Анализ дефектов, модель и методика оценки надежности многослойной коммутации на основе полиимидной пленки

Исследование надежности многослойной пленочной коммутации БГИС.

Многослойная пленочная коммутация больших гибридных интегральных схем (БГИС) на полиимидной пленке марки ПМ является одним из наиболее массовых элементов микросборок высокой степени интеграции, определяющих надежность БГИС в целом. Основной материал трехслойной металлизации — трсхслойная композиция Сг-Си-Сг, наносимая термическим испарением в вакууме (р = 1,33 • 10_3 Па, скорость осаждения 2,0—2,5 нм/с) на полиимидную подложку толщиной 40 мкм. Внешний слой служит защитой меди от окисления. Его удаляют и методом электрохимического осаждения увеличивают толщину меди до 10 мкм (режим осаждения: плотность тока 3—4 А/дм [1], скорость осаждения 0,117—0,167 мкм/с). Затем наращивают слой SnBi толщиной 4 мкм. Вследствие значительной толщины пленочной коммутации при исследовании ее надежности следует исключить из рассмотрения механизм элсктродиффузии, а принять во внимание только свойство адгезии.

Пример 4.2

Для определения параметров динамической модели исследовалось 16 типов модулей. Адгезия контактных площадок определялась обычным методом нормального отрыва. Принцип измерения изображен на рис. 4.20. Проволочка диаметром 100 мкм из проводящего материала марки СФЭ-0,35 припаивалась припоем типа ПОС-61 к площадке (рис. 4.21). Усилие отрыва прикладывалось вдоль проволочки. Средние усилия отрыва (W^) по каждому типу модулей получены методами математической статистики. Для совокупности контактных площадок найдено среднее усилие отрыва[1].

К принципу измерения адгезии коммутации к полиимидной плате

Рис. 4.20. К принципу измерения адгезии коммутации к полиимидной плате:

  • 1 — проволочка; 2 — припой; 3 — олово; 4 — второй слой меди;
  • 5 — первый слой меди; 6 — подслой хрома; 7 — плата
Тестовые контрольные площадки на плате БГИС (фото)

Рис. 4.21. Тестовые контрольные площадки на плате БГИС (фото): справа виден след от тестовой площадки, удаленной в результате измерения адгезии методом нормального отрыва (увеличение — х64)

В табл. 4.1 представлены типы модулей, количество контактных площадок п. Площадки прямоугольной формы размером 200 х 400 мкм. Среднее выборочное усилие отрыва контактных площадок составляло 0,285 Н, что соответствует «хорошей» адгезии.

Таблица 4.1

Статистические параметры адгезии

Тип модуля

Количество площадок, п

Среднее значение усилия отрыва (WFl), 11

Среднее квадратическое отклонение усилия отрыва Wa, Н

ХА7.106.140

14

0,270

0,077

ХЛ7.106.250

35

0,318

0,089

ХА7.106.264

19

0,243

0,047

ХА7.106.262

15

0,277

0,042

ХА7.106.330

11

0,227

0,049

ХА7.106.221

14

0,315

0,055

ХА7.106.929

5

0,211

0,069

ХА7.106.216

10

0,194

0,045

ХА7.106.261

10

0,188

0,073

ХА7.106.219

10

0,322

1,086

ХА7.106.269

11

0,296

0,089

ХЛ7.106.247

24

0,355

0,064

ХА7.106.215

12

0,412

0,098

ХА7.106.820

12

0,353

0,092

ХА7.106.021

12

0,435

0,077

ХА7.106.145

12

0,328

0,095

Выборочное среднее квадратическое отклонение усилий отрыва составляет Wa = = 0,0784 Н. Распределение усилий отрыва представлено на рис. 4.22. Гипотеза нормальности закона распределения определялась графоаналитически по критериям Колмогорова и Пирсона.

Экспериментальная зависимость распределения усилий отрыва тестовых площадок от полиимидных плат БГИС

Рис. 4.22. Экспериментальная зависимость распределения усилий отрыва тестовых площадок от полиимидных плат БГИС

Расчет показывает, что гипотезу нормальности можно принять на уровне значимости 0,02. Воспользуемся эмпирическим распределением

С учетом электростатической теории адгезии полимерных пленок к металлу и окисления хрома динамическая модель примет вид

где параметры е — заряд электрона; N — плотность поверхностных состояний; S — площадь контакта; ф — поверхностный потенциал; с!° — начальная толщина оксида хрома — вошли в выражение для определения величины (W/r); В — константа, определяемая технологией обработки поверхности полиимидной пленки.

Требуется определить наработку до отказа БГИС по адгезии металлических пленок.

Решение. И меем:

что подтверждается данными испытаний на надежность. При расчете величина 0,147 Н взята для удобства, что близко к величине (WF) - 2Va = 0,137 Н.

Примечания к примеру. 1. В конечной модели надежности металлизации по параметру адгезии взята величина 0,127 Н из статистических расчетов. Величина (WF) позволила нс отыскивать d°, N.

  • 2. Очевидно, что прогнозирование надежности металлизации по величине адгезии возможно, если на производстве величина адгезии контролируется и, например, платы с величиной адгезии WF < WFKp бракуются.
  • 3. Сдвигая величину W^Kp в сторону меньших значений, мы можем гарантировать большие времена наработки, однако при этом увеличивается вероятность пропуска изделий с «плохой» адгезией в соответствии с уравнениями комбинированных моделей определения качества элементов (см. также графическую иллюстрацию на рис. 4.23).
  • 4. В настоящее время значение коэффициента В уменьшено за счет больших усилий по активации поверхности пленки, по-видимому, на несколько порядков.

Некоррелированные дефекты возникают из-за локальных повреждений поверхности полиимидной пленки на этапе вырубки заготовки (вмятины, царапины), на этапе ее прохождения по всем операциям (локальные загрязнения), на ручной операции ретуши нсудаленных участков технологической коммутации (механические повреждения проводников).

Зависимости долговечности многослойной металлизации БГИС и распределения величин показателя адгезии

Рис. 4.23. Зависимости долговечности многослойной металлизации БГИС и распределения величин показателя адгезии

Следствием принципа корреляции является то, что выявление и забракование плат, в которых присутствуют коррелированные дефекты, может быть осуществлено при помощи тестовых элементов, расположенных на той же полиимидной плате, что и коммутация. Контроль операций обработки поверхности полиимидной основы и напыления производится методом отрыва контактных площадок, расположенных на технологических полях полиимидной пленки.

Рассмотрим пример. Общее количество тестовых контактных площадок на поле подложки БГИС размером 48 х 60 мм — 12 шт., адгезия определяется методом измерения усилия нормального отрыва, оценивается характеристика коррелированности параметра адгезии контактных площадок, расположенных на одной подложке, и воспроизводимость этого параметра от подложки к подложке. Коэффициент корреляции характеристик адгезии равен 0,754, что дает основание определять параметры распределения адгезии по результатам измерения этого параметра на выборке тестовых площадок и сравнению с минимально-допустимой величиной. Для дальнейших исследований был разработан набор тестовых элементов, предназначенных для контроля уровня качества технологических процессов изготовления полиимидной платы, изображенных на рис. 4.24. При создании набора использовалось предположение о наличии взаимной коррелированности параметров качества, определяемых соответствующими групповыми операциями.

Тестовые элементы для контроля уровня качества отдельных технологических процессов изготовления многослойной платы

Рис. 4.24. Тестовые элементы для контроля уровня качества отдельных технологических процессов изготовления многослойной платы;

служат для контроля:

1 — усадки полиимидной пленки; 2 — режимов напыления;

За, 36 — режимов очистки поверхности полиимидной платы и режимов напыления по величине адгезии; 4 — величины разрастания гальванически наращенных слоев меди и частоты коротких замыканий; 5 — подтравов коммутации;

6 — обрывов межслойных переходов коммутации; 7 — скорости травления полиимидной пленки (увеличение на фото х80)

За 36

С целью отбраковки некоррелированных дефектов сформулированы отбраковочные признаки внешнего вида, появляющиеся после различных операций технологического процесса, они представлены в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Признаки отбраковки дефектов многослойной пленочной разводки

Наименование

операции

Вид дефекта

Внешние признаки дефектов

Межоперационная обработка подложек

Механическое повреждение при вырубке

Вмятины. Шероховатости

Проверка и ретушь

переходных

отверстий

Сквозные протравы. Непро- травленные переходы. Перетравленные переходы

Царапины длиной более 70 мкм

Меднение

Смещение перехода за периметр коммутационного проводника

Более 0,5 диаметра

Электрохимическое осаждение сплава олово-висмут

Непокрытые участки элементов коммутации

Наличие непокрытых сплавом участков

Ретушировка

микросхем

Короткие замыкания между проводи и кам и. Отслаи ван ие металлизации

Зазор между проводниками менее 40 мкм

Травление хрома

Взрывы и раковины контактных площадок

Более 1/3 поврежденной площади площадки

Совмещение и экспонирование

Смещение покрытия относительно контактной площадки

Смещение превышает величину технологического допуска

Результаты исследований служат иллюстрацией использования комбинированных методов. По этим результатам составлен целый ряд рекомендаций для обеспечения качества изделий. Действительно, обеспечение качества и надежности многослойной коммутации достигнуто в результате применения следующих методов:

  • • логико-функционального (ЛФ) на этапе проектирования;
  • • логико-статистического (ЛС) на этапе производства;
  • • логико-динамического (ЛД) на этапе испытаний;
  • • статистического (С) на этапе испытаний на надежность;
  • • статистического и логико-функционального на этапе производства.

Логико-функциональный метод на этапе проектирования многослойной разводки обеспечивает почти полное отсутствие коротких замыканий между пересечениями пленочных проводников, расположенными в разных слоях за счет выбора толщины полиимидной пленки.

Логико-функциональный метод на этапе производства плат с многослойной разводкой позволяет выявить характерные виды и причины возникновения производственных отказов, такие как отслоения элементов коммутации вследствие нарушений режимов очистки и (или) напыления, обрывы элементов коммутации, короткие замыкания между проводниками в одном слое и т.д.

Логико-статистический метод на этапе производства позволяет разделять коррелированные дефекты, обусловленные нарушениями групповых методов обработки поверхности подложки, от некоррелированных дефектов, возникающих вследствие случайных повреждений отдельных элементов коммутации. С его помощью выявлена главная причина ненадежности коммутации — нарушение адгезии коммутации к полиимидной плате.

Логико-динамический метод на этапе испытаний, имитирующих эксплуатацию изделия, исключает из рассмотрения некоторые механизмы деградации, такие как электродиффузия и окисление снаружи, вследствие значительной толщины пленочной коммутации и низкой плотности тока.

Статистический метод на этапе испытаний состоит в определении параметров статистической модели надежности элементов коммутации но свойству адгезии.

Статистический метод на этапе производства в части контроля операций обработки поверхности полиимидной пленки и напыления заключается в измерении адгезии металлизации по тестовым контактным площадкам, расположенным на поле подложки БГИС размером 48 х 60 мм в количестве 12 шт. Коэффициент корреляции характеристик адгезии равен 0,755. Это даст основание определять параметры распределения адгезии металлизации по всей плате по измерению адгезии методом нормального отрыва на выборке тестовых площадок. Решение о годности изделий по параметру адгезии принимается путем сравнения измеренных величин адгезии с нормой 0,130 Н при уровне достоверности 0,95.

Статистический метод контроля уровня качества технологических процессов изготовления полиимидной платы состоит в разработке набора тестовых элементов. В частности, использование тестового элемента, состоящего из набора параллельных металлических полосок, позволяет определять вероятность образования коротких замыканий в одном слое.

Логико-функциональный метод на этапе производства заключается в формировании отбраковочных признаков внешнего вида и выработке решения о качестве многослойной разводки на их основе.

Таким образом, сочетание методов ЛФ-ЛС-ЛД-С-С-ЛФ обеспечивает сравнительно высокое качество изделий (БГИС) с использованием иоли- имидной пленки. Дальнейшее их развитие с привлечением автоматизированных систем мониторинга и контроля ведет к непрерывному повышению качества изделий.

  • [1] По схеме счета, представленной в книгах: Абрамов В. А., Вуколов Э. А., Терпигорева В. М.Методы математической статистики и их реализация на ЭВМ : учеб, пособие. М.: МИЭТ,1978; Глудкин О. Я., Обичкин Ю. Г., Блохин В. Г. Статистические методы в технологии производства радиоэлектронной аппаратуры / под общ. ред. В. Н. Черняева. М.: Энергия, 1977.
  • [2] По схеме счета, представленной в книгах: Абрамов В. А., Вуколов Э. А., Терпигорева В. М.Методы математической статистики и их реализация на ЭВМ : учеб, пособие. М.: МИЭТ,1978; Глудкин О. Я., Обичкин Ю. Г., Блохин В. Г. Статистические методы в технологии производства радиоэлектронной аппаратуры / под общ. ред. В. Н. Черняева. М.: Энергия, 1977.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >