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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密切合作，探索各種工藝流程及方法，提高產品質量，經多年理論研究與實踐，認識到真正決定其質量和可靠性的因素是生產過程中的管理方法、技術途徑，確保IC產品所要的性能持續轉移延伸人封裝業，確保芯片所具有的最佳性能和可靠性沿IC產業鏈傳遞至最終客戶。確好芯片KGD(Known Good Die)就是在這一發展理念基礎上產生的，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費用與時間，促進產品盡快上市的要求。筆者在翻閱文獻資料過程中，有幸接觸到KGD方面的部分內容，通過進一步查詢、比較、歸納相關資料，將評述如下。 2 KGD發展內涵 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IC極限(最優)性能。就當前國內外實際情況而言，封裝廠家所需芯片來源是從各芯片廠商購人，特別是那些國內現階段無法生產的電路芯片，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)，挑選參數指標基本合格的芯片，但其性能并不穩定，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品一樣做全功能測試，稱之為全測試芯片KTD(Known Tested Die)，其質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。隨著封裝中芯片數量的增加，尤其在MCP、SIP、MCM、混合IC內部，由大量的多個芯片合而為一，若任何一個芯片有缺陷，都意味著整個產品不合格，給返修率、成品率、研制費用、生產周期造成直接影響。 高密度多芯片封裝的發展促進了采用更新、更快、更小芯片的市場需求，這從根本上與依靠芯片生產工藝成熟性來提供高品質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，或稱為被確認的優質芯片，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、參數測試，使芯片在性能、質量、可靠性指標上達到封裝產品的等級要求。 KGD已成為一種涉及IC產業鏈中大部分參與者，并相互聯系在一起的技術，芯片與封裝協同，采用試驗方法提供與封裝IC水平相當的KGD，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技術研發動向 從芯片發展到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品一樣性能所要求的規范值，在惡劣環境下的可重復性。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生任何功能性的傷害，用于篩選、測試系統的互連也必須確保無任何損傷誘發，以建立一個更為全面、綜合的在線KGD測試系統，適應封裝業對芯片高品質要求。 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。美國電子工業協會(EIA)在1996年制訂了有關KGD的“EIA／JESD—49—1996 Procurement Standard Of Known Good Die(KGD)”標準，美國半導體工業協會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用芯片的質量和成品率。日本廠家追隨美國開發KGD技術，日本電子工業協會(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質量和可靠性保證提出指導性規范，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，生產適合各行業市場，并被客戶接受的產品，促進產業升級和技術進步。技術標準化也一直受到各生產廠商的普遍關注，標準是組織生產的技術綱領、規范和依據，深入開展KGD工作的保證，根據宇航用、軍用、工業用、商業用等相應的質量級別和要求，制定出不同的KGD生產流程和判定數據，確保產品質量，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測試系統費用較高，適合大批量生產，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技術研發進展。目前，海外有多家公司商品化生產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KGD技術，例如，德州儀器的Die Mate技術，英特爾的Smart Die生產線專用于研發KGD，Micro-ASI公司的Si-Star KGD測試系統，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品的0．7-1．5倍，微波KGD則更高，生產周期加長，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發展最直接的驅動力。 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產品的水平，將老化篩選整合到芯片生產線，被業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，應用拉動發展。 KGD工藝流程與芯片老化篩選技術息息相關，必須經歷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相關的技術文件進行。芯片加載／卸載載體及其系統是無損檢測、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一樣，完成老化篩選、測試出KGD。臨時性芯片載體系統一般包括臨時、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、參數不合格品。 DieMate測試系統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，生產的大多數KGD都采用晶片檢驗階段的試驗方法，提供客戶所需要的質量和可靠性服務，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，積極開發晶片級的KGD保障技術，建立一種大規模、多批量連續生產模式。 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。目前普遍采用的2D—MCM的組裝效率達85％以上，發展到利用三維(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研發水平及產品技術性能，可縮短研發周期，降低制作成本。隨著3D-MCM中芯片品種數目、數量的增加，更能體現KGD提高產品合格率的作用及價值。例如，一個系統被設計成帶有12個電路芯片的MCM，假設其優質品的概率全部是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，生產成本會增加。圖3示出MCM的成品率與芯片質量的關系，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、通信產品、汽車電子等產生重大影響。 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芯片質量，可用HP8510C矢量網絡分析儀、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，對MMIC芯片進行無損芯片的電性能參數測試。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，分別調節定位器上的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，根據測試條件在直流探針端接人饋電電源，在HP8510C矢量網絡分析儀上進行MMIC芯片性能參數的測量與數據讀取，據此剔除不合格品。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產品。微波MCM的技術難度大，要求高，并非一般低頻和數字電路封裝可替代的。 混合集成電路將功率器件、驅動電路、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、系統的體積越來越小，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，更能給封裝產業帶來降低成本，提升管理，增強競爭力等多種效益，去不斷尋求新的市場。 |
