InSb芯片碎裂與迸濺金點(diǎn)的關(guān)系*

張江風(fēng) 田笑含 張曉玲 孟慶端?

1) (河南科技大學(xué)電氣工程學(xué)院,洛陽 471023)

2) (河南科技大學(xué)軟件學(xué)院,洛陽 471023)

批量生產(chǎn)中經(jīng)常發(fā)生的銻化銦(InSb)芯片碎裂問題制約著InSb紅外焦平面探測(cè)器(IRFPAs)成品率的提升.經(jīng)分析認(rèn)為:低周期液氮沖擊下發(fā)生在器件邊沿區(qū)域的InSb芯片破碎與該區(qū)域中迸濺金點(diǎn)的存在有關(guān).為從理論上明晰迸濺金點(diǎn)對(duì)InSb芯片局部碎裂的影響,本文建立了包含迸濺金點(diǎn)的InSb IRFPAs結(jié)構(gòu)模型,分析了迸濺金點(diǎn)的存在對(duì)應(yīng)力分布的影響.在此基礎(chǔ)上,在應(yīng)力集中處預(yù)置不同長度的初始裂紋用以描述InSb晶片中的位錯(cuò),以能量釋放率為判據(jù),探究InSb芯片碎裂與迸濺金點(diǎn)和位錯(cuò)線長短的關(guān)系.結(jié)論如下:1) 迸濺金點(diǎn)的存在對(duì)InSb芯片碎裂的影響是局部的,在迸濺金點(diǎn)與InSb芯片接觸區(qū)域的兩側(cè)會(huì)形成兩個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn);2) 環(huán)繞預(yù)置裂紋的能量釋放率會(huì)隨著預(yù)置裂紋長度的增加而加速增大,當(dāng)預(yù)置裂紋長度接近InSb芯片上表面時(shí),能量釋放率近乎指數(shù)增加,并在預(yù)置裂紋貫穿InSb芯片時(shí)達(dá)到最大值;3) 迸濺金點(diǎn)引起的InSb芯片破碎屬于I型斷裂失效模式,在多周期液氮沖擊中,位錯(cuò)線在應(yīng)力集中效應(yīng)的驅(qū)使下逐步擴(kuò)展,直至貫穿InSb芯片,最終形成宏觀碎裂失效現(xiàn)象.

1 引言

紅外焦平面探測(cè)器廣泛應(yīng)用于航空航天、紅外遙感、導(dǎo)彈制導(dǎo)、氣象、醫(yī)療及科學(xué)儀器等領(lǐng)域.在現(xiàn)有紅外面陣探測(cè)器產(chǎn)品序列中,工作在3—5 μm波段的銻化銦(InSb)面陣探測(cè)器具有均勻性好、暗電流小、量子效率高等優(yōu)點(diǎn),從而在紅外探測(cè)領(lǐng)域占據(jù)重要地位[1?4].為抑制背景噪聲,提高信噪比,InSb面陣探測(cè)器通常工作于液氮溫度(77 K),但器件封裝是在室溫(300 K)下完成的.當(dāng)器件溫度從300 K快速降至77 K時(shí),相鄰材料間因線膨脹系數(shù)的不同將誘生熱失配,產(chǎn)生熱應(yīng)力,過大的熱失配應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致InSb芯片斷裂失效.在InSb面陣探測(cè)器的生產(chǎn)中,需要采用蒸發(fā)工藝制備較厚的金層和銦層,分別用于形成引線電極和制備用于互連的銦柱陣列.在蒸發(fā)工藝中,通常會(huì)發(fā)生金屬液滴迸濺現(xiàn)象,滴落在InSb芯片上的金液滴冷卻后會(huì)形成迸濺金點(diǎn),這一現(xiàn)象在蒸發(fā)工藝中不受控制,無法避免.蒸發(fā)工藝中產(chǎn)生的迸濺金點(diǎn)分布沒有規(guī)律性,如果迸濺金點(diǎn)出現(xiàn)在有效光敏元陣列區(qū)域,則可借助光學(xué)顯微鏡篩選出來.如果迸濺金點(diǎn)不出現(xiàn)在有效光敏元陣列區(qū)域,則可能存在漏檢現(xiàn)象,使得包含迸濺金點(diǎn)的InSb芯片進(jìn)入后續(xù)工藝.待器件封裝完成后,器件初期能夠經(jīng)受一定次數(shù)的液氮沖擊而不發(fā)生InSb芯片碎裂,但隨著液氮沖擊次數(shù)的增多,出現(xiàn)了InSb芯片碎裂的現(xiàn)象.經(jīng)InSb芯片局部碎裂區(qū)域的選區(qū)腐蝕,材料成分分析,判定面陣探測(cè)器周邊區(qū)域的隨機(jī)迸濺金點(diǎn)是引起InSb芯片碎裂的主因.為從理論上剖析迸濺金點(diǎn)的存在與InSb芯片碎裂失效之間的關(guān)系,本文建立了包含迸濺金點(diǎn)的InSb面陣探測(cè)器結(jié)構(gòu)模型,用以定量分析迸濺金點(diǎn)對(duì)器件失效的影響.

針對(duì)InSb IRFPAs生產(chǎn)中出現(xiàn)的InSb芯片破碎問題,羅宏[5]認(rèn)為InSb 芯片的破碎源于網(wǎng)狀底充膠和電極金屬層的形變;孟慶端等[6]認(rèn)為銦柱陣列的存在會(huì)引起應(yīng)力局部集中,可導(dǎo)致InSb芯片發(fā)生張開型碎裂失效和InSb芯片與下層結(jié)構(gòu)之間的局部分層.上述研究能夠從宏觀層面揭示InSb IRFPAs發(fā)生局部失效的原因,缺乏對(duì)InSb芯片碎裂失效微觀層面的解讀,不能直接用來解釋因迸濺金點(diǎn)的存在造成InSb芯片的破碎現(xiàn)象.為此,本文建立了包含迸濺金點(diǎn)的InSb IRFPAs結(jié)構(gòu)模型,用于分析迸濺金點(diǎn)的存在對(duì)InSb面陣探測(cè)器結(jié)構(gòu)可靠性的影響,以應(yīng)力分量為標(biāo)準(zhǔn),探討InSb芯片的局部碎裂失效模式,以能量釋放率為依據(jù),引入虛擬裂紋替代位錯(cuò)線,剖析破碎起源地,以期從宏觀與微觀兩個(gè)層面剖析InSb芯片在迸濺金點(diǎn)作用下的破碎機(jī)理.

2 InSb面陣探測(cè)器制備工藝及晶體缺陷

InSb面陣探測(cè)器的主要制備工藝包括InSb芯片制備、硅讀出電路(readout integrated circuits,ROIC)制備、倒焊互連、底充膠填充及其固化、InSb芯片背減薄工藝、增透膜淀積以及后續(xù)探測(cè)器與杜瓦組件的封裝和測(cè)試等[7,8],具體流程如圖1所示.需要指出的是,在InSb芯片和硅ROIC制備中,為實(shí)現(xiàn)光生電信號(hào)的輸出,需要采用熱蒸發(fā)的方式蒸鍍較厚的金屬電極和互連銦層,分別形成傳輸信號(hào)的電極和用于倒焊互連的銦柱陣列.熱蒸發(fā)期間難免會(huì)發(fā)生熔融金屬的迸濺現(xiàn)象,迸濺金屬液滴一旦和InSb芯片或者硅 ROIC接觸,冷卻后就會(huì)形成局部增厚的現(xiàn)象,形成一定形狀的金點(diǎn)或者銦點(diǎn).離散迸濺金點(diǎn)如果位于光敏元陣列區(qū)域,則會(huì)被篩選出來,離散迸濺金點(diǎn)如果位于光敏元陣列區(qū)域外邊,這些區(qū)域不是成像器件的核心區(qū)域,可能會(huì)被忽略,從而進(jìn)入后續(xù)封裝工藝.當(dāng)液氮沖擊次數(shù)累積到一定程度時(shí),就會(huì)發(fā)生InSb芯片始于器件邊緣的碎裂現(xiàn)象.

圖1 InSb面陣探測(cè)器制備工藝具體流程Fig.1.Specific fabricating processes of InSb IRFPAs.

InSb晶體生長過程中常常會(huì)形成一定數(shù)量的位錯(cuò)線缺陷,包括刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)和混合型位錯(cuò).位錯(cuò)的存在會(huì)對(duì)材料的力學(xué)性能產(chǎn)生較大影響,致使InSb晶片發(fā)生低應(yīng)力破碎.InSb生長過程引起位錯(cuò)的主要因素[9]有:1) 籽晶因素,單晶生長時(shí),籽晶中的位錯(cuò)延伸至生長面,伴隨著晶體生長進(jìn)入新生晶體中,直到與晶體表面相交為止[10];2) 熱應(yīng)力因素,晶體生長過程中需采用大的溫度梯度,過大的溫度梯度會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力超過材料自身的屈服強(qiáng)度時(shí),就會(huì)使晶體出現(xiàn)滑移引入位錯(cuò)[11];3) 雜質(zhì)因素,晶體在拉制過程中,雜質(zhì)的存在也會(huì)伴隨著晶體生長進(jìn)入晶體內(nèi)部,這樣也會(huì)產(chǎn)生滑移位錯(cuò).上述這些位錯(cuò)線缺陷深埋于InSb晶體中,當(dāng)外界條件(如溫度)變化時(shí),這些位錯(cuò)線缺陷會(huì)沿解理面(110)產(chǎn)生不同程度的滑移,在晶體中引發(fā)裂紋的衍生與擴(kuò)展,最終導(dǎo)致晶體發(fā)生破碎失效.

3 虛擬裂紋閉合技術(shù)

虛擬裂紋閉合技術(shù)(virtual crack closure technique,VCCT)最早由Rybicki和Kanninen[12]于1977年提出,能夠相對(duì)精確地計(jì)算斷裂模型的能量釋放率.相對(duì)于擴(kuò)展有限元法、奇異性單元法、內(nèi)聚力模型等斷裂模型分析方法,VCCT具有精度高、計(jì)算簡(jiǎn)單、不需要考慮裂紋尖端的奇異性等優(yōu)點(diǎn).VCCT是基于這樣一個(gè)假設(shè),即分開一個(gè)表面所需的能量與閉合同一表面所需的能量相同,該方法假設(shè)虛擬裂紋尖端后面的張開位移和實(shí)際裂紋尖端后面的張開位移近似相等,通過虛擬裂紋擴(kuò)展分析技術(shù)可獲得應(yīng)力或應(yīng)變的精確解,可以有效分析復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)斷裂和分層問題.這里描述的線性虛擬裂紋閉合原理如圖2所示.

圖2 線性虛擬裂紋閉合技術(shù)原理Fig.2.Principle of virtual crack closure technique for linear crack.

首先假定主裂紋長度為a,進(jìn)一步假定裂紋尖端周圍的應(yīng)力狀態(tài)在裂紋小幅增長Δa時(shí)不會(huì)發(fā)生顯著變化.根據(jù)Irwin[13]提出的應(yīng)變能釋放率的概念,線性裂紋的閉合積分公式表示為

式中σy和τxy為實(shí)際裂紋(當(dāng)裂紋長度是a時(shí))在裂尖前沿的應(yīng)力分量,并且當(dāng)r→ 0時(shí),裂紋尖端的應(yīng)力分量趨近于無窮大,Δu和Δv分別為虛擬裂紋(當(dāng)裂紋長度是a+Δa時(shí))面上的張開位移及相對(duì)滑動(dòng)位移,GI和GII則分別為I型和Ⅱ型的應(yīng)變能釋放率分量.也就是說,虛擬裂紋閉合法的原理就是將實(shí)際裂紋a擴(kuò)展成虛擬裂紋a+Δa所要做的功與將虛擬裂紋a+Δa閉合成實(shí)際裂紋a所要做的功是相同的.

4 模型建立及材料參數(shù)選取

InSb IRFPAs通常由3層材料堆疊而成,采用倒焊技術(shù)將最上面的InSb光敏元芯片與最下面的硅 ROIC通過銦柱陣列進(jìn)行互連,隨后填入底充膠以提升銦柱陣列的結(jié)構(gòu)可靠性.本文采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)性建模,考慮到InSb IRFPAs結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,選取整個(gè)探測(cè)器的1/2結(jié)構(gòu).建立的InSb IRFPAs二維結(jié)構(gòu)模型如圖3所示.在建立的模型[14,15]中,InSb芯片、Underfill、銦柱和硅ROIC的厚度分別為10,10,10和300 μm,銦柱寬度為30 μm,中心距為50 μm,具體材料參數(shù)見表1.迸濺金點(diǎn)大小為30 μm × 5 μm,位于InSb IRFPAs的邊沿區(qū)域.為了精確計(jì)算多層材料結(jié)構(gòu)中累積的熱應(yīng)力,模型中所有材料的線膨脹系數(shù)都采用溫度相關(guān)模型[16],所有材料均視為線彈性材料.

表1 InSb IRFPAs模型的相關(guān)材料參數(shù)Table 1.Material parameters of InSb IRFPAs model.

圖3 InSb面陣探測(cè)器的二維有限元模型Fig.3.Two-dimensional finite element model for InSb IRFPAs.

5 模擬結(jié)果分析與討論

在InSb IRFPAs的制備過程中,通常需要蒸發(fā)較厚的金層,用于電極制備.在熱蒸發(fā)工藝中,通常會(huì)發(fā)生金屬隨機(jī)迸濺現(xiàn)象,從而在InSb芯片下表面形成局部迸濺金點(diǎn).由于蒸發(fā)工藝中迸濺金點(diǎn)在分布上沒有規(guī)律性,如果分布在器件中心區(qū)域,則可借助光學(xué)顯微鏡篩選出該器件,如果分布在邊沿區(qū)域,該區(qū)域不屬于重點(diǎn)監(jiān)測(cè)范圍,可能通過檢驗(yàn)流程,進(jìn)入后續(xù)工序,制備出包含迸濺金點(diǎn)的InSb IRFPAs.在InSb IRFPAs的例行測(cè)試中,發(fā)現(xiàn)原先通過檢測(cè)流程的InSb IRFPAs中出現(xiàn)了InSb芯片碎裂的現(xiàn)象,碎裂起源于InSb IRFPAs邊沿區(qū)域,經(jīng)過選區(qū)腐蝕,材料成分分析,在碎裂起源處發(fā)現(xiàn)了離散金點(diǎn).為了明晰迸濺金點(diǎn)對(duì)InSb芯片碎裂的影響,結(jié)合碎裂實(shí)際,在InSb IRFPAs結(jié)構(gòu)模型的周邊區(qū)域添加離散金點(diǎn),并提取迸濺金點(diǎn)附近InSb芯片下表面面內(nèi)正應(yīng)力分布,如圖4所示,便于比對(duì),這里一同給出沒有離散金點(diǎn)時(shí)InSb芯片下表面面內(nèi)正應(yīng)力分布.這里的X軸坐標(biāo)已進(jìn)行歸一化處理.

圖4 迸濺金點(diǎn)存在與否情況下InSb芯片下表面的面內(nèi)正應(yīng)力分布Fig.4.Distributions of the in-plane normal stress in bottom surface of InSb chip with splashed gold bump or not.

從圖4可知,迸濺金點(diǎn)的存在對(duì)InSb芯片中的面內(nèi)正應(yīng)力分布影響甚大.在歸一化坐標(biāo)低于X=0.864和高于X=0.925的區(qū)間內(nèi),InSb芯片中面內(nèi)正應(yīng)力分布與迸濺金點(diǎn)的存在與否沒有關(guān)系.由此可知,迸濺金點(diǎn)對(duì)InSb芯片中面內(nèi)正應(yīng)力分布的影響是局部的,即在迸濺金點(diǎn)附近有影響,遠(yuǎn)離迸濺金點(diǎn)的位置,應(yīng)力分布不受迸濺金點(diǎn)的影響.具體來說,迸濺金點(diǎn)不存在時(shí),當(dāng)歸一化橫坐標(biāo)從X=0.847移動(dòng)到X=0.864的過程中,InSb芯片下表面面內(nèi)正應(yīng)力由593.09 MPa降低到517.39 MPa;當(dāng)歸一化坐標(biāo)從X=0.925移動(dòng)到X=1時(shí),對(duì)應(yīng)的面內(nèi)正應(yīng)力則由404.30 MPa降低到–136.09 MPa.引入迸濺金點(diǎn)后,迸濺金點(diǎn)位于X=0.886至X=0.908的坐標(biāo)范圍內(nèi),在歸一化坐標(biāo)X=0.864至X=0.886區(qū)間內(nèi),界面內(nèi)正應(yīng)力由529.80 MPa逐漸升高到670.38 MPa,當(dāng)歸一化坐標(biāo)由X=0.886移動(dòng)到X=0.900時(shí),界面內(nèi)正應(yīng)力先是快速降到15.80 MPa,緊接著緩慢降到–17.844 MPa,當(dāng)歸一化坐標(biāo)由X=0.900移動(dòng)到X=0.925時(shí),界面內(nèi)正應(yīng)力先是由–17.844 MPa快速升高到583.95 MPa,緊接著緩慢降至421.48 MPa.而對(duì)于沒有迸濺金點(diǎn)的情況,界面內(nèi)正應(yīng)力則直接由517.39 MPa逐漸降到404.30 MPa.顯然,迸濺金點(diǎn)的存在對(duì)InSb芯片的影響是局部的,即在歸一化坐標(biāo)X=0.864到X=0.925區(qū)間范圍內(nèi),這一范圍略寬于迸濺金點(diǎn)所涵蓋的位置坐標(biāo).

存在迸濺金點(diǎn)時(shí),液氮沖擊下,在InSb芯片下表面會(huì)形成兩個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn),分別位于歸一化坐標(biāo)X=0.886和X=0.908處,如圖4所示.為了解迸濺金點(diǎn)存在時(shí)應(yīng)力集中對(duì)InSb芯片造成的影響,在應(yīng)力集中點(diǎn)上方的InSb芯片中預(yù)置不同長度的裂紋來研究預(yù)置裂紋在應(yīng)力集中下對(duì)InSb芯片破碎的影響,這里的預(yù)置裂紋基于InSb晶體中存在位錯(cuò)缺陷的事實(shí).通過預(yù)置不同長度的初始裂紋用以描述InSb晶片中的位錯(cuò),得到與裂紋長度對(duì)應(yīng)的能量釋放率.能量釋放率由InSb芯片中的面內(nèi)正應(yīng)力和垂直于芯片的虛擬裂紋決定,面內(nèi)正應(yīng)力取決于熱失配.借助能量釋放率作為InSb芯片中出現(xiàn)裂紋衍生與擴(kuò)展的判據(jù),繪制了InSb芯片中能量釋放率隨預(yù)置裂紋長度的依賴關(guān)系,如圖5所示.

如圖5所示,在進(jìn)行InSb芯片內(nèi)能量釋放率提取時(shí),發(fā)現(xiàn)II型能量釋放率僅是I型能量釋放率的千分之一,因此在總能量釋放率計(jì)算時(shí),II型能量釋放率忽略不計(jì),即總能量釋放率G=GI.從用于描述裂紋衍生與擴(kuò)展的能量釋放率來看,InSb芯片斷裂失效模式為I型斷裂失效模式.

圖5 不同裂紋擴(kuò)展長度下InSb芯片中能量釋放率的演化過程Fig.5.Evolution process of energy release rate in InSb chip under different crack propagation lengths.

不論應(yīng)力集中點(diǎn)是位于X=0.886,還是位于X=0.908,InSb芯片內(nèi)部的能量釋放率均伴隨著裂紋擴(kuò)展而呈現(xiàn)線性增長趨勢(shì).對(duì)于X=0.886處的應(yīng)力集中點(diǎn)而言,當(dāng)預(yù)置裂紋長度從1 μm擴(kuò)展到8 μm時(shí),能量釋放率從0.898 J/m2逐漸升高到6.311 J/m2,在這個(gè)預(yù)置裂紋長度區(qū)間內(nèi),能量釋放率的增長率相對(duì)較低,但當(dāng)預(yù)置裂紋長度從8 μm擴(kuò)展到10 μm的過程中,InSb芯片中的能量釋放率從6.311 J/m2指數(shù)增長到114.11 J/m2,在這一預(yù)置裂紋長度區(qū)間內(nèi),能量釋放率的增長率處于非常大的值.需要指出的是,當(dāng)預(yù)置裂紋長度為10 μm時(shí),預(yù)置裂紋已貫穿InSb芯片,到達(dá)其上表面,此時(shí)的能量釋放率達(dá)到最大值114.11 J/m2.模擬得到的能量釋放率與預(yù)置裂紋長度的演化關(guān)系與Liu等[17]得到的結(jié)論基本一致,這進(jìn)一步證明了本文模擬結(jié)果的正確性.當(dāng)InSb芯片內(nèi)的裂紋延伸到表面時(shí),能量釋放率從理論上講是無限的,在理論計(jì)算中對(duì)應(yīng)于能量釋放率增加了兩個(gè)數(shù)量級(jí).

InSb 晶體制備中,通常會(huì)引入不同數(shù)量的位錯(cuò)線.在不受外界影響時(shí),這些位錯(cuò)線深埋于InSb芯片中,一旦進(jìn)行周期性液氮沖擊,這些位錯(cuò)線會(huì)在應(yīng)力集中的驅(qū)動(dòng)下逐步擴(kuò)展、長大,直至延伸到InSb晶片表面,形成貫穿位錯(cuò)線,導(dǎo)致InSb芯片發(fā)生局部微觀碎裂,隨后在多周期液氮沖擊中,這些貫穿位錯(cuò)線在應(yīng)力集中效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)擴(kuò)展,直至形成宏觀的碎裂失效,這一推斷符合實(shí)驗(yàn)歷程,能夠解釋InSb芯片的低周期碎裂失效模式.因此我們認(rèn)為:多周期液氮沖擊中,迸濺金點(diǎn)的存在會(huì)在InSb芯片下表面形成應(yīng)力集中點(diǎn),在一定程度上會(huì)加快位錯(cuò)線的擴(kuò)展,表現(xiàn)為InSb芯片內(nèi)的能量釋放率不斷增加,從而增加InSb芯片出現(xiàn)破碎失效的概率.

6 結(jié)論

低周期液氮沖擊中起源于InSb面陣探測(cè)器邊沿區(qū)域的InSb芯片破碎失效與該區(qū)域中迸濺金點(diǎn)有關(guān).為了從理論上剖析迸濺金點(diǎn)的存在對(duì)InSb芯片碎裂失效的影響,建立了包含迸濺金點(diǎn)的InSb面陣探測(cè)器結(jié)構(gòu)分析模型,以應(yīng)力分量為依據(jù),認(rèn)為迸濺金點(diǎn)的存在對(duì)InSb IRFPAs造成的影響是局部的,在迸濺金點(diǎn)與InSb芯片接觸區(qū)域的兩端附近會(huì)形成兩個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn);以能量釋放率為判據(jù),在應(yīng)力集中處預(yù)置不同長度的初始裂紋用以替代InSb晶片中的位錯(cuò)線,發(fā)現(xiàn)環(huán)繞預(yù)置裂紋的能量釋放率會(huì)隨著預(yù)置裂紋長度的增加而加速增大;綜合應(yīng)力和能量釋放率分量值的大小,認(rèn)為迸濺金點(diǎn)引起的InSb芯片破碎屬于I型斷裂失效模式.在多周期液氮沖擊中,位錯(cuò)線在應(yīng)力集中的驅(qū)使下逐步長大,貫穿InSb芯片,形成微觀局部破碎,局部破碎在應(yīng)力集中效應(yīng)的驅(qū)動(dòng)下繼續(xù)擴(kuò)展,形成宏觀的碎裂失效模式,這一推斷符合實(shí)驗(yàn)歷程,能夠解釋InSb芯片的低周期碎裂失效模式.