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1 引言 為適應摩爾定律的突飛猛進，微電子封裝技術日新月異，高密度先進封裝技術中的多芯片封裝MCP、系統(tǒng)級封裝SIP或SOP、多芯片組件MCM、板上芯片COB、芯片直接焊接系統(tǒng)DCA、可更換芯片組件RCM、層疊式管芯組裝、分立器件復合化(陣列化)等封裝成為發(fā)展熱點，封裝與芯片制造同等重要。另一方面，芯片廠商始終與封裝業(yè)密切合作，探索各種工藝流程及方法，提高產(chǎn)品質(zhì)量，經(jīng)多年理論研究與實踐，認識到真正決定其質(zhì)量和可靠性的因素是生產(chǎn)過程中的管理方法、技術途徑，確保IC產(chǎn)品所要的性能持續(xù)轉(zhuǎn)移延伸人封裝業(yè)，確保芯片所具有的最佳性能和可靠性沿IC產(chǎn)業(yè)鏈傳遞至最終客戶。確好芯片KGD(Known Good Die)就是在這一發(fā)展理念基礎上產(chǎn)生的，芯片廠商整合老化篩選資源，從高端尋找市場突破口，將與前工序生產(chǎn)有關的失效、缺陷隱患的芯片(芯粒、籽芯、管芯)及早剔除在封裝之前，滿足高密度多芯片封裝減少生產(chǎn)費用與時間，促進產(chǎn)品盡快上市的要求。筆者在翻閱文獻資料過程中，有幸接觸到KGD方面的部分內(nèi)容，通過進一步查詢、比較、歸納相關資料，將評述如下。 2 KGD發(fā)展內(nèi)涵 封裝是對芯片提供物理保護，芯片是封裝的精髓靈魂，只有芯片本無缺陷，正本清源，才能達到封裝的目的，展現(xiàn)IC極限(最優(yōu))性能。就當前國內(nèi)外實際情況而言，封裝廠家所需芯片來源是從各芯片廠商購人，特別是那些國內(nèi)現(xiàn)階段無法生產(chǎn)的電路芯片，還要進行多渠道全球采購，無論從哪種方式購人的芯片，其質(zhì)量好壞主要是通過批次驗收或者通過選定級別的檢測來確定，芯片的可靠性與半導體工藝的成熟程度有很大關系，大部分是芯片生產(chǎn)廠家在25℃下只做功能特性測試，有的稱為中測或初測、半成品測試，國外稱其為探針測試芯片PD(Probed Die)，挑選參數(shù)指標基本合格的芯片，但其性能并不穩(wěn)定，未完全測試芯片對封裝后的可靠性影響非常大。另有一類芯片與已封裝產(chǎn)品一樣做全功能測試，稱之為全測試芯片KTD(Known Tested Die)，其質(zhì)量和可靠性仍無法完全保障，最終的封裝成品率受到一定影響。隨著封裝中芯片數(shù)量的增加，尤其在MCP、SIP、MCM、混合IC內(nèi)部，由大量的多個芯片合而為一，若任何一個芯片有缺陷，都意味著整個產(chǎn)品不合格，給返修率、成品率、研制費用、生產(chǎn)周期造成直接影響。 高密度多芯片封裝的發(fā)展促進了采用更新、更快、更小芯片的市場需求，這從根本上與依靠芯片生產(chǎn)工藝成熟性來提供高品質(zhì)水平和可靠性的芯片制造策略相矛盾。為解決這一問題，國外一些廠家提出KGD概念,意思是已確認的好芯片，或稱為被確認的優(yōu)質(zhì)芯片，已知良好芯片，信得過芯片，其定義是與等效的封裝器件具有相同質(zhì)量和可靠性的芯片，通過對芯片在線功能測試、老化篩選、參數(shù)測試，使芯片在性能、質(zhì)量、可靠性指標上達到封裝產(chǎn)品的等級要求。 KGD已成為一種涉及IC產(chǎn)業(yè)鏈中大部分參與者，并相互聯(lián)系在一起的技術，芯片與封裝協(xié)同，采用試驗方法提供與封裝IC水平相當?shù)腒GD，確保封裝性能指標，在高密度多芯片封裝的設計及應用中的重要作用凸顯。 3 KGD技術研發(fā)動向 從芯片發(fā)展到KGD是一個在已制作完成電路圖形的晶片的直接老化篩選、測試的工藝流程，所選測試系統(tǒng)必須很容易地適用于自動化，能與原有設備一道兼容使用，在篩選、測試工序達到與封裝產(chǎn)品一樣性能所要求的規(guī)范值，在惡劣環(huán)境下的可重復性。測試方法通常涉及到臨時的，可重復使用的測試載體及夾具的設計制作，確保測試工序本身不對芯片產(chǎn)生任何功能性的傷害，用于篩選、測試系統(tǒng)的互連也必須確保無任何損傷誘發(fā)，以建立一個更為全面、綜合的在線KGD測試系統(tǒng)，適應封裝業(yè)對芯片高品質(zhì)要求。 在國外，美國航空航天局NASA為滿足空間技術對MCM的要求，率先提出采用KGD方法，制定出KGD保證計劃，KGD的測試與可靠性是保證空間應用微波MCM的關鍵技術之一，并制定空間應用KGD保證技術導則。美國政府1994年拿出l億美元資金，組織多個廠家對KGD的處理、芯片供給的質(zhì)量保證、MCM用芯片的標準和試驗方法等進行研究。美國電子工業(yè)協(xié)會(EIA)在1996年制訂了有關KGD的“EIA／JESD—49—1996 Procurement Standard Of Known Good Die(KGD)”標準，美國半導體工業(yè)協(xié)會SIA的KGD技術研究計劃的最終目標是要在2010年左右，完全實現(xiàn)在晶片階段進行IC的電測試和老化篩選，從而真正保證MCM用芯片的質(zhì)量和成品率。日本廠家追隨美國開發(fā)KGD技術，日本電子工業(yè)協(xié)會(EIAJ)在1999年制訂出EIAJ／EDR—4073—1999 Quality Assurance Guide Lines for Bare Die including KGD”標準，歐洲于2000年制訂針對KGD的ES59008標準。對KGD質(zhì)量和可靠性保證提出指導性規(guī)范，資源配置上標準共享，有助于擴大芯片供應商及封裝合作伙伴的選擇，生產(chǎn)適合各行業(yè)市場，并被客戶接受的產(chǎn)品，促進產(chǎn)業(yè)升級和技術進步。技術標準化也一直受到各生產(chǎn)廠商的普遍關注，標準是組織生產(chǎn)的技術綱領、規(guī)范和依據(jù)，深入開展KGD工作的保證，根據(jù)宇航用、軍用、工業(yè)用、商業(yè)用等相應的質(zhì)量級別和要求，制定出不同的KGD生產(chǎn)流程和判定數(shù)據(jù)，確保產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，提高市場競爭力。 KGD的工藝流程分為兩種情況，如圖1所示，其一是在分立芯片階段進行的KGD技術，即已制作電路圖形晶片經(jīng)切割劃片后，直接對單個芯片進行臨時封裝的加載、老化、測試、卸載，獲得KGD，其特點為臨時封裝的載體夾具使用靈活，適合批量不大的高可靠產(chǎn)品；另一種是晶片級KGD技術，采用損耗金屬(Sacrificial Metal)的晶片級老化WLBI，所謂的損耗金屬就是在WLBI與測試期間，暫時為芯片提供電氣通道的金屬，這種金屬在完成老化篩選與測試之后被刻蝕去掉。WLBI與晶片級可靠性WLR(Wafer Level Reliability)技術十分相似，無須封裝，熱阻較低，可采用較高的溫度、較大的電流密度老化篩選而不致于引入新的失效機理。WLBI測試系統(tǒng)費用較高，適合大批量生產(chǎn)，在有足夠的需求批量條件下采用。 美國和歐洲有與KGD技術相關的兩個重要國際會議，即“KGD Packaging and Test Workshop”與“The GOOD-DIE International Workshop”，報道KGD技術研發(fā)進展。目前，海外有多家公司商品化生產(chǎn)KGD加載／卸載裝置及夾具，加載／卸載避免對芯片引入損傷，夾具可重復使用。一些頂級半導體廠商開發(fā)KGD技術，例如，德州儀器的Die Mate技術，英特爾的Smart Die生產(chǎn)線專用于研發(fā)KGD，Micro-ASI公司的Si-Star KGD測試系統(tǒng)，AEHR公司的Die PAC，IBM微電子部、摩托羅拉、微技術、國家半導體、日本松下，沖電氣等公司關注KGD，生產(chǎn)擴展到一個較寬范圍的芯片種類及型號系列。KGD的不足是其成本為封裝產(chǎn)品的0．7-1．5倍，微波KGD則更高，生產(chǎn)周期加長，交貨時間滯后，在這些方面不易被普遍接受，國外正試圖開發(fā)低成本的測試載體，夾具、測試儀器來改變這種局面，擴大市場范圍，市場是KGD發(fā)展最直接的驅(qū)動力。 4 KGD工藝流程 KGD的成功之道是使芯片的性能和可靠性達到同類封裝IC產(chǎn)品的水平，將老化篩選整合到芯片生產(chǎn)線，被業(yè)界認為是高可靠芯片的重要解決方案，有利于提高多芯片封裝的成品率及可靠性，尤其受到不太計較價格因素的航天／軍用領域的選用，應用拉動發(fā)展。 KGD工藝流程與芯片老化篩選技術息息相關，必須經(jīng)歷IC封裝相類似的篩選過程，圖2示出KGD主要工藝流程，整個工藝流程中均需要進行靜電泄漏ESD保護，完成每道工藝均依據(jù)相關的技術文件進行。芯片加載／卸載載體及其系統(tǒng)是無損檢測、老化篩選的關鍵，芯片安裝在臨時載體的夾具中如同在封裝外殼內(nèi)一樣，完成老化篩選、測試出KGD。臨時性芯片載體系統(tǒng)一般包括臨時、可重復使用的夾具，帶特定互連的基板，特殊設計的插座以及老化測試板。整個載體適用于帶接觸焊盤的芯片和帶凸點芯片，接觸焊盤和凸點可以是四周排布，也可以是陣列形式的。電連接金屬凸點對質(zhì)量要求較高，要彈性大，耐疲勞，抗腐蝕。夾具的主要功能是提供承載芯片和基板的機械支撐，以及測試接觸接口，夾具包含基座、可選擇的陣列片來排列芯片和襯底，懸蓋和壓板對芯片提供一定的壓力，彈鎖鎖定懸蓋等幾個部分。 Si-star的KGD測試系統(tǒng)的靈活性使得單個芯片測試的自動化成為可能，它由導電聚脂凸點粘附有導電聚酯凸點的陶瓷基板(用來與單個芯片相接觸)、拾片頭，用于完成高低溫試驗的熱電致冷器TEC組成，將芯片置入一個臨時載體的夾具中，然后連同載體一起進行老化、測試，最后取出芯片，淘汰掉功能、參數(shù)不合格品。 DieMate測試系統(tǒng)的臨時性可重復使用的封殼載體從上至下可分解為蓋子、被測芯片、一體化的基板夾具、老化測試座等幾大部分，蓋子帶有一個旋轉(zhuǎn)式鎖定機構，芯片通過封殼載體接受老化篩選。每個芯片在基板上的定位精確度必須達到微米級，由加載／卸載器的拾取可視對準系統(tǒng)完成，專用的特別放置吸嘴在運行中能很好地吸持住芯片。 目前，生產(chǎn)的大多數(shù)KGD都采用晶片檢驗階段的試驗方法，提供客戶所需要的質(zhì)量和可靠性服務，試驗方法包括增強的電壓篩選和ID DQ以及晶片級的溫度試驗，試驗方法上有共同點，也有和生產(chǎn)線相關的差異，例如，汽車應用中的KGD測試，采用KGD的倒裝芯片，在線KGD測試技術。為降低KGD的成本，積極開發(fā)晶片級的KGD保障技術，建立一種大規(guī)模、多批量連續(xù)生產(chǎn)模式。 5 KGD的應用 在激烈的市場競爭中，芯片廠商千方百計生產(chǎn)出滿足客戶需求的各類芯片，攻占市場，擴大占有率。KGD的性價比是客戶首先考慮的問題，必須達到客戶認為合理，可接受的范圍，否則就傘選擇成品篩選的非KGD之路。 MCM是高密度多芯片封裝中發(fā)展之最，它將多個芯片與其他片式元器件組裝在同一塊多層互連基板上，然后封裝在一個外殼內(nèi)。目前普遍采用的2D—MCM的組裝效率達85％以上，發(fā)展到利用三維(X、Y、Z方向)結構形式，對多芯片和元器件進行組裝的3D-MCM，其效率達200％。KGD在MCM研制中具有舉足輕重的作用，直接決定MCM研發(fā)水平及產(chǎn)品技術性能，可縮短研發(fā)周期，降低制作成本。隨著3D-MCM中芯片品種數(shù)目、數(shù)量的增加，更能體現(xiàn)KGD提高產(chǎn)品合格率的作用及價值。例如，一個系統(tǒng)被設計成帶有12個電路芯片的MCM，假設其優(yōu)質(zhì)品的概率全部是95％，那么該MCM合格的概率就等于0．95的12次冪，即合格率降為54％，這樣的結果導致大約兩個MCM就有一個需要返修、重做，生產(chǎn)成本會增加。圖3示出MCM的成品率與芯片質(zhì)量的關系，當采用KGD后，其合格率將大大提高，對航天／軍用電子整機、超級巨型和大型計算機、工作站、通信產(chǎn)品、汽車電子等產(chǎn)生重大影響。 航天／軍用微波MCM中大量采用單片微波集成電路MMIC芯片，通常使用共晶焊接和環(huán)氧導電膠粘接方法，分別將大功率MMIC芯片焊接以及小信號MMIC芯片粘接到多層互連基板上，為保證焊、粘接所用MMIC芯片質(zhì)量，可用HP8510C矢量網(wǎng)絡分析儀、CASCADE公司的微波探針測試臺和共面波導微探針組成測試系統(tǒng)，對MMIC芯片進行無損芯片的電性能參數(shù)測試。測試時先在一個阻抗標準基板ISS上進行傳輸—反射—匹配校準，然后用真空拾取器將被測MMIC芯片放置于測試平臺上的真空吸口位置，打開測試平臺側面的真空開關，使被測MMIC芯片吸附在測試平臺上，分別調(diào)節(jié)定位器上的X-Y-Z三個方向的定位旋鈕，將射頻探針和直流探針的探頭接觸到被測MMIC芯片相應的焊盤上，根據(jù)測試條件在直流探針端接人饋電電源，在HP8510C矢量網(wǎng)絡分析儀上進行MMIC芯片性能參數(shù)的測量與數(shù)據(jù)讀取，據(jù)此剔除不合格品。最后進行互連、封裝、試驗驗證，在沒有批量或批量不大時，總會篩選出一些滿足要求的微波MCM產(chǎn)品。微波MCM的技術難度大，要求高，并非一般低頻和數(shù)字電路封裝可替代的。 混合集成電路將功率器件、驅(qū)動電路、控制電路、保護電路、阻容及磁性元件封裝到一個集成模塊內(nèi)部，構成一個功能相對完整的，具有一定通用性的組件，KGD也是其中很關鍵的芯片，有不同的方案。例如，控制和驅(qū)動電路采用商品化元器件，而功率器件采用未封裝芯片或KGD，需要解決芯片的安裝、散熱、布線、結構以及強弱電之間的電熱隔離所有器件均采用未封裝的芯片或KGD，通過多層布線和互連一次封裝，表成—個功能模塊或功率模塊。 KGD技術日漸成熟起來，通過功能測試、老化篩選、電參數(shù)測試、溫度檢測試驗，在技術、可靠性指標上達到TQFP、PLCC、PBGA等封裝產(chǎn)品的等級要求，能直接安裝，使用簡便，無論是價格低廉的商用芯片，還是技術含量高的高附加值芯片，都存在可觀的客戶群。因此，KGD不僅僅是一個技術話題，而且還存在一個可以拓展的市場。 6 結束語 當今，各種電子整機以及子系統(tǒng)、系統(tǒng)的體積越來越小，功能越來越強，性能及可靠性要求增高，對于已完成封裝的關鍵性基礎承制產(chǎn)品IC而言，通過封裝后的老化篩選(施加電應力、熱應力、機械應力)技術，可以保證99．999％封裝產(chǎn)品的電性能與可靠性達到整機要求。但對單一芯片來講，要保證其良好的穩(wěn)定性和一定的可靠性較難，其幾率只有50-99％，推廣KGD不僅能大幅度提高多芯片封裝的性能，滿足電子整機對其可靠性增長的需要，更能給封裝產(chǎn)業(yè)帶來降低成本，提升管理，增強競爭力等多種效益，去不斷尋求新的市場。 |
