确好芯片商业化的关键问题

龙 乐

（龙泉天生路205号1栋208室、成都 610100）

1 引言

确好芯片KGD（Known Good Dip）是各种各样的多芯片组件MCM、多芯片封装MCP、系统封装SiP或SoP、微系统封装MSP、叠层封装SCP、堆叠封装PoP、3D堆叠封装、微波功率组件MPM、混合集成电路HIC封装、版上芯片COB、可更换芯片组件RCM、功率模块、分立器件复合化（阵列化）的基础和先导。以MCM为例，其中单纯的芯片成本就占总成本的50%以上，有的甚至达到70%～80%，芯片品种多而杂，KGD成为组件及多芯片封装技术的必要条件。随着微电子技术和专用设备的发展，芯片制造加工工艺的成熟以及生产线工艺和质量控制能力的增强，半导体器件的失效总体表现为芯片本身失效减少，这进一步推动KGD技术迅猛发展，对各类KGD的推广应用推波助澜，利用未封装KGD每年封测生产数十亿块集成电路及其他类别半导体器件产品，其市场可达到数千亿美元，KGD商业化的问题值得关注。

2 KGD的概念及分类问题

多芯片组件、多芯片封装、功率组件、系统封装等产品需采用多种或一些不同的裸芯片复合组装在同一封装结构中构成产品，未封装的裸芯片相对于封装的器件也有其单独的优势：可极大程度地减少器件和模块的体积；减少了芯片封装所带来的引线电阻；在组件及封装或电路的设计时，具有更大、更多的灵活性与自由度。

目前，行业缺少科学统一的KGD概念，导致出现不同的术语定义，例如：KGD是指裸芯片成功通过和其封装芯片一样的电测试与可靠性检验试验；理想KGD具有很高的封装成品率，其可靠性高，芯片无缺陷，并经过装配、老化、环境应力筛选等试验仍无失效；KGD是指有着与封装产品相同质量和可靠性的裸芯片，即采用KGD技术可对裸芯片进行常温、高温、低温测试和高温老化筛选等试验，经功能和参数测试来剔除有早期失效或有缺陷的芯片；也有厂家将KGD定义为已知良好芯片或完好芯片、被确认的优质芯片、信得过芯片、足够好芯片、测试好芯片、合格芯片，在KGD概念上“和而不同”，满足客户采购芯片和研发组件、整机要求。

政府部门、产业界、芯片制造厂商组成联盟，推进KGD技术及产品开发，KGD一般分为如下四类，向客户提供KGD产品或为裸芯片提供KGD筛选服务，确保进入半导体后工序芯片的质量满足封测厂商要求。

（1）工艺方法类

KGD高成品率通过6 σ管理、圆片级筛选或特殊工艺的改进，这一方法只适用于半导体制造商和控制定制IC芯片设计公司。

（2）设计方法类

包括在芯片周边内建自测试、边界扫描等可测试性设计，在专门预测试的IC上耗费多余焊盘等，通过预测试对芯片分类。

（3）统计抽样类

将足够数量统计的芯片封装到单芯片内，并充分测试以证实整个批次，从而对芯片批次进行分类。该方法需要耗费数百个测试样品以保证0.99级KGD，上千个样品保证0.999级KGD。

（4）测试每块芯片类

通过圆片探针、芯片测试插座、适应各种封装形式（BGA、CBGA、FBGA、PLCC、QFN、SOP、DIP等）测试和老化插座/载体/夹具系统以及TAB（载带自动焊技术）、微芯片载盒或其他方法对所有芯片进行检验试验、测试而分类芯片。开发出数十种不同的测试方法，可归纳为压力接触和金属连接两大类，保证KGD质量和可靠性。

KGD产品供应商根据不同客户的质量要求，可提供多个质量等级的KGD，所进行的检验试验项目和规定也不同，分别按有关技术标准进行筛选或补充筛选、二次筛选。

3 KGD工艺流程问题

成熟的生产工艺技术是保证KGD质量的重要有效途径。产品质量不能只靠检验试验获取，拥有高素养的人才、先进的生产设备、高水平稳定的工艺、严格的质量管理与控制，才能制造出满足要求的KGD产品。

芯片在切割划片后呈未封装状态时，难以全面老化测试，及时筛选剔除早期失效或有缺陷芯片。KGD工艺流程即从划片后开始，如图1所示，经装载、老化、可靠性预应力、功能和参数的全面电测试、拆卸装载、包装标示、贮存运输等流程，KGD达到封装成品的质量与可靠性要求，其中KGD夹具和装/卸载、测试与老化筛选技术是关键。一些公司开发了三大类测试夹具：永久性夹具、半永久性夹具和临时性夹具，期望随用量增加而降低成本。

夹具为衬底提供一个机械支撑，既可以保护裸芯片免遭机械损伤，又为测试和老化的插座提供了一个机械界面。建立电连接到裸芯片上进行测试和老化的一个夹具和装/卸载系统，需要满足这样一些要求：在整个测试、老化的全温度范围具有稳定的连接；每个连接处的低电阻和低阻抗；能够连接到芯片上所有的输入/输出；对于干扰后装/卸载的芯片不会造成损坏；为电源和接地连接提供足够的电流能力；无大的性能障碍（串扰、反射、衰减）；连接方法需要与出现在待测试不同芯片的输入/输出焊盘各种不同的金属化兼容。

3.1 芯片载体压力接触

采用各种各样接触界面的微型探针、芯片插座/载体或临时性载盒，包括施加压力（或依赖于压力）的金属合金凸点、薄膜触点、导电膜或导电胶等方法。欧美日多家公司推动KGD芯片载体压力接触测试、老化插座/载体及数种独特压力接触探针卡技术发展，研发出倒装焊探针、膜探针、枝状晶体倒装焊探针、TAB引线探针、镀探针、硅膜探针、导电胶探针、导电板探针、载体插座等方法。一般而言，临时性夹具通常采用探针接触是压力接触，尤其是解决功率裸芯片的散热和电极连接问题。例如，裸芯片可倒扣在内装薄膜导电布线基板（衬底）上，芯片上的压焊区与衬底上的金属凸点接触，芯片上方的盖板带有弹簧装置，通过弹力盖板对芯片形成一个可控制的压力，以形成芯片电极与衬底的金属凸点的适当接触，实现良好的电连接。把安装有裸芯片的夹具系统装到测试插座及其封装载体内，即可以进行芯片老化和全温度范围的电性能测试。

3.2 芯片载体金属连接

一般而言，金属连接的电阻值更低，稳定性更好，多应用于半永久或永久性夹具，KGD方法中使用三种类型金属连接：在两个（热压、超声、热声丝焊和TAB）之间，当两个连接部分通过相互扩散原子连接在一起时，形成焊接接点；以一个低熔点金属将两个连接部分湿润并键合，形成熔接的接点；当原子被沉积到IC焊盘上形成连接轨迹时，形成电镀/沉积的接点。金属连接也可以是临时性封装载体，为KGD筛选而做在一起的，在测试之后拆卸下来恢复原来的裸芯片结构，进入装配封测业。

4 KGD的老化筛选问题

在GB/T4589.1-2006中，老化的定义为规定时间内对批中所有器件施加热应力和电应力，以检出并剔除潜在的早期失效器件；筛选是对一批中所有器件进行的检验或试验。KGD筛选通常进行特性参数电测试、检查筛选、寿命筛选、环境应力筛选以及其他机械和环境试验，承制单位按有关技术标准和订货合同为依据进行筛选，例如：环境应力筛选包括振动加速度、离心加速度、温度循环和热冲击等；寿命筛选中包括高低温贮存、电功率老化、高温寿命、电耐久性试验等；特性参数电测试法筛选是最常用的手段，包括直流和交流参数测试、功能测试、热阻测试、热敏参数快速筛选等。裸芯片是未封装的器件，老化筛选可以参照封装器件试验方法和程序进行，在KGD的老化筛选上，现没有统一成熟或系统化的方法，一般按用途和客户需要选择筛选方法，视具体情况和对可靠性要求而确定。

尤其是功率KGD值得关注，要通过综合分析，结合实际需求，采用合适的测试和老化筛选方法。其原因为功率裸芯片是未经封装的功率器件，一些筛选功率管的方法并不完全适合功率KGD。例如：在规定条件下测量晶体管的热阻，保证芯片良好的沾附完整性，特别适合完整封装的器件，同时通过试验，为改进器件内部各种结构材料的热匹配设计以及管壳散热性能，尽量降低器件热阻和峰值结温，提高器件工作寿命提供依据，因此热阻测试筛选法不能被功率KGD选用；筛选与测试功率裸芯片要受到大电流与高温度的制约，裸芯片本身不能提供散热的途径，夹具导热散热能力不强，因此，电功率老化法不能直接被应用于功率KGD老化筛选，而需要采取控制芯片结温的附加措施。采用其他的KGD筛选方法时，也需要考虑未封装裸芯片的实际具体问题，以达到测试和老化筛选目的。

4.1 热敏参数快速筛选法

快速筛选方法就是通过短时间（数秒）内对晶体管施加超额定功率，使其结温迅速接近或达到最高结温，再快速检测热敏参数：HFE、ICEO等加功率前后的变化量，并根据有关热敏参数失效判据来对晶体管进行快速筛选。这种快速筛选试验方法适用于剔除易产生早期失效的器件，改善产品批的质量和可靠性，以热敏参数的变化量或变化率预测被试管的热稳定性，考核被试管承受冲击的能力，估计被试管热阻大小和范围，可作为功率KGD测试与筛选中一种辅助筛选方法。其不足是以参数变化量的大小作为判据的，确定失效判据需要统计分析大量的实验数据；另外，无法暴露如电迁移、氧化层缺陷、电化学腐蚀等与时间有关的失效机理。

4.2 结温控制功率老化筛选法

工信部电子五所率先从2001年进行KGD技术国内研发，现完成了KGD临时封装载体的开发制作，建立KGD质量与可靠性保证试验线，并能对低频信号、单面的电极常规裸芯片进行测试和老化筛选，在功率裸芯片的测试与老化筛选上，采用结温控制功率老化筛选法，既解决功率裸芯片筛选时存在的高温、大电流问题，又不降低施加电功率条件，达到剔除有隐患或那些有制造缺陷隐患的器件。

结温控制功率老化筛选法通过红外热像仪测量晶体管结温分布和最高结温，经计算处理后建立功率-结温的定量关系，参照最高结温175℃，通过降低老化环境温度或降低工作电流（功率），控制结温老化裸芯片，拟定出合适的直流功率筛选条件。另外，采取加脉冲功率，结温值可通过测量敏感参数（如Δ Vbe）的值来确定，在短时间内加热，然后调整冷却或散热条件，待结温下降到一定程度时，再继续施加电功率，以达到持续老化的目的。

功率老化与稳态工作寿命试验的目的是检测器件是否存在表面沾污、界面状态不稳定、烧结不良等缺陷隐患。为了能有效地检测出存在缺陷隐患的产品，功率老化和稳态工作寿命试验时，应使器件达到GJB128A-97中规定的最高结温175℃。试验时，在相同的功率下，其电压与电流的组合可以有多种选择，中小功率以电压应力为主，大功率以电流应力为主。器件的失效与时间和应力有关，是在施加电应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，通过电功率老化筛选能暴露出器件的大部分缺陷，若未经老化，这些器件在正常使用条件下会早期失效。

4.3 高温电压反偏应力筛选法

在高温反偏老化中，裸芯片被同时加上高温环境应力和反向偏压电应力，其内部无电流或只有微小的电流通过，消耗的电功率很少，产生的热量也相应较少，有利于散热条件要求苛刻的功率裸芯片，对剔除具有表面效应缺陷的早期失效裸芯片特别有效。芯片制作过程中易受到某些有害碱金属离子的沾污，这些碱金属离子会使器件的电参数在使用时产生严重漂移失效，高温应力的作用是激发芯片界面上的有害离子如Na+，提高Na+的运动速度；反偏应力的作用是强迫已加速的Na+沿反偏电场方向做定向运动，通过检测老化后器件的反向漏电流和击穿电压，鉴别和剔除表面有缺陷的器件，减少老化时间，降低成本。

4.4 温度循环和热冲击

温度循环（空气-空气）或高低温冲击以及热冲击在半导体器件的测试与筛选中是必用方法，通过在剧烈的高低交变环境条件下，产生热胀冷缩的效应，以考查芯片中各种不同材料之间的热匹配能力，温度循环确定器件耐极限高温和低温的能力及交替暴露到这种极限温度下的影响，热冲击确定器件耐受突然暴露到极端变化的温度中的能力及交替暴露到这种极限温度下的影响，可以筛选出具有微裂纹、氧化层台阶的金属化缺陷和衬底表面等缺陷的器件。

4.5 高温贮存

高温贮存是一种加速性质的高温寿命（非工作状态）筛选试验，对器件施加温度应力，加速失效过程，对表面沾污、键合不良、氧化层缺陷和表面漏电等缺陷有较好的剔除作用，而对性能良好的器件则有稳定性能的作用。目前，一些厂家将高温贮存改为高温反偏，即在高温贮存中加电压，其反偏电压的选择取决于被测器件，通常选取pn结的反偏压为额定电压的75%，以有效地揭示与氧化层沾污有关的机理，也称为电耐久性试验。

半导体器件的一些其他失效分析方法和程序，也在积极地探讨是否可应用于KGD老化、筛选，成为KGD的一部分，例如：电性能测试、内部检查、探针电测试、钝化层缺陷分析、金属化层缺陷分析、氧化层缺陷分析、剖面分析等等，并进一步提高器件电参数的一致性，主要电参数、工艺过程缺陷率的控制或关键工艺参数指标的Cpk达到不小于1.33，使器件质量和可靠性水平提高0.5到1个数量级。

5 KGD的标准问题

KGD技术尚处于不断发展之中，产品的质量和可靠性最终需固化在标准或详细规范上，以标准分解目标，以标准固化要求，以标准评价水平，以标准保持连续批量生产产品质量，既要考虑当前的研制/生产可能条件，也要着眼客户的使用要求，表1列出美国半导体行业协会SIA制定的KGD路线图。政府部门积极推动KGD技术和基础发展，产业界在KGD开发工作上覆盖很多范围，如表2所示出。微电子与计算机技术中心MCC和SEMATECH首先联合制定针对KGD采购与KGD技术开发问题的四种详细规范，在产业界、联盟和政府的倡议下，制定多个业界标准，例如：EIA/JESD49 Standard KGD、EIAJ/JEDR4703、倒装焊FCKGD、TAB-KGD、技术评估指导方针TAG-KGD等，为制定或评价KGD技术提供指导。提供KGD的公司包括半导体制造商、第三方芯片加工商和测试站，标准日趋成熟并获得工业支持，其市场进入成熟期间，芯片买卖双方特别关注芯片质量和可靠性的预期与供货水平，规范和指导方针解决开发、采购和使用KGD所需要的关键问题和信息，标准化芯片级数据表的制定、芯片产品应用支持与战略联盟，所开发的KGD数据库可更好地提供客户需要的KGD产品数据。

EIA/JESD49标准制定使高可靠裸芯片形式的集成电路或分立器件KGD的采购和使用更为便利，对制造方在交付高等级KGD产品时提出产品编号和抽样方案、KGD设计数据、电测试数据、质量保证、可靠性预计等方面的具体要求和指南，提供给客户的资料、包装、运输、芯片贮存环境等要求以及制造方对客户就KGD的使用提出的建议。此外，该标准还指出KGD客户在适当应用、处理、组装和长期环境保护裸芯片产品上承担很大的责任。EIAJ/JEDR4703是日本电子工业协会制定的KGD质量保证指南，规定裸芯片的3个质量等级、裸芯片制造方交付产品时应提供给客户的资料（含电路设计、物理设计、质量保证等信息）、包装要求、贮存要求以及不合格的处置。国际顶级半导体厂商的大多数制造商都宣称可提供某种KGD，最积极的厂商已提供其芯片交换信息格式的KGD数据，交换格式制定了某种筛选，以保证真正的KGD。产品标准制定与产业化密切相关，纯粹采取划片后测试和老化筛选不能完全确保产品，大规模、复杂性、系统性的HIC、MCM、SiP等封装所使用裸芯片的品种多而杂，改善KGD芯片制造环节也是一种方法，KGD标准制定要从芯片开始着手。

6 结束语

KGD是上世纪九十年代提出并迅速发展的一项适用技术，伴随着芯片封装的不断研发及市场需求而一步一步前进，这两者在进行有效的整合，为芯片制造和封装测试开拓新平台，目前其商业化水平能实现令人信服的利益和创新封装机遇，深入解决KGD工艺、老化、筛选、测试、标准、成本与可靠性等关键问题，是芯片与封装科学和谐发展的必备条件。

［1］GB/T4589.1-2006分立器件和集成电路总规范[S].

［2］SJ/T10415-93晶体管热敏参数快速筛选试验方法[S].

［3］GJB128A-97半导体分立器件试验方法[S].

［4］CHARLES H K. Tradeoffs in Multichip Module Yield and Cost with Known Good Die Probability and Repair [J].Microelectronics Reliability,2001,41（9）:715-733.

［5］黄庆安.微系统封装[M].南京：东南大学出版社，2005.

［6］王传声，叶天培，等.多芯片组件技术手册[M].北京：电子工业出版社，2006.

［7］黄云，恩云飞，师谦，等.KGD质量和可靠性保障技术[J].半导体技术，2005，30（5）：40-43.

［8］冯玲玲.浅述KGD测试技术及质量保证[J].混合微电子技术，2006，17（3）：43-48.

［9］http://WWW.mcc.com/projects/kgd [EB/OL].

［10］http://WWW.imec.be/kgd [EB/OL].

［11］http://WWW.gooddie.com [EB/OL].