付浩1 丁新2
（中国空空导弹研究院 河南洛阳 471009; 2航空工业档案馆 北京 100012）
摘要：在混成式InSb焦平面器件制造过程中，热冲击引起的芯片碎裂是造成器件失效的主要原因，其较高的碎裂概率严重制约InSb焦平面器件成品率。针对InSb焦平面器件温度循环下碎裂的现象，设计出热冲击试验装置，采用该装置，对InSb焦平面器件进行热冲击试验，获得InSb焦平面器件碎裂位置、分布等丰富的试验数据；通过对碎裂机理进行分析，梳理并识别生产过程中引起碎裂的工艺因素，确定了热失配应力和工艺损伤是造成InSb焦平面器件碎裂的两个主要原因。通过对底部填充材料的择优选择、固化过程的优化，控制芯片切割中的进刀速度，选择适合InSb材料的磨料，减少热失配应力，避免生产过程中引入的工艺损伤，降低了InSb焦平面器件碎裂的概率，显著提高InSb焦平面器件的成品率。该研究工作分析了混成式InSb焦平面器件碎裂机理，找到了引起InSb焦平面器件碎裂的主要原因，并采取有效措施，降低了碎裂概率，使成品率提高50%，提升InSb焦平面器件的制造水平，将InSb焦平面器件应力分析结果应用于制造过程，指导探测器结构设计和工艺优化，对320*256、640*512中规模InSb焦平面器件研制具有重要意义。
关键词：焦平面 碎裂 热冲击
1 引言
红外探测器在军用和民用领域具备广阔的市场，其中InSb制冷红外探测器由于稳定性好、制造工艺成熟，在精确制导武器系统、机载光电设备等方面有着广泛的应用。
InSb 面阵探测器通常借助倒装焊技术把InSb光敏元芯片和硅读出电路(silicon readout integrated circuit, Si-ROIC)通过铟柱阵列互连混成.为抑制背景噪声、提高信噪比,高灵敏度的面阵探测器通常工作于液氮温度.在快速降温过程中,由于InSb和Si的膨胀系数不同，将导致铟柱与InSb芯片或读出电路结合处产生应力/应变，引起铟柱焊点断裂，相邻材料之间产生分层开裂或者InSb芯片碎裂，导致探测器性能下降甚至失效。
除热冲击下由于热失配造成的应力/应变导致InSb芯片碎裂外，在焦平面芯片制造过程中会造成工艺损伤，如切割崩边、减薄导致表层损伤、过深的腐蚀坑等，也是InSb芯片在热冲击下碎裂的另一主要因素。
2.热冲击试验
2.1 试验设计
选择减薄后的InSb焦平面阵列芯片，放置在测试台上，测试台四周倒入液氮，为防止液氮飞溅至InSb芯片表面，导致局部温度过低引起表面碎裂，产生无效数据，将一包护罩围绕InSb焦平面阵列芯片四周。
图1 热冲击试验装置
Fig.1 The equipment for thermal shock experiment
采用这种方法，将InSb芯片放置在测试台上10分钟，InSb芯片降至77K，取下InSb芯片恢复至室温，用氮气枪吹去表面水气后，在金相显微镜下观察InSb芯片表面，检查是否出现裂纹，记录裂纹的位置、形状。
2.2 试验结果
按照上述试验方法，对InSb焦平面阵列芯片进行热冲击试验，对产生裂纹的位置、形状进行统计:
a) 裂纹贯穿光敏芯片四个角，并呈一定的角度
b)裂纹出现在InSb芯片中间区域
c) 裂纹自边缘延伸
图2 裂纹位置及形状
Fig.2 The position and distribution of crack
3 碎裂机理分析
导致热冲击下InSb芯片碎裂的因素主要有两个，一是热失配引起应力/应变，二是制造过程中造成的工艺损伤。
InSb芯片为叠层结构，InSb材料的CTE值为5.37ppm/K，读出电路Si材料的CTE值为2.6ppm/K，芯片从室温（300K）到77K的降温范围高达223K，由于InSb芯片和硅读出电路之间线膨胀系数的不同，在快速降温过程中会产生热失配。
对于单个铟柱热失配位移公式：
上式中，Δy为热膨胀失配位移，L为面阵探测器中铟柱焊点距对称中心轴的距离，α1和α2分别是InSb和Si的热膨胀系数，ΔT为降温范围，在降温范一定的情况下，热膨胀失配位移正比于焊点距对称中心距离与相邻材料热膨胀系数差的乘积。
对于InSb芯片和Si读出电路中间有填充胶的情况，填充胶加入后起到了很好的支撑和束缚作用，减少了铟柱的形变，但原本分布在焊点上的应力会被填充胶转移到InSb芯片上，造成应力集中。InSb芯片已被减薄至10um，加上InSb材料易于解理的特性，将导致InSb芯片沿解理面碎裂。该诱因可对应a类裂纹。
InSb芯片背减薄采用化学机械减薄（CMP）,减薄过程中的工艺损伤，主要源于减薄压力通过磨料堆积形成的大颗粒传递到InSb芯片表面，在很小的区域内形成很大的压强，导致芯片表面损伤；InSb芯片减薄后，需通过溶液腐蚀去除表面损伤层。腐蚀过程中，由于材料缺陷、应力等原因，会出现某个小区域腐蚀速度很快，形成较深的腐蚀坑，而腐蚀坑区域InSb的厚度会更薄，抗应力更差，很容易成为裂纹的起源点，在此处形成裂纹并延伸。该诱因对应b类裂纹。
1.5英寸的InSb晶片完成二极管阵列制备、铟柱制备等工序后，通过线切割锯分割出8~9只用于倒焊互连的InSb芯片。由于线切割锯的控制精度、转速等因素影响，切割线边缘产生微小崩边的情况时有发生。崩边意味该处InSb芯片有损伤，抗应力强度变差，在热冲击下有可能最先裂开，成为裂纹的起源点。该诱因对应c类裂纹。
图3 10次热冲击后芯片表面形貌
Fig.3 The chip surface after 10 times of thermal shock
4 减少碎裂采取的措施
4.1 底部填充工艺优化，减少热失配应力
根据InSb、硅以及铟的热膨胀系数，同时针对焦平面工艺要求，经过对比选择，选取一种双组分的环氧胶作为底部填充材料；在底部填充过程中，对器件进行除湿、对胶进行除气，减少胶在填充过程中产生空洞（气泡）的概率；选择合适的固化条件，减少由于固化引入的应力。后续生产过程中，器件经受了封装时的烘烤和热冲击，碎裂现象大幅减少。
4.2 工艺优化，减少工艺损伤导致芯片碎裂的现象
通过优化切割工序的工艺参数、磨料的选取等，降低InSb芯片崩边的概率；在减薄过程中，控制磨盘的转速、压力，避免磨料堆积，可有效减少减薄引入的工艺损伤。
4.3 结果
通过对底部填充材料的择优选择、固化过程的优化，控制芯片切割中的进刀速度，选择适合InSb材料的磨料，减少热失配应力，避免生产过程中引入的工艺损伤，降低了InSb焦平面器件碎裂的概率
5 结论
对128×128元InSb焦平面阵列芯片进行液氮冲击，得到了典型的InSb芯片碎裂的信息，并对裂纹产生的机理进行了初步分析，为探测器在减少碎裂现象而进行的计改进、工艺优化提供理论依据，同时该项工作为焦平面探测器有限元应力分析模型的建立提供了验证数据。
随着InSb焦平面探测器向640×512、1K×1K阵列规模发展，芯片碎裂将是未来InSb焦平面探测器研制中必须解决的关键问题，而更加深入的InSb芯片碎裂机理研究工作则意义重大、亟待开展。
论文作者:付浩1,丁新2
论文发表刊物:《电力设备》2016年第11期
论文发表时间:2016/8/24
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