Abstract

Local cleavage of indium antimonide (InSb) chip always occurs in the manufacture of the InSb infrared focal plane detectors (IRFPAs), and this specific fracture phenomenon restricts the improvement of the yield of the InSb IRFPAs. After analysis, we think that the cleavage of InSb chip in the edge region of the InSb IRFPAs is related to the splashed gold bump existing in this region, and this failure phenomenon dominates in the low-cyclic liquid nitrogen shocking tests. In order to clarify the influence of the splashed gold bump on the cleavage of the InSb chip, we establish a structural model of the InSb IRFPAs containing the splashed gold bump, and analyze the influence of the splashed gold bump on the thermal stress distribution in the InSb chip. Besides, we preset the initial cracks with different lengths at the stress concentration sites to describe the dislocations in InSb wafers. Using the energy release rate as criterion, we obtain the relationship between the cleavage of the InSb chip and the dislocation line length in the presence of splashed gold bump. The main conclusions are drawn as follows. 1) The influence of the splashed gold bump on the cleavage of the InSb chip is localized, and two stress concentration sites are formed in the outermost part of the contact region between the splashed gold bump and the InSb chip. 2) The energy release rate surrounding the preset crack increases promptly with the preset crack length increasing. 3) Cleavage of the InSb chip caused by the splashed gold bump belongs to the type I fracture failure mode. In the cyclic liquid nitrogen shocking tests, the dislocation line gradually punches through the InSb chip under the driving of the concentrating stress, and forms the macro cleavage of the InSb chip.

Highlights

  • chip always occurs in the manufacture of the InSb infrared focal plane detectors

  • this specific fracture phenomenon restricts the improvement of the yield of the InSb IRFPAs

  • we think that the cleavage of InSb chip

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Summary

InSb 芯片碎裂与迸溅金点的关系*

批量生产中经常发生的锑化铟 (InSb) 芯片碎裂问题制约着 InSb 红外焦平面探测器 (IRFPAs) 成品率的 提升. 经分析认为: 低周期液氮冲击下发生在器件边沿区域的 InSb 芯片破碎与该区域中迸溅金点的存在有 关. 为从理论上明晰迸溅金点对 InSb 芯片局部碎裂的影响, 本文建立了包含迸溅金点的 InSb IRFPAs 结构 模型, 分析了迸溅金点的存在对应力分布的影响. 在此基础上, 在应力集中处预置不同长度的初始裂纹用以 描述 InSb 晶片中的位错, 以能量释放率为判据, 探究 InSb 芯片碎裂与迸溅金点和位错线长短的关系. 结论如 下: 1) 迸溅金点的存在对 InSb 芯片碎裂的影响是局部的, 在迸溅金点与 InSb 芯片接触区域的两侧会形成两 个应力集中点; 2) 环绕预置裂纹的能量释放率会随着预置裂纹长度的增加而加速增大, 当预置裂纹长度接近 InSb 芯片上表面时, 能量释放率近乎指数增加, 并在预置裂纹贯穿 InSb 芯片时达到最大值; 3) 迸溅金点引起 的 InSb 芯片破碎属于 I 型断裂失效模式, 在多周期液氮冲击中, 位错线在应力集中效应的驱使下逐步扩展, 直至贯穿 InSb 芯片, 最终形成宏观碎裂失效现象. 批量生产中经常发生的锑化铟 (InSb) 芯片碎裂问题制约着 InSb 红外焦平面探测器 (IRFPAs) 成品率的 提升. 为从理论上明晰迸溅金点对 InSb 芯片局部碎裂的影响, 本文建立了包含迸溅金点的 InSb IRFPAs 结构 模型, 分析了迸溅金点的存在对应力分布的影响. 在此基础上, 在应力集中处预置不同长度的初始裂纹用以 描述 InSb 晶片中的位错, 以能量释放率为判据, 探究 InSb 芯片碎裂与迸溅金点和位错线长短的关系. 待器件封装完成后, 器件初期能够经受一定次数的 液氮冲击而不发生 InSb 芯片碎裂, 但随着液氮 冲击次数的增多, 出现了 InSb 芯片碎裂的现象. 为从理论上剖析迸溅 金点的存在与 InSb 芯片碎裂失效之间的关系, 本 文建立了包含迸溅金点的 InSb 面阵探测器结构模 型, 用以定量分析迸溅金点对器件失效的影响. 上述研究能够从宏观层面揭示 InSb IRFPAs 发生局部失效的原因, 缺乏对 InSb 芯片碎裂失效微观层面的解读, 不能直接用来解释 因迸溅金点的存在造成 InSb 芯片的破碎现象. 为 此, 本文建立了包含迸溅金点的 InSb IRFPAs 结 构模型, 用于分析迸溅金点的存在对 InSb 面阵探 测器结构可靠性的影响, 以应力分量为标准, 探讨 InSb 芯片的局部碎裂失效模式, 以能量释放率为 依据, 引入虚拟裂纹替代位错线, 剖析破碎起源地, 以期从宏观与微观两个层面剖析 InSb 芯片在迸溅 金点作用下的破碎机理. InSb 面阵探测器的主要制备工艺包括 InSb 芯片制备、硅读出电路 (readout integrated circuits, ROIC) 制备、倒焊互连、底充胶填充及其固化、InSb 芯片背减薄工艺、增透膜淀积以及后续探测器与杜 瓦组件的封装和测试等 [7,8], 具体流程如图 1 所示. 需要指出的是, 在 InSb 芯片和硅 ROIC 制备中, 为实现光生电信号的输出, 需要采用热蒸发的方式 蒸镀较厚的金属电极和互连铟层, 分别形成传输信 号的电极和用于倒焊互连的铟柱阵列. 热蒸发期间 难免会发生熔融金属的迸溅现象, 迸溅金属液滴一 旦和 InSb 芯片或者硅 ROIC 接触, 冷却后就会形 成局部增厚的现象, 形成一定形状的金点或者铟 点. InSb 面阵探测器的主要制备工艺包括 InSb 芯片制备、硅读出电路 (readout integrated circuits, ROIC) 制备、倒焊互连、底充胶填充及其固化、InSb 芯片背减薄工艺、增透膜淀积以及后续探测器与杜 瓦组件的封装和测试等 [7,8], 具体流程如图 1 所示. 需要指出的是, 在 InSb 芯片和硅 ROIC 制备中, 为实现光生电信号的输出, 需要采用热蒸发的方式 蒸镀较厚的金属电极和互连铟层, 分别形成传输信 号的电极和用于倒焊互连的铟柱阵列. 热蒸发期间 难免会发生熔融金属的迸溅现象, 迸溅金属液滴一 旦和 InSb 芯片或者硅 ROIC 接触, 冷却后就会形 成局部增厚的现象, 形成一定形状的金点或者铟 点. 离散迸溅金点如果位于光敏元阵列区域, 则会 被筛选出来, 离散迸溅金点如果位于光敏元阵列区 域外边, 这些区域不是成像器件的核心区域, 可能 会被忽略, 从而进入后续封装工艺. 当液氮冲击次 数累积到一定程度时, 就会发生 InSb 芯片始于器 件边缘的碎裂现象

InSb chip back thinning process
InSb chip Silicon ROIC
InSb IRFPAs with splashed gold point
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