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球引脚器件键合性能测试方法

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-12-11  浏览次数:671
核心提示: 摘 要:半导体器件封装厂从传统引线键合互连器件转向更先进的球引脚阵列器件,器件制造工艺也随同发生变化,也需要对测试方法
        要:半导体器件封装厂从传统引线键合互连器件转向更先进的球引脚阵列器件,器件制造工艺也随同发生变化,也需要对测试方法进行研究。器件制造厂商与设备制造厂商间在器件设计时,需要建立紧密的工作关系,这是确定选择怎样的测试方案能最好地适应器件要求的有效途径。

关键词:剪切性能的测试,空腔剪切测试,冷态球引脚拉力测试

  1、

半导体器件封装厂从传统引线键合互连器件转向更先进的球引脚

阵列器件,器件制造工艺也随同发生变化,也需要对测试方法进行研究。随着器件封装尺寸的缩小,互连的坚固性检查也愈加显得重要。通常引线键合使用简单的拉力与焊球剪切力测试技术。但测试球引脚键合性能,就需要研究多项新的测试技术,这些技术包括传统剪切,空腔剪切测试,和冷态-球引脚拉力测试技术。影响设备与测试方法的选择还存在一些其他因素—球引脚结构,金属成分,晶圆和芯片的装载与定位。

  2、剪切性能的测试

剪切测试是一种确定在长期使用中键合完整性的方法。简单的横刃工具定位放置在被测键合点的后面,在进行测试时,横刃工具按程序予先设置的高度移动,便完成了剪切测试,在测试过程记录其达到的最大力,观察剪切测试后的键合焊盘与界面,分析剪切测试的受损状态。

有些先进的键合测试设备,阵列球引脚可按予编程自动进行剪切测试—操作者仅仅需要废弃不合格品。然而使用标准剪切工具,在一个足够大的力施加在键合点上之前,横刃工具将会造成球引脚的变形,而且在许多情况中,键合界面暴露之前,球引脚已经损坏,这就限制了获得键合面有价值的数据。为了改善这类情况,近年来已研发剪切测试定位的新方法。空腔剪切测试提高了在被测样品范围内获得的数据质量,对圆形球引脚的剪切测试是非常有用的。

空腔剪切测试工具的设计有以下的优点;

   l 增加键合强度测试数据的质量与精确度。

   l 空腔剪切工具仿制球引脚的形状,使得加载力可以施加到一个较大的接触面上。

   l 减少力对还跳高度的敏感。

   l 施加在键合点上加载力可大辐度增加,以获得更可靠的测试结果与高质量的数据。

3、空腔剪切测试技术

球引脚的初始变形与后来的缺陷模式受到还跳高度的影响。如还跳高度增加,焊接残余物增加,则测试可靠性降低。使用弧形腔体设计的空腔剪切工具,减少球引脚的变形,最大可能地将加载力完全施加在键合点上。空腔剪切工具的弧形腔体的形状支撑着球引脚,于是减少了球引脚的变形。这种测试方法对测试键合缺陷更加有效,使得还跳高度的负面影响降到最低。空腔剪切测试适用于今天生产的大多数球引脚器件的设计。

通常,剪切测试(传统与空腔剪切测试)是键合完整性的可靠指示,但有时不能提供更大的焊接剪切力。如需要对键合界面作进一步分析,应考虑使用冷态球引脚抗拉强度性能测试技术(图1)。

  4、球引脚抗拉测试技术(CBP

球引脚抗拉性能测试可以取代或者与传统剪切测试相结合的理由是;

a) 当球引脚隐蔽在晶圆片下面,他们得到空腔侧壁的支撑。在CBP测试中,腔体对仅给于球引脚少量支撑,或没有支撑。

b) 在剪切测试过程,施加的加载力达到最大值时,在键合位置上面的球引脚变形。使用设计正确的工具,在CBP测试过程中键合位置上面的球引脚变形明显得以减少。

c) 键合部位的不平整表面经常是相互联接在一起,即是他们之间存在少许或没有化学键连接。在剪切测试过程中,联接在一起表面可能产生更高的测试负载,CBP中,其表面是分离的。

d) CBP测试键合点,仅施加单一的拉力负载,而剪切测试对键合点施加一个复杂的力负载,其包括拉力,剪切力与压缩力构成。因此在分析测试数据及试图说明缺陷模式时,这种复杂的负载力将是个问题。

  5、冷态球引脚拉力测试

在可靠的键合盘设计与高键合强度的样品上显露的测试力是受到焊接强度的限制。如焊接存在缺陷时,样品通常显示单纯的缺陷模式。在此情况,键合盘上或键合强度没有数据可收集。

从多个样品采集的数据表明在剪切测试时由焊接强度产生的影响要比在拉力测试中更为常见。在剪切与拉力测试过程中,测试工具会造成球引脚的变形。然而在CBP测试中,球引脚的变形受到控制,且在测试过程对球引脚部分的影响可降到极小。CBP可得到键合盘与键合缺陷的更大变化范围。

通过对剪切与拉力测试力的简单分析,显示在剪切测试过程键合点的应力要比拉力测试复杂得多。在尝试分析缺陷模式与焊球引脚键合,键合盘与基板相对强度时,可以认为加载简单的张力明显是个优点。由不同几何尺寸的球引脚测试结果比较更具有意义,在每个单位面积上的张力变化没受任何尺寸变化的影响。

为正确地进行测试,CBP需要一种夹紧工具连接到常规拉力加载装置上(图2)。这种工具结构设计能稳固地拿持球引脚。不会明显改变键合特性,在球引脚上产生良好的夹紧。一旦球引脚被夹紧,这个设计创新的钳夹腔,能实现最佳的夹紧状态,使得测试加载力达到予期的目标。然而CBP测试要比剪切测试速度慢,且在测试后需要清除钳夹头上的焊接残余物。

2 冷态球引脚钳夹工具

目的是尽可能产生最大的拉力,使用其他测试方法如剪切测试或引线拉力测试,样品材料与测试工具设计限制了最大测试加载力。现有的CBP钳夹工具可适用于小到80µm直径的球引脚。现已开发更小尺寸,许多器件制造商在其技术说明书列出各种规格。

冷态球引脚拉力测试(CBP)已被公认为能评价所有球引脚键合界面特性的有效方法,有关热/冷态球引脚拉力测试标准现已公布发表(JEITAEIAJET-7407)。

6、晶圆的装载

实施球引脚测试的一个重要问题是要确定被测样品是单个芯片还是晶圆片装形式。若样品是单芯片形式,只需对夹具装置作简单改进,大多数的键合测试设备都能装载器件,使用上述任一种测试方法进行测试。若器件以晶圆片装形式测试,必须考虑晶圆在键合测试台上的装载,卸载及固定方法。

7、

引脚器件封装转向球引脚阵列封装将会面临许多新的问题,在器件测试方面,工艺工程师们可通过从使用简单的剪切测试方法开始,然而他们会发现剪切测试只能提供键合界面完整性的部分描述,必须使用其他测试方法,如空腔剪切测试,最后还是选择冷态球引脚拉力测试方法。

半导体器件封装厂商采用不同几何尺寸的设计,金属材料与制造工艺加工球引脚阵列,其不像引线键合工艺那样,没有一套完整的测试规范可满足所有的需要。于是只能根据经验的多少,找到能满足产品要求的测试方法。

需要考虑的另一个因素是测试球引脚的器件是采取晶圆形式,还是切割单器件芯片形式,此项决定将影响设备的选择。器件制造厂商与设备制造厂商间在器件设计时,需要建立紧密的工作关系,相互沟通,这是确定选择怎样的测试方案能最好地适应器件要求的有效途径。

 
 
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