军用裸芯片KGD筛选方法探讨

虞勇坚，吕 栋，邹巧云，冯 佳，陆 坚

（中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214035）

1 引言

军用SIP、MCM、混合IC等先进封装产品对裸芯片的需求日益增大，选用通过可靠性筛选后的KGD（Known Good Die）是确保最终产品成品率和可靠性的有效保障。在裸芯片的标准制定和选用方面国外起步较早，美国、日本和欧洲在上世纪90年代即已开始颁布和实施相关标准，其中有美国电子工业协会（EIA）于1996发布的JEDEC标准EIA/JESD49 KGD采购标准[1]，后于2009年作了修订[2]；日本电子工业协会（EIAJ）在1999年发布了EIAJEDR-4703裸芯片质量保证指南[3]；欧洲于2000年颁布了ES59008半导体芯片数据要求[4]；2005年国际电工委员会颁布了IEC62258半导体芯片标准[5]。在国外的这些标准中，对裸芯片质量和可靠性保证提出了指导性规范，并在裸芯片KGD筛选的设备方面已有较为成熟的产品。

国内目前有一些科研院所特别是军工和航天院所在开展军用裸芯片的KGD技术研究[6-7]，并取得了一定的突破，但在参考标准方面，现行标准中除GJB2438A-2002《混合集成电路通用规范》[8]、GJB 548B-2005《微电子试验方法和程序》[9]和GJB597B-2012《半导体集成电路通用规范》[10]中对裸芯片有一些相对简单的评价要求外，还没有形成专用的裸芯片选用标准。

本文基于现有的国内外标准、本单位具备的检测设备和净化检验环境，针对KGD获取方式中的分立裸芯片，通过对单个芯片进行临时夹具的装载/卸载，开展了电老炼和测试研究工作，建立了一套适合裸芯片的KGD筛选流程、方法和筛选环境控制方法。

2 裸芯片KGD筛选方法

当不具备在整片晶圆上进行筛选的条件时，可直接对切割后的分立裸芯片进行筛选，同样可以获得满足质量和可靠性要求的KGD，本文将主要探讨建立分立裸芯片的KGD筛选方法。

2.1 筛选方法

国内各家研究单位在军用KGD的裸芯片筛选方面虽有一定研究基础，但由于尚未形成统一的标准，大都参照GJB548B-2005《微电子试验方法和程序》开展相应的研究和试验工作[6-7]。本文基于现有的电测试、老炼设备和净化检验环境，提出了适合作为分立裸芯片的KGD筛选方法，筛选方法主要包括镜检→高温贮存→常温电测试→电老炼→三温电测试→出货镜检等步骤，其中测试和电老炼过程需要定制专用裸芯片夹具，分立裸芯片的KGD筛选流程见图1。

图1 分立裸芯片的KGD筛选流程图

2.2 镜检

原则上，必须对来料的所有裸芯片进行100%镜检，参照标准以GJB548B-2005方法2010.1内部目检（单片）为基础，但在划片和芯片缺陷、金属化层缺陷、扩散和钝化层缺陷、玻璃钝化层缺陷等方面应加强检验，排除存在缺陷的裸芯片，当不合格品数量≥10%的整批裸芯片数目时应按照批次不合格处理。图2为典型的划片缺陷和表面划伤引起的钝化层、金属层损伤缺陷。

图2 典型的划片缺陷和表面缺陷

2.3 测试

裸芯片的形态特殊性决定了测试时需要设计可临时加载裸芯片的专用夹具，通过定制的专用夹具来实现裸芯片与测试板卡之间的电气连接，见图3。同时考虑到高低温测试和电老炼需求，夹具需要采用耐高低温的材料制造。

图3 专用裸芯片KGD筛选夹具

由于夹具直接对裸芯片进行接触和操作，是引起裸芯片表面沾污和损伤的主要途径。通过采用合适的夹具结构设计、探针角度和力度调整、夹具清理和清洗、恰当的裸芯片装卸工具、环境洁净度控制等方法，可最大限度降低裸芯片在KGD筛选过程中受到的损伤和沾污。

裸芯片KGD筛选过程中的三温（常温、高温和低温）电参数测试，可参照封装成品电路的详细规范进行，测试过程采用特殊的高温和低温实现方式。

2.4 电老炼

分立裸芯片的电老炼过程同样采用定制、可临时加载和重复使用的专用夹具，利用夹具充当裸芯片与老化板之间的老炼插座，夹具需要可以承受长时间的高温工作，并能够实现重复使用，利于降低筛选成本。

裸芯片电老炼实施方法参照封装成品电路详细规范中的要求设计线路原理图，包含温度应力、电应力以及必要的动态工作激励信号以及状态监测等要求，为了防止裸芯片在老炼过程中发生沾污和高温氧化，推荐在专用充氮动态老化箱中实施电老炼试验。

2.5 晶圆批验收

针对符合抽样要求的分立裸芯片，可以参照GJB548-2005《微电子试验方法和程序》方法5007.1晶圆批验收，从芯片制造工艺参数的角度评价裸芯片的工艺质量。

3 筛选过程中的环境控制

由于裸芯片缺乏有效的封装防护，因此从来样到出货的整个过程中需要对所涉及的操作过程、检验环境、测试环境和保存环境进行管控，除图4所示的洁净度控制外[11]，还包括静电防护、氮气保护和温湿度控制。

图4 筛选过程的洁净度控制要求示意图

裸芯片缺乏封装保护，根据筛选环节的不同，应注意选择具备不同洁净度控制的环境，裸芯片装载和卸载应选择在至少千级净化环境中进行，并在筛选过程中尽可能减少裸芯片表面和其他材料的直接接触，避免沾污。

裸芯片在运输、传递、检验、测试、装载、夹取、包装等过程中需要全程做好防静电保护，操作人员需穿戴防静电服装、口罩、静电腕带和指套，操作区配备离子风机。

裸芯片在高低温测试时需要做好气体保护，在充氮环境中进行电老炼。

测试区域需要严格控制温湿度，有利于静电防护和测试参数的一致性。

4 可靠性验证

从完成KGD筛选后的裸芯片中挑选出3只进行可靠性验证。在进行可靠性验证前，对插座内探针在裸芯片PAD上留下的针痕进行了比较，可见针痕引起的铝层面积损伤明显小于PAD有效面积的25%，且未暴露下层介质和金属，见图5。

图5 夹具内探针针痕的前后比对

开展可靠性验证项目和结果如表1所示。

表1 可靠性验证项目和验证结果

通过目检，采用专用夹具进行测试的裸芯片表面符合GJB548B方法2010.1 B级要求，目检合格，符合使用要求；通过能谱分析，在KGD筛选后，键合区测试点针痕深的地方Si含量相对较高；通过键合试验，由于探针测试点面积相对较小，没有影响键合区的键合拉力。

5 晶圆级KGD筛选

除了可通过分立裸芯片的筛选获取KGD外，也可对完整晶圆进行晶圆级KGD筛选来实现。

晶圆级KGD筛选是直接在晶圆上对各个芯片（Die）进行三温测试。测试过程中，将载片台设定到合适的温度，通过平台步进将探针卡加载电信号到每个芯片对应的PAD上，从而实现三温下的电参数和功能测试。

测试必须在充氮环境中进行，并要求载片台（真空吸盘）具有高低温设定能力。

若需要对晶圆进行三温测试，则需要分常温、高温和低温三次对每一个芯片（Die）进行测试，这将在PAD上留下三次探针针痕，后续需要对切割后的裸芯片进行可靠性验证。

国外在晶圆级老炼技术方面较为成熟，采用RDL重布线技术将晶圆上所有芯片的同功能端口引出到晶圆的周边，通过专用晶圆夹具将电信号加载到晶圆周边的RDL引出端口上，在充氮高温箱内对晶圆上所有芯片（Die）同步进行电老炼，由设备监控并记录每一个芯片（Die）的状态。

6 结论

本文基于现有的国内外标准，在本单位具备的检测设备和检验环境的基础上，针对军用KGD获取方式中的分立形态裸芯片，通过对单个芯片进行可重复使用的临时夹具装载和卸载，开展了包括裸芯片的镜检、电老炼和三温电测试的方法研究，建立一套可行的分立裸芯片的KGD筛选方法和环境控制方法，对筛选后的合格产品进行可靠性验证，证明KGD产品在技术指标和可靠性指标上能够达到封装成品的等级要求。

本文关于军用裸芯片KGD筛选方法的探讨，在进一步细化和管控后有助于建立一套可实施的KGD实现流程和方法，满足用户对KGD产品批量供货的需求，并为建立裸芯片KGD实施标准积累足够的案例和关键技术数据。