龍 樂

（龍泉天生路205號(hào)1棟208室、成都 610100）

1 引言

確好芯片KGD（Known Good Dip）是各種各樣的多芯片組件MCM、多芯片封裝MCP、系統(tǒng)封裝SiP或SoP、微系統(tǒng)封裝MSP、疊層封裝SCP、堆疊封裝PoP、3D堆疊封裝、微波功率組件MPM、混合集成電路HIC封裝、版上芯片COB、可更換芯片組件RCM、功率模塊、分立器件復(fù)合化（陣列化）的基礎(chǔ)和先導(dǎo)。以MCM為例，其中單純的芯片成本就占總成本的50%以上，有的甚至達(dá)到70%～80%，芯片品種多而雜，KGD成為組件及多芯片封裝技術(shù)的必要條件。隨著微電子技術(shù)和專用設(shè)備的發(fā)展，芯片制造加工工藝的成熟以及生產(chǎn)線工藝和質(zhì)量控制能力的增強(qiáng)，半導(dǎo)體器件的失效總體表現(xiàn)為芯片本身失效減少，這進(jìn)一步推動(dòng)KGD技術(shù)迅猛發(fā)展，對各類KGD的推廣應(yīng)用推波助瀾，利用未封裝KGD每年封測生產(chǎn)數(shù)十億塊集成電路及其他類別半導(dǎo)體器件產(chǎn)品，其市場可達(dá)到數(shù)千億美元，KGD商業(yè)化的問題值得關(guān)注。

2 KGD的概念及分類問題

多芯片組件、多芯片封裝、功率組件、系統(tǒng)封裝等產(chǎn)品需采用多種或一些不同的裸芯片復(fù)合組裝在同一封裝結(jié)構(gòu)中構(gòu)成產(chǎn)品，未封裝的裸芯片相對于封裝的器件也有其單獨(dú)的優(yōu)勢：可極大程度地減少器件和模塊的體積；減少了芯片封裝所帶來的引線電阻；在組件及封裝或電路的設(shè)計(jì)時(shí)，具有更大、更多的靈活性與自由度。

目前，行業(yè)缺少科學(xué)統(tǒng)一的KGD概念，導(dǎo)致出現(xiàn)不同的術(shù)語定義，例如：KGD是指裸芯片成功通過和其封裝芯片一樣的電測試與可靠性檢驗(yàn)試驗(yàn)；理想KGD具有很高的封裝成品率，其可靠性高，芯片無缺陷，并經(jīng)過裝配、老化、環(huán)境應(yīng)力篩選等試驗(yàn)仍無失效；KGD是指有著與封裝產(chǎn)品相同質(zhì)量和可靠性的裸芯片，即采用KGD技術(shù)可對裸芯片進(jìn)行常溫、高溫、低溫測試和高溫老化篩選等試驗(yàn)，經(jīng)功能和參數(shù)測試來剔除有早期失效或有缺陷的芯片；也有廠家將KGD定義為已知良好芯片或完好芯片、被確認(rèn)的優(yōu)質(zhì)芯片、信得過芯片、足夠好芯片、測試好芯片、合格芯片，在KGD概念上“和而不同”，滿足客戶采購芯片和研發(fā)組件、整機(jī)要求。

政府部門、產(chǎn)業(yè)界、芯片制造廠商組成聯(lián)盟，推進(jìn)KGD技術(shù)及產(chǎn)品開發(fā)，KGD一般分為如下四類，向客戶提供KGD產(chǎn)品或?yàn)槁阈酒峁㎏GD篩選服務(wù)，確保進(jìn)入半導(dǎo)體后工序芯片的質(zhì)量滿足封測廠商要求。

（1）工藝方法類

KGD高成品率通過6 σ管理、圓片級篩選或特殊工藝的改進(jìn)，這一方法只適用于半導(dǎo)體制造商和控制定制IC芯片設(shè)計(jì)公司。

（2）設(shè)計(jì)方法類

包括在芯片周邊內(nèi)建自測試、邊界掃描等可測試性設(shè)計(jì)，在專門預(yù)測試的IC上耗費(fèi)多余焊盤等，通過預(yù)測試對芯片分類。

（3）統(tǒng)計(jì)抽樣類

將足夠數(shù)量統(tǒng)計(jì)的芯片封裝到單芯片內(nèi)，并充分測試以證實(shí)整個(gè)批次，從而對芯片批次進(jìn)行分類。該方法需要耗費(fèi)數(shù)百個(gè)測試樣品以保證0.99級KGD，上千個(gè)樣品保證0.999級KGD。

（4）測試每塊芯片類

通過圓片探針、芯片測試插座、適應(yīng)各種封裝形式（BGA、CBGA、FBGA、PLCC、QFN、SOP、DIP等）測試和老化插座/載體/夾具系統(tǒng)以及TAB（載帶自動(dòng)焊技術(shù)）、微芯片載盒或其他方法對所有芯片進(jìn)行檢驗(yàn)試驗(yàn)、測試而分類芯片。開發(fā)出數(shù)十種不同的測試方法，可歸納為壓力接觸和金屬連接兩大類，保證KGD質(zhì)量和可靠性。

KGD產(chǎn)品供應(yīng)商根據(jù)不同客戶的質(zhì)量要求，可提供多個(gè)質(zhì)量等級的KGD，所進(jìn)行的檢驗(yàn)試驗(yàn)項(xiàng)目和規(guī)定也不同，分別按有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選或補(bǔ)充篩選、二次篩選。

3 KGD工藝流程問題

成熟的生產(chǎn)工藝技術(shù)是保證KGD質(zhì)量的重要有效途徑。產(chǎn)品質(zhì)量不能只靠檢驗(yàn)試驗(yàn)獲取，擁有高素養(yǎng)的人才、先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備、高水平穩(wěn)定的工藝、嚴(yán)格的質(zhì)量管理與控制，才能制造出滿足要求的KGD產(chǎn)品。

芯片在切割劃片后呈未封裝狀態(tài)時(shí)，難以全面老化測試，及時(shí)篩選剔除早期失效或有缺陷芯片。KGD工藝流程即從劃片后開始，如圖1所示，經(jīng)裝載、老化、可靠性預(yù)應(yīng)力、功能和參數(shù)的全面電測試、拆卸裝載、包裝標(biāo)示、貯存運(yùn)輸?shù)攘鞒?，KGD達(dá)到封裝成品的質(zhì)量與可靠性要求，其中KGD夾具和裝/卸載、測試與老化篩選技術(shù)是關(guān)鍵。一些公司開發(fā)了三大類測試夾具：永久性夾具、半永久性夾具和臨時(shí)性夾具，期望隨用量增加而降低成本。

夾具為襯底提供一個(gè)機(jī)械支撐，既可以保護(hù)裸芯片免遭機(jī)械損傷，又為測試和老化的插座提供了一個(gè)機(jī)械界面。建立電連接到裸芯片上進(jìn)行測試和老化的一個(gè)夾具和裝/卸載系統(tǒng)，需要滿足這樣一些要求：在整個(gè)測試、老化的全溫度范圍具有穩(wěn)定的連接；每個(gè)連接處的低電阻和低阻抗；能夠連接到芯片上所有的輸入/輸出；對于干擾后裝/卸載的芯片不會(huì)造成損壞；為電源和接地連接提供足夠的電流能力；無大的性能障礙（串?dāng)_、反射、衰減）；連接方法需要與出現(xiàn)在待測試不同芯片的輸入/輸出焊盤各種不同的金屬化兼容。

3.1 芯片載體壓力接觸

采用各種各樣接觸界面的微型探針、芯片插座/載體或臨時(shí)性載盒，包括施加壓力（或依賴于壓力）的金屬合金凸點(diǎn)、薄膜觸點(diǎn)、導(dǎo)電膜或?qū)щ娔z等方法。歐美日多家公司推動(dòng)KGD芯片載體壓力接觸測試、老化插座/載體及數(shù)種獨(dú)特壓力接觸探針卡技術(shù)發(fā)展，研發(fā)出倒裝焊探針、膜探針、枝狀晶體倒裝焊探針、TAB引線探針、鍍探針、硅膜探針、導(dǎo)電膠探針、導(dǎo)電板探針、載體插座等方法。一般而言，臨時(shí)性夾具通常采用探針接觸是壓力接觸，尤其是解決功率裸芯片的散熱和電極連接問題。例如，裸芯片可倒扣在內(nèi)裝薄膜導(dǎo)電布線基板（襯底）上，芯片上的壓焊區(qū)與襯底上的金屬凸點(diǎn)接觸，芯片上方的蓋板帶有彈簧裝置，通過彈力蓋板對芯片形成一個(gè)可控制的壓力，以形成芯片電極與襯底的金屬凸點(diǎn)的適當(dāng)接觸，實(shí)現(xiàn)良好的電連接。把安裝有裸芯片的夾具系統(tǒng)裝到測試插座及其封裝載體內(nèi)，即可以進(jìn)行芯片老化和全溫度范圍的電性能測試。

3.2 芯片載體金屬連接

一般而言，金屬連接的電阻值更低，穩(wěn)定性更好，多應(yīng)用于半永久或永久性夾具，KGD方法中使用三種類型金屬連接：在兩個(gè)（熱壓、超聲、熱聲絲焊和TAB）之間，當(dāng)兩個(gè)連接部分通過相互擴(kuò)散原子連接在一起時(shí)，形成焊接接點(diǎn)；以一個(gè)低熔點(diǎn)金屬將兩個(gè)連接部分濕潤并鍵合，形成熔接的接點(diǎn)；當(dāng)原子被沉積到IC焊盤上形成連接軌跡時(shí)，形成電鍍/沉積的接點(diǎn)。金屬連接也可以是臨時(shí)性封裝載體，為KGD篩選而做在一起的，在測試之后拆卸下來恢復(fù)原來的裸芯片結(jié)構(gòu)，進(jìn)入裝配封測業(yè)。

4 KGD的老化篩選問題

在GB/T4589.1-2006中，老化的定義為規(guī)定時(shí)間內(nèi)對批中所有器件施加熱應(yīng)力和電應(yīng)力，以檢出并剔除潛在的早期失效器件；篩選是對一批中所有器件進(jìn)行的檢驗(yàn)或試驗(yàn)。KGD篩選通常進(jìn)行特性參數(shù)電測試、檢查篩選、壽命篩選、環(huán)境應(yīng)力篩選以及其他機(jī)械和環(huán)境試驗(yàn)，承制單位按有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和訂貨合同為依據(jù)進(jìn)行篩選，例如：環(huán)境應(yīng)力篩選包括振動(dòng)加速度、離心加速度、溫度循環(huán)和熱沖擊等；壽命篩選中包括高低溫貯存、電功率老化、高溫壽命、電耐久性試驗(yàn)等；特性參數(shù)電測試法篩選是最常用的手段，包括直流和交流參數(shù)測試、功能測試、熱阻測試、熱敏參數(shù)快速篩選等。裸芯片是未封裝的器件，老化篩選可以參照封裝器件試驗(yàn)方法和程序進(jìn)行，在KGD的老化篩選上，現(xiàn)沒有統(tǒng)一成熟或系統(tǒng)化的方法，一般按用途和客戶需要選擇篩選方法，視具體情況和對可靠性要求而確定。

尤其是功率KGD值得關(guān)注，要通過綜合分析，結(jié)合實(shí)際需求，采用合適的測試和老化篩選方法。其原因?yàn)楣β事阈酒俏唇?jīng)封裝的功率器件，一些篩選功率管的方法并不完全適合功率KGD。例如：在規(guī)定條件下測量晶體管的熱阻，保證芯片良好的沾附完整性，特別適合完整封裝的器件，同時(shí)通過試驗(yàn)，為改進(jìn)器件內(nèi)部各種結(jié)構(gòu)材料的熱匹配設(shè)計(jì)以及管殼散熱性能，盡量降低器件熱阻和峰值結(jié)溫，提高器件工作壽命提供依據(jù)，因此熱阻測試篩選法不能被功率KGD選用；篩選與測試功率裸芯片要受到大電流與高溫度的制約，裸芯片本身不能提供散熱的途徑，夾具導(dǎo)熱散熱能力不強(qiáng)，因此，電功率老化法不能直接被應(yīng)用于功率KGD老化篩選，而需要采取控制芯片結(jié)溫的附加措施。采用其他的KGD篩選方法時(shí)，也需要考慮未封裝裸芯片的實(shí)際具體問題，以達(dá)到測試和老化篩選目的。

4.1 熱敏參數(shù)快速篩選法

快速篩選方法就是通過短時(shí)間（數(shù)秒）內(nèi)對晶體管施加超額定功率，使其結(jié)溫迅速接近或達(dá)到最高結(jié)溫，再快速檢測熱敏參數(shù)：HFE、ICEO等加功率前后的變化量，并根據(jù)有關(guān)熱敏參數(shù)失效判據(jù)來對晶體管進(jìn)行快速篩選。這種快速篩選試驗(yàn)方法適用于剔除易產(chǎn)生早期失效的器件，改善產(chǎn)品批的質(zhì)量和可靠性，以熱敏參數(shù)的變化量或變化率預(yù)測被試管的熱穩(wěn)定性，考核被試管承受沖擊的能力，估計(jì)被試管熱阻大小和范圍，可作為功率KGD測試與篩選中一種輔助篩選方法。其不足是以參數(shù)變化量的大小作為判據(jù)的，確定失效判據(jù)需要統(tǒng)計(jì)分析大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；另外，無法暴露如電遷移、氧化層缺陷、電化學(xué)腐蝕等與時(shí)間有關(guān)的失效機(jī)理。

4.2 結(jié)溫控制功率老化篩選法

工信部電子五所率先從2001年進(jìn)行KGD技術(shù)國內(nèi)研發(fā)，現(xiàn)完成了KGD臨時(shí)封裝載體的開發(fā)制作，建立KGD質(zhì)量與可靠性保證試驗(yàn)線，并能對低頻信號(hào)、單面的電極常規(guī)裸芯片進(jìn)行測試和老化篩選，在功率裸芯片的測試與老化篩選上，采用結(jié)溫控制功率老化篩選法，既解決功率裸芯片篩選時(shí)存在的高溫、大電流問題，又不降低施加電功率條件，達(dá)到剔除有隱患或那些有制造缺陷隱患的器件。

結(jié)溫控制功率老化篩選法通過紅外熱像儀測量晶體管結(jié)溫分布和最高結(jié)溫，經(jīng)計(jì)算處理后建立功率-結(jié)溫的定量關(guān)系，參照最高結(jié)溫175℃，通過降低老化環(huán)境溫度或降低工作電流（功率），控制結(jié)溫老化裸芯片，擬定出合適的直流功率篩選條件。另外，采取加脈沖功率，結(jié)溫值可通過測量敏感參數(shù)（如Δ Vbe）的值來確定，在短時(shí)間內(nèi)加熱，然后調(diào)整冷卻或散熱條件，待結(jié)溫下降到一定程度時(shí)，再繼續(xù)施加電功率，以達(dá)到持續(xù)老化的目的。

功率老化與穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗(yàn)的目的是檢測器件是否存在表面沾污、界面狀態(tài)不穩(wěn)定、燒結(jié)不良等缺陷隱患。為了能有效地檢測出存在缺陷隱患的產(chǎn)品，功率老化和穩(wěn)態(tài)工作壽命試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)使器件達(dá)到GJB128A-97中規(guī)定的最高結(jié)溫175℃。試驗(yàn)時(shí)，在相同的功率下，其電壓與電流的組合可以有多種選擇，中小功率以電壓應(yīng)力為主，大功率以電流應(yīng)力為主。器件的失效與時(shí)間和應(yīng)力有關(guān)，是在施加電應(yīng)力的作用下使器件的缺陷提前暴露的最可靠、最常用的方法，通過電功率老化篩選能暴露出器件的大部分缺陷，若未經(jīng)老化，這些器件在正常使用條件下會(huì)早期失效。

4.3 高溫電壓反偏應(yīng)力篩選法

在高溫反偏老化中，裸芯片被同時(shí)加上高溫環(huán)境應(yīng)力和反向偏壓電應(yīng)力，其內(nèi)部無電流或只有微小的電流通過，消耗的電功率很少，產(chǎn)生的熱量也相應(yīng)較少，有利于散熱條件要求苛刻的功率裸芯片，對剔除具有表面效應(yīng)缺陷的早期失效裸芯片特別有效。芯片制作過程中易受到某些有害堿金屬離子的沾污，這些堿金屬離子會(huì)使器件的電參數(shù)在使用時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重漂移失效，高溫應(yīng)力的作用是激發(fā)芯片界面上的有害離子如Na+，提高Na+的運(yùn)動(dòng)速度；反偏應(yīng)力的作用是強(qiáng)迫已加速的Na+沿反偏電場方向做定向運(yùn)動(dòng)，通過檢測老化后器件的反向漏電流和擊穿電壓，鑒別和剔除表面有缺陷的器件，減少老化時(shí)間，降低成本。

4.4 溫度循環(huán)和熱沖擊

溫度循環(huán)（空氣-空氣）或高低溫沖擊以及熱沖擊在半導(dǎo)體器件的測試與篩選中是必用方法，通過在劇烈的高低交變環(huán)境條件下，產(chǎn)生熱脹冷縮的效應(yīng)，以考查芯片中各種不同材料之間的熱匹配能力，溫度循環(huán)確定器件耐極限高溫和低溫的能力及交替暴露到這種極限溫度下的影響，熱沖擊確定器件耐受突然暴露到極端變化的溫度中的能力及交替暴露到這種極限溫度下的影響，可以篩選出具有微裂紋、氧化層臺(tái)階的金屬化缺陷和襯底表面等缺陷的器件。

4.5 高溫貯存

高溫貯存是一種加速性質(zhì)的高溫壽命（非工作狀態(tài)）篩選試驗(yàn)，對器件施加溫度應(yīng)力，加速失效過程，對表面沾污、鍵合不良、氧化層缺陷和表面漏電等缺陷有較好的剔除作用，而對性能良好的器件則有穩(wěn)定性能的作用。目前，一些廠家將高溫貯存改為高溫反偏，即在高溫貯存中加電壓，其反偏電壓的選擇取決于被測器件，通常選取pn結(jié)的反偏壓為額定電壓的75%，以有效地揭示與氧化層沾污有關(guān)的機(jī)理，也稱為電耐久性試驗(yàn)。

半導(dǎo)體器件的一些其他失效分析方法和程序，也在積極地探討是否可應(yīng)用于KGD老化、篩選，成為KGD的一部分，例如：電性能測試、內(nèi)部檢查、探針電測試、鈍化層缺陷分析、金屬化層缺陷分析、氧化層缺陷分析、剖面分析等等，并進(jìn)一步提高器件電參數(shù)的一致性，主要電參數(shù)、工藝過程缺陷率的控制或關(guān)鍵工藝參數(shù)指標(biāo)的Cpk達(dá)到不小于1.33，使器件質(zhì)量和可靠性水平提高0.5到1個(gè)數(shù)量級。

5 KGD的標(biāo)準(zhǔn)問題

KGD技術(shù)尚處于不斷發(fā)展之中，產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性最終需固化在標(biāo)準(zhǔn)或詳細(xì)規(guī)范上，以標(biāo)準(zhǔn)分解目標(biāo)，以標(biāo)準(zhǔn)固化要求，以標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)水平，以標(biāo)準(zhǔn)保持連續(xù)批量生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量，既要考慮當(dāng)前的研制/生產(chǎn)可能條件，也要著眼客戶的使用要求，表1列出美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)SIA制定的KGD路線圖。政府部門積極推動(dòng)KGD技術(shù)和基礎(chǔ)發(fā)展，產(chǎn)業(yè)界在KGD開發(fā)工作上覆蓋很多范圍，如表2所示出。微電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)中心MCC和SEMATECH首先聯(lián)合制定針對KGD采購與KGD技術(shù)開發(fā)問題的四種詳細(xì)規(guī)范，在產(chǎn)業(yè)界、聯(lián)盟和政府的倡議下，制定多個(gè)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)，例如：EIA/JESD49 Standard KGD、EIAJ/JEDR4703、倒裝焊FCKGD、TAB-KGD、技術(shù)評估指導(dǎo)方針TAG-KGD等，為制定或評價(jià)KGD技術(shù)提供指導(dǎo)。提供KGD的公司包括半導(dǎo)體制造商、第三方芯片加工商和測試站，標(biāo)準(zhǔn)日趨成熟并獲得工業(yè)支持，其市場進(jìn)入成熟期間，芯片買賣雙方特別關(guān)注芯片質(zhì)量和可靠性的預(yù)期與供貨水平，規(guī)范和指導(dǎo)方針解決開發(fā)、采購和使用KGD所需要的關(guān)鍵問題和信息，標(biāo)準(zhǔn)化芯片級數(shù)據(jù)表的制定、芯片產(chǎn)品應(yīng)用支持與戰(zhàn)略聯(lián)盟，所開發(fā)的KGD數(shù)據(jù)庫可更好地提供客戶需要的KGD產(chǎn)品數(shù)據(jù)。

EIA/JESD49標(biāo)準(zhǔn)制定使高可靠裸芯片形式的集成電路或分立器件KGD的采購和使用更為便利，對制造方在交付高等級KGD產(chǎn)品時(shí)提出產(chǎn)品編號(hào)和抽樣方案、KGD設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、電測試數(shù)據(jù)、質(zhì)量保證、可靠性預(yù)計(jì)等方面的具體要求和指南，提供給客戶的資料、包裝、運(yùn)輸、芯片貯存環(huán)境等要求以及制造方對客戶就KGD的使用提出的建議。此外，該標(biāo)準(zhǔn)還指出KGD客戶在適當(dāng)應(yīng)用、處理、組裝和長期環(huán)境保護(hù)裸芯片產(chǎn)品上承擔(dān)很大的責(zé)任。EIAJ/JEDR4703是日本電子工業(yè)協(xié)會(huì)制定的KGD質(zhì)量保證指南，規(guī)定裸芯片的3個(gè)質(zhì)量等級、裸芯片制造方交付產(chǎn)品時(shí)應(yīng)提供給客戶的資料（含電路設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)、質(zhì)量保證等信息）、包裝要求、貯存要求以及不合格的處置。國際頂級半導(dǎo)體廠商的大多數(shù)制造商都宣稱可提供某種KGD，最積極的廠商已提供其芯片交換信息格式的KGD數(shù)據(jù)，交換格式制定了某種篩選，以保證真正的KGD。產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)制定與產(chǎn)業(yè)化密切相關(guān)，純粹采取劃片后測試和老化篩選不能完全確保產(chǎn)品，大規(guī)模、復(fù)雜性、系統(tǒng)性的HIC、MCM、SiP等封裝所使用裸芯片的品種多而雜，改善KGD芯片制造環(huán)節(jié)也是一種方法，KGD標(biāo)準(zhǔn)制定要從芯片開始著手。

6 結(jié)束語

KGD是上世紀(jì)九十年代提出并迅速發(fā)展的一項(xiàng)適用技術(shù)，伴隨著芯片封裝的不斷研發(fā)及市場需求而一步一步前進(jìn)，這兩者在進(jìn)行有效的整合，為芯片制造和封裝測試開拓新平臺(tái)，目前其商業(yè)化水平能實(shí)現(xiàn)令人信服的利益和創(chuàng)新封裝機(jī)遇，深入解決KGD工藝、老化、篩選、測試、標(biāo)準(zhǔn)、成本與可靠性等關(guān)鍵問題，是芯片與封裝科學(xué)和諧發(fā)展的必備條件。

［1］GB/T4589.1-2006分立器件和集成電路總規(guī)范[S].

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