芯片组装可靠性与检测方法研究进展

牛刚

摘要：随着技术的进步，芯片组装方法越来越完善，半导体元件的焊接和粘接主要涉及焊接表面的清洗和平整、氧化材料的残留、加热不足以及基片镀层等问题，以解决芯片粘接不当问题、明确不同各种焊接和粘接方法、失效原因、有针对性地改进粘结剂和封装工艺、严格制造芯片组装技术是需要更高性能、密度和可靠性的微部件的核心技术之一，而混合集成电路则面向高性能、低成本和根据芯片组装类型和应用程序环境，必须为芯片组装选择合适的技术。组装质量直接影响元件整体效能。考虑到厚膜电子产品的大量使用，研究芯片组装技术并分析其可靠性非常重要。重点是国内外芯片组装质量检测和芯片组可靠性研究。

关键词：粘接;共晶焊;芯片组装;可靠性

芯片组装技术主要将粘接和焊接区分为绝缘和导电粘接。焊接可以根据设计方法分为后回流和共晶焊接。当不需要电气连接时，通常使用绝缘连接。导电粘接需要导电胶。这使得芯片中的温度在高性能应用程序中略有上升，并且可能会影响性能和可靠性，因此回流焊是一种传统的焊接方法，需要在操作过程中加热以使气流达到足够的温度并吹掉正确的线路板。它还避免氧化，适用于需要控制成本的情况。共晶焊接具有以下优点：连接电阻小、传热率高、均匀散热、强度高焊接和技术一致性。因此，焊缝特别适合于性能组件的大功率和散热要求要求。

一、芯片组装的可靠性

芯片失效组装有早期和后续失效。早期失效是由于材料或技术错误造成的。后期失效发生在服役中，随着时间的推移，性能下降到完全无法使用。

1.早期失效。是所要求的芯片尚未符合焊接/粘接质量要求。采用芯片粘接方法时，应确保粘接面清洁且加压正确，以达到良好的表面状态。清洁和加压均用于在界面分子之间形成组合力。是高效清洗等离子方法，可加速与清洗物表面的碰撞，从而产生清洗效果、活化、腐蚀等实现。在芯片被银胶污染之前，芯片上的污染呈球形，润湿角度超过90°且现象不润湿。对芯片粘贴不好。可显着增加工件的表面粗糙度和亲缘关系，有助于铺展银胶和粘贴芯片。粘贴芯片所使用的固定温度、时间、压力等。还会影响粘贴质量;固化温度通过提高和时间延长，有机对象可以完全聚合，但反应交链，越大脆性粘接胶。芯片组装体降低热循环使用寿命，影响焊接质量的因素是材质的清洁和氧化。焊接件表面氧化含量高时，焊料基本体润湿产生虚焊或空洞。采取有效的清洗措施，以活化基体表面。焊接芯片不仅能确保无污染表面和氧化低，而且还能通过适当的温度和压力保证质量。如果将焊接温度设置为较低的值，焊接温度也不能高于实际熔点。此外，液态焊料表面张力较高，从而降低润湿性。一定的焊接压力促进了焊接材料之间的紧密接触、焊料在基面上的润湿铺展以及气泡的消除。

2.失效组装。当芯片作为设备印制在电路板上时，如果设备处于高温应力状态，芯片封装也会失效。回流过程中，210～230℃峰值温度，手动焊接过程中（280～300℃）的峰值温度，以及芯片可能失效粘接或焊接。组装器件时模塑材料会膨胀很大，芯片垂直拉力，出现失效界面。在设备级封装中，熔点过低，如果210～230℃再流焊接温度低于印制板组件，且组件中的散热不正确或过长组装时间，则组装到印制板时可能会导致焊接界面的重熔，并且组件性能可能会发生变化，因此在封装器件级时，必须为熔点选择合适的焊接材料，以确保后续安装的工艺能力。

3.失效热疲劳。是焊接/粘接芯片最常用的失效方法之一，表现为芯片上的裂纹或剥裂。微电子焊接/粘接由各种性能不同的材料组成，例如Si、SiO2、BeO、Al2O3、WCu和有机材料。这些材料的线性热膨胀是不同的，通常底座的WCu系数膨胀是Si晶体的四倍。当外部温度变化或由于设备的操作/关断导致升温/冷却时，由于芯片和基体的热膨胀系数不同，材料可能具有不同的热膨胀，从而导致界面中的热膨胀并加速结构损伤。当装置持续关闭、在焊接焊缝上施加周期性剪切应力、聚集到中空位置、在焊接中裂纹或硅片龟裂，从而导致热疲劳而失效。

4.烧毁电应力。芯片与基片的正常接触（欧姆）是正常运行功耗的先决条件。欧姆接触不良会增加加大热阻器件，导致不均匀散热、设备内电流分布不均、设备热稳定性破坏和烧毁装置。半导体体热导率是散热有辐射的，对流和传导。

二、芯片组装质量检测

组装芯片后完成的产品必须按照GJB548B和GJB128A的相关规定进行质量检查。一是检查外观;二是通过x射线技术、超声波扫描技术等检测焊缝表面的空洞率。剪切强度测试也是检验芯装配质量的常用方法。

1.检测空洞率。是测量零件焊接质量的重要参数指标。空洞恶化会影响芯片的机械性能，增加微波电路的插入损耗，并提高性能热阻和温升。根据GJB548B 2012.1军用装备焊接空洞率不得超过25%，单个孔洞不能跨越芯片的全长或宽度，必须超过计划接触总面积的10%。例如，PINK真空焊采用扫描超声波技术，利用抽气+氮气保护形成的焊接工艺，焊区发白部分为空洞部分。

2.检测剪切强度。根据GJB 548B的规定进行，粘接强度根据GJB 548B规定考虑。剪切强度通常用拉剪力进行，粘接出优质芯片后，粘接部位仍留有粘接痕迹。由于芯片组底板材料不附着在钎焊腔上，因此可以在滑动芯片后立即观察到空洞的大小和密度。有必要测量不同温度下的剪切强度，并且根据GJB 548B规定测量粘结强度。1在GJB 548B中进行。

3.测试电性能。晶体管双极性器件可以测量器件的热阻和饱和电压降，以确定芯片的焊接质量。假设裸芯片性能良好，当饱和电压降过大时，可能会发生芯片虚焊或空洞较大。该方法可用于批量生产的在线测试。

分析了芯片组装后的可靠性问题及质量检测方法，组装芯片时，必须首先从芯片类型和应用程序环境中选择合适的装配过程。在实际装配过程中，不仅要考虑工艺参数的设置，还要考虑焊接组件长期运行的可靠性，并能从冶金反应和热膨胀系数的调整等方面综合得到可靠的组装体。

参考文献

[1]葛洋峥.芯片粘接失效模式及粘接強度提高途径[J].电子与封装，2019（09）：1-4.