Эффект образования кратеров (bond cratering) — это критический микроскопический дефект, возникающий в процессе ультразвуковой термокомпрессионной сварки (thermosonic wire bonding), когда под контактной площадкой (bond pad) на поверхности кремниевого кристалла (die) образуются трещины или выкрашивания материала. Визуально это напоминает кратер, отсюда и название. Дефект является скрытым (latent defect) и может привести к катастрофическому отказу микросхемы в процессе эксплуатации под воздействием механических нагрузок или термоциклирования. Он напрямую связан с технологией первого соединения — шариковой сварки (ball bonding).
Причины возникновения
Дефект возникает из-за чрезмерного механического напряжения, передаваемого через шарик сварки (bond ball) на хрупкий кремний и диэлектрические слои под контактной площадкой. Основные факторы:
-
Избыточное усилие сжатия (bonding force) при формировании шарика.
-
Чрезмерная мощность ультразвука (ultrasonic power).
-
Повышенная температура подложки (substrate temperature).
-
Неправильные свойства металлизации контактной площадки (толщина, адгезия к подложке).
-
Хрупкость или внутренние дефекты материала кристалла в зоне контактной площадки.
Последствия и контроль
Кратер создаёт точку концентрации напряжения, откуда может начаться рост трещины, приводящий к полному отслоению металлизации (lifted metallization) или разрушению кристалла. Дефект не обнаруживается стандартными методами неразрушающего контроля (NDT) после сборки. Для его выявления применяются деструктивные методы контроля качества: декапсуляция корпуса (decapsulation) и последующее травление или сканерная акустическая микроскопия (Scanning Acoustic Microscopy, SAM), позволяющая визуализировать дефекты под поверхностью.
Профилактика заключается в строгой оптимизации и стабилизации параметров сварочного процесса (усилия, мощности, времени, температуры) в соответствии с рекомендациями стандарта IPC-7091 для flip-chip и wire bonding, а также в использовании кристаллов с усиленной структурой под контактными площадками.
Значение для контрактного производства корпусов
Для контрактных производителей, занимающихся корпусированием микросхем (assembly and packaging), наличие эффективного контроля этого дефекта является признаком высокого технологического уровня и обязательно требуется для поставки высоконадёжных изделий, особенно для автомобильной, аэрокосмической и военной отраслей.
Источники: Стандарт IPC-7091 (Design and Assembly Process Implementation for Flip Chip and Wire Bond BGA), технические статьи и исследования по надёжности полупроводниковых приборов и процессам корпусирования.