越來越多專門設計的子板之間作出正確選擇，這要求在用插座和子板方法設計老化和HTOL/HAST電路板方面擁有豐富的經驗。對于器件不需要加電的無偏置應力測試，通常需要使用被稱為載體的定制夾具。

EAG公司在應力測試中使用了多種載體材料和結構用于保護CSP，包括帶蓋子的小籃或覆蓋器件的“大禮帽”，以便CSP不會被碰到、吹翻而受到影響和損壞(圖2)。材料對于保護CSP來說非常重要，因為載體也暴露在極端的環(huán)境條件下。另外，載體必須足夠大，以便CSP在插入或拔出時不會受損，但也不能太大，否則在里面因容易到處移動而破裂。每塊載體可以容納多達240個器件，對器件來說是唯一的，并且是針對合適尺寸的CSP進行了定制設計。

圖2：這種載體包含了覆蓋器件的“大禮帽”，可優(yōu)化操作時的保護。

操作人員培訓—包括如何正確地開展檢查需要尋找的缺陷類型，如何操作器件(如果需要的話)才能最大程度地減少損壞—非常重要。如果在有偏置的應力測試中要使用插座，還要求培訓操作人員和技術人員如何將CSP插入插座并安全地拔出來。如果有定制夾具，還需要培訓夾具的使用方法。凡是涉及CSP認證過程的任何人都需要培訓，最有價值的培訓通常是邊工作邊培訓。EAG通過相當多的反復試驗開發(fā)出了適合大多數情形的最佳操作方法，包括開發(fā)最有效率的篩選工藝、載體和其他部件。

最佳操作方法

EAG建立了許多很好的操作方法。雖然沒有完全一樣的兩個挑戰(zhàn)，但有許多重現的問題必須解決。

舉例來說，有一家面向移動設備的大型芯片供應商在應力測試中存在損壞問題。認證批量將在多步過程中的一個未知點失效。導致的延遲才是真正的問題，因為面臨著滿足具有特別短開發(fā)周期的行業(yè)中的壓力。

分析表明，問題發(fā)生在器件被切割和可能產生碰撞的組裝車間。由于不正確的操作，器件將產生裂縫。解決方案是對組裝車間的出廠器件進行檢查，包括100%的全方位目視檢查，它能發(fā)現組裝車間發(fā)生的問題根源。EAG隨后還會在客戶現場培訓操作人員，包括需要尋找的缺陷類型，并提供檢查指南。在完成這些步驟后，客戶就能在應力測試開始之前篩選出所有損壞的器件。

在另外一個例子中，一位制造消費電子設備用IC的客戶存在無偏置應力測試期間由于氣流設備效應引起的CSP裂縫和碎裂問題。雖然氣流非常小，但由于它們到處吹拂，導致近20%的待測器件損壞，使得整批篩選器件失效。EAG設計了一個定制的專利夾具，能夠安全地保護器件，從源頭上避免問題的發(fā)生。

小結

解決CSP認證挑戰(zhàn)要求擁有在種類廣泛的客戶和情形下解決許多復雜問題的經驗。最佳操作方法要求使用專門的工藝，正確地選擇插座、子板或定制夾具(包括用于帶偏置測試插座插入的專用載體)以及受過高級培訓的設備操作人員和檢查技師。采用正確的實現方法后，一個好的批量里應該有不到8%“落選”，確保在復雜的CSP認證過程中上游或下游的任何點都不會產生批量失效問題。