随着集成电路技术的不断进步,摩尔定律正面临前所wei有的挑战。人们逐渐认识到,在单一芯片上集成更高密度的电路变得越来越困难。因此,三维集成技术被认为是超越摩尔定律、实现器件小型化、高密度、多功能化的shou选方案]。在这一背景下,叠层封装技术因其高成熟度,在jun用及航天领域得到了广泛的应用。
jun用及航天等领域的产品在应用过程中需经历多种特殊的力学环境,对所采用的关键器件的力学可靠性要求较高。在国jun标和美军标的微电子器件试验方法和程序(GJB548B—2005、MIL-STD-883K)中,对此类高可靠气密性封装器件均要求进行相关力学试验,如粘接强度试验和剪切强度试验。然而,在实际科研生产中,对这两类试验的选用存在不清晰的现象,这对微电子器件的可靠性考核带来了一定的困扰。
为了解决这一问题,本文科准测控小编对国内外相关试验标zhun进行了对比分析,并总结了两种试验的方法及试验载荷曲线的相关性规律。研究结果表明,芯片粘接强度试验与芯片剪切强度试验的载荷比值随着芯片粘接区域面积的增大,呈现先增大、后减小、再增大的趋势,最小比值为1.07,最大比值达到5.93[12]。通过对比试验及有限元仿真方法,对大、小两款叠层芯片分别进行粘接强度试验、剪切强度试验及有限元仿真,研究其试验过程中的最大应力状态。最终得出结论:对于小面积芯片,建议使用剪切强度试验进行考核;对于大面积芯片,建议使用粘接强度试验进行考核。
是什么叠层芯片?
叠层芯片是一种三维集成电路封装技术,它通过在垂直方向上堆叠多个芯片层,并使用微凸点(微连接)或硅通孔(TSV)等技术实现各层之间的电气互连,从而实现更高的集成度、更小的尺寸和更强的性能。这种技术能够显著提高数据处理速度和能效,同时减少电子设备的体积和重量,广泛应用于高性能计算、移动通信和航天等领域。
一、检测原理
是指在进行叠层芯片粘接强度与剪切强度试验时,通过施加特定的力值并观察芯片与底座或附着材料之间的脱离情况,以此来评估芯片粘接的牢固程度和材料工艺步骤的完整性。
二、检测相关标zhun
国内外有许多标zhun对微电子器件的剪切强度和粘接强度进行规定,如国jun标GJB548B—2005、GJB128A—1998、国标GB/T4937.19—2018及美军标MIL-STD-883K、MIL-STD-750E等。这些标zhun对芯片粘接强度试验与芯片剪切强度试验分别都有详细的规定
在jun用标zhunGJB548B—2005中,关于芯片粘接强度和剪切强度的测试有着明确的指导。该标zhun详细规定了对微电子器件进行力学试验的方法和程序。具体来说:
a、芯片粘接强度试验:这一试验主要关注的是器件在Y1轴方向上受到力时的粘附强度。这意味着测试旨在模拟器件在垂直方向上受到的力,以评估其粘接的牢固程度。
b、芯片剪切强度试验:与粘接强度试验不同,剪切强度试验主要关注的是器件在X1或者Z1轴方向(通常是长边方向)受到力时材料的工艺步骤的完整性,即粘附强度。这一试验旨在模拟器件在水平方向上受到的剪切力,以检验其结构的稳定性。
GJB548B—2005标zhun中对于施力方向的取向有具体的图示说明,如下图所示,这有助于确保试验的准确性和一致性。
三、常用检测设备
1、Beta S100 推拉力测试机
1)设备概述
a、推拉力测试机是一种专为微电子领域设计的动态测试设备,用于评估引线键合后的焊接强度、焊点与基板的粘接强度以及进行失效分析。该仪器能够执行多种测试,如晶片推力测试、金球推力测试和金线拉力测试,配备有高速力值采集系统,以确保测试的精确性。
b、用户可以根据具体的测试需求更换相应的测试模块,系统将自动识别并调整到合适的量程。这种灵活性使得设备能够适应不同产品的测试需求。每个测试工位都设有独立安全高度和速度限制,以防止因误操作而损坏测试探头。该系统以快速、精确和广泛的适用性为特点。
c、该推拉力测试机广泛应用于半导体集成电路封装测试、LED封装测试、光电器件封装测试、PCBA电子组装测试,以及汽车电子、航空航天等领域。同时,它也适用于电子分析和研究单位进行失效分析,以及教育机构的教学和研究活动。
2)设备特点
四、检测方法
1. 测试前准备
设备检查:确保推拉力测试机及其配件齐全且处于良好的工作状态。
设备校准:确认测试机、推刀和夹具等设备均已校准。
2. 模块安装
安装测试模块:将测试模块正确安装到推拉力测试机上,并接通电源。
系统初始化:启动系统,等待模块初始化完成,确保所有指示灯和显示屏正常工作。
3. 推刀与夹具设置
推刀选择与安装:根据测试需求选择合适的推刀,并将其安装到测试机的相应位置,确保牢固锁定。
夹具固定:将叠层芯片固定在测试夹具上,确保元件位置准确无误,然后将夹具安装到测试机的测试台上,并固定夹具。
4. 设定测试参数
输入测试信息:在测试机软件界面输入测试方法名称。
传感器选择:选择合适的传感器,并设置测试速度、目标力值、剪切高度和测试次数等参数。
参数保存:参数设置完成后,保存并应用到测试中。
5. 执行测试
位置确认:在显微镜下观察并确保叠层芯片和推刀的位置正确。
启动测试:启动测试,密切观察测试过程中的动作,确保测试按照设定的参数进行。
异常处理:如有异常情况,及时终止测试。
6. 测试结果判定
粘接强度试验:
失效判定:若在F<1.0时发生脱离,或在1.0<F<2.0时发生脱离且芯片与底座间无明显残余,则判定为失效。
剪切强度试验:
失效判定:若在F<1X时发生脱离,或在1X≤F<1.25X时发生脱离且芯片残留小于附着区面积的50%,或在1.25X≤F<2X时发生脱离且芯片残留小于附着区面积的10%,则判定为失效。
7. 结果记录与分析
观察破坏情况:测试完成后,观察叠层芯片的破坏情况,并进行失效分析。
参数调整:如有必要,根据测试结果调整测试参数,并重新进行测试。
8. 数据保存与报告编制
数据保存:测试结束后,系统提示保存测试结果,确认数据已保存。
报告编制:根据测试结果编制详细测试报告,包括测试条件、测试结果、数据分析和结论。
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