110半導(dǎo)體封裝構(gòu)造生產(chǎn)流程評價法TEG測試單元精

1、構(gòu)造，生產(chǎn)流程評價法（TEG 芯片）日立超LSI 系統(tǒng)股份有限公司 堀內(nèi) 整針對半導(dǎo)體器件的開發(fā)，應(yīng)用了TEG （Test Element Group，測試元件組）芯片來評估半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)及組裝流程，隨著半導(dǎo)體器件日趨高功能化，對其構(gòu)成材料、組裝設(shè)備等的開發(fā)，使用TEG 芯片評價方法顯得很重要。在這里將針對封裝器件的開發(fā)， 對有效的TEG 芯片及其評價方法作一說明。TEG 芯片隨著半導(dǎo)體芯片的多引腳、窄小凸點(diǎn)間距化，以及封裝件的多引腳、高功能化，所要求的封裝技術(shù)水平也在提高，從表面貼裝向立體SiP （System in Package，系統(tǒng)級封裝）極速地發(fā)展進(jìn)化。另一方面，產(chǎn)品的生命周期在縮短，

2、就迫切要求縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間，對于封裝開發(fā)，能否平穩(wěn)地從產(chǎn)品試做開發(fā)向產(chǎn)品生產(chǎn)過渡，是左右產(chǎn)品成敗的重要因素。對于這種狀況，與封裝技術(shù)相關(guān)的各種材料、設(shè)備、裝置、封裝器件廠商等，進(jìn)行產(chǎn)品性能的預(yù)前評估、謀求縮短開發(fā)周期是很有必要的，以產(chǎn)品為模型作為評價用芯片就是使用的TEG 芯片。TEG 芯片的種類大致分為，（1）金（屬）線鍵合，能與倒裝芯片連接，是可以用來測試電氣連接（Daisy Chain，菊花圖形）的芯片，（2）壓電電阻，含有發(fā)熱電阻等器件，可以用來測試組裝后的應(yīng)力、熱電阻的芯片。用這類TEG 芯片可以對金（屬）線鍵合、倒裝芯片連接等的連接部位的觀察、連接部位可靠性評價、封裝件構(gòu)造進(jìn)行評

3、估。 各種TEG 芯片的說明（1）金屬線鍵合，釘頭凸點(diǎn)（評價）用TEG 芯片通用性高的半導(dǎo)體制品，主要是通過鍵合（工藝）實(shí)現(xiàn)芯片與中間載體相連，為達(dá)成多引腳化、芯片小型化的要求，微小間距的鍵合（工藝）是不可欠缺的。為應(yīng)對微小間距技術(shù)的提升，如圖1所所示， 使用了TEG 芯片來評價鍵合狀況。另外，現(xiàn)存的芯片必須加工形成供金線鍵合技術(shù)應(yīng)用的釘頭凸點(diǎn)才可實(shí)現(xiàn)倒裝芯片封裝，因?yàn)橥ㄓ眯酒侵髁?，故必須考慮芯片尺寸和凸點(diǎn)間距等多種多樣的產(chǎn)品品種，對金/鋁合金層等連接部位的金屬間化合物、來自組成材料的污染等的解析和評價是非常重要的。圖2是釘頭凸點(diǎn)TEG 例子。（2）倒裝芯片連接評價用TEG 芯片現(xiàn)在，先進(jìn)產(chǎn)

4、品的高密度封裝制程的主流是倒裝芯片連接工藝，這里將對焊錫凸點(diǎn)連接TEG 以及鍍金凸點(diǎn)評價TEG 加以說明。 焊錫凸點(diǎn)連接以MPU （微處理單元）等為中心的多I/O（輸入/輸出）、高頻特性、大型芯片制成的高端半導(dǎo)體制品，可以實(shí)現(xiàn)多引腳連接、高頻對應(yīng)、高放熱特性，其倒裝芯片的連接技術(shù)是以焊錫凸點(diǎn)為主流，與積層基板等有機(jī)基板的連接搭載方式現(xiàn)在都是以焊錫凸點(diǎn)為主流。175um 凸點(diǎn)間距的產(chǎn)品目前已量產(chǎn)化，150um 間距的制品正處于開發(fā)階段。凸點(diǎn)的形成方法包括焊錫膏印刷方式、鍍焊錫、植焊錫球的方法等，凸點(diǎn)的搭載方式要關(guān)注芯片內(nèi)凸點(diǎn)形狀的穩(wěn)定性和凸點(diǎn)內(nèi)部氣泡的減少。通過凸點(diǎn)搭載方式可實(shí)現(xiàn)150um 穩(wěn)定

5、凸點(diǎn)間距的制品。圖3和圖4是焊錫凸點(diǎn)評價TEG 的一個范例。使用焊錫凸點(diǎn)的產(chǎn)品是與剛性基板以倒裝芯片的方式連接，故一 般情況下，有必要用到搭載評價用基板。各種剛性基板的標(biāo)準(zhǔn)評價單元件已制定發(fā)布。特別是近期，對大型、多引腳的評價要求眾多，對應(yīng)的要求是芯片尺寸1520mm ，凸點(diǎn)間距在150175um 之間。而且為應(yīng)對芯片搭載方式的多樣化要求，基板上凸點(diǎn)連接部位的焊墊形狀，除了有鍍金外，也存在應(yīng)對焊錫預(yù)覆的基板供應(yīng)。圖5、圖6是基板的外觀照片。 鍍金凸點(diǎn)連接評價TEG隨著薄型電視、顯示器、移動終端等的液晶面板對低成本、高精細(xì)化的要求，LCD 驅(qū)動芯片必須朝小芯片化、多引腳化發(fā)展。LCD 驅(qū)動芯片通

6、常使用的是鍍金凸點(diǎn)連接，現(xiàn)在量產(chǎn)的鍍金凸點(diǎn)間距水平在30um ，微小間距化非常明顯。對于芯片的形狀，因輸入/輸出端排列配置在芯片的一側(cè)，故長邊方向非常長。對于評價鍍金凸點(diǎn)的TEG 芯片，目前間距在20um 以上的評價用TEG 已對外制定頒布（圖7，圖8）。再者，LCD 驅(qū)動芯片的裝配方式是使用撓性膠片或稱作撓性基板上的芯片搭載（COF ：Chip On Film，膜上芯片，圖9）, 還有將LCD 驅(qū)動芯片完全直接搭載到LCD 面板上的方式（COG: Chip On Glass 玻璃面板上芯片），需要所有這類評價用撓性膠片（COF ）和玻璃基板（COG ）的評價TEG 來應(yīng)對。使用這類TEG 芯

7、片和基板來測試菊花圖形的接續(xù)電阻，對金/錫接合等的連接狀態(tài)進(jìn)行接續(xù)評價。（3）應(yīng)力，熱解析用TEG 芯片封裝器件是由多種膨脹系數(shù)不同的材料構(gòu)成，特別是近年來SiP 向芯片薄型化、積層化發(fā)展，封裝件在封裝時的殘留應(yīng)力和放熱性已成為重要的課題。芯片內(nèi)應(yīng)力的測試都是采用壓電電阻的應(yīng)力測試方法。當(dāng)硅結(jié)晶遇到外來壓力時，晶格將發(fā)生傾斜，結(jié)晶體內(nèi)部的空穴 密度和空穴移動度將發(fā)生改變， 該方法就是利用了這種擴(kuò)散層的電氣 電阻發(fā)生變化的現(xiàn)象來測試芯片內(nèi)應(yīng)力的， 發(fā)熱芯片內(nèi)的溫度測試方 法一般是利用二極管的 I-V 特性。含有這類附加功能的應(yīng)力、熱電阻 評價用 TEG 的概略圖由圖 10 所示，芯片的式樣規(guī)格由

8、表 1 所示。 圖 11 是該 TEG 對 BGA 封裝器件在封裝時的應(yīng)力評價例子。 封裝 樹脂固化時的殘留應(yīng)力在芯片的中央是 110MPa，發(fā)生在芯片邊角的 壓縮應(yīng)力是 90MPa，x，y 方向的應(yīng)力數(shù)值幾乎相等。因?yàn)樾酒?、?裝體都是正方形，故認(rèn)為芯片兩面 x，y 方向的應(yīng)力是等同的。接下 來對樣品從 30加熱到 70時發(fā)生的熱應(yīng)力進(jìn)行測試。該結(jié)果就是 樹脂灌封時產(chǎn)生的應(yīng)力，當(dāng)溫度上升時，可以觀測到應(yīng)力逐漸緩和的 傾向。 使用 TEG 芯片的評價例子 以下是用 TEG 芯片對倒裝芯片的連接方式及其材料進(jìn)行評價的 事例，將 9.6mm 帶鍍金凸點(diǎn) TEG 正方形芯片裝貼到評價用基板上， 如表 2 和圖 12 所示，進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)。通過使用這種 TEG 芯片做 出評價和解析，目的是獲得最合適的倒裝芯片的裝配條件。 未來的 TEG 芯片的動向 TEG 芯片作為新一代半導(dǎo)體制品的開發(fā)工具，經(jīng)常進(jìn)行新技術(shù)的 引入并對外頒布是非常重要的。 為尋求實(shí)現(xiàn)封裝技術(shù)與 LSI