使用低α粒子錫膏降低微電子封裝的軟錯(cuò)誤率

軟錯(cuò)誤是指由輻射對(duì)硅集成電路（Si ICs）的影響導(dǎo)致的設(shè)備的暫時(shí)性故障。軟錯(cuò)誤會(huì)影響設(shè)備的性能和可靠性，尤其是在空間、防御、醫(yī)療和電力系統(tǒng)等高輻射環(huán)境中。隨著電子設(shè)備的不斷微型化和高密度化，軟錯(cuò)誤的發(fā)生概率也隨之增加，因?yàn)楝F(xiàn)在低能量的α粒子也能翻轉(zhuǎn)一個(gè)存儲(chǔ)器位或改變邏輯電路的時(shí)序。其中，一種主要的α粒子輻射源是用于封裝中連接元件的錫膏，它們含有α放射性元素。由于使用了倒裝焊（flip-chip）和3D封裝，錫膏凸點(diǎn)（solder bumps）已經(jīng)非?？拷杵骷?，即使是低能量的α射線也能引起軟錯(cuò)誤。因此，需要開發(fā)低α活性無(wú)鉛錫膏（Low Alpha activity Pb-free solders），以減少軟錯(cuò)誤的發(fā)生。

焊料的α粒子來(lái)源

含鉛焊料被認(rèn)為是α粒子的主要來(lái)源，這一點(diǎn)由北卡羅萊納州微電子中心（MCNC）進(jìn)行的一項(xiàng)研究證實(shí)，該研究監(jiān)測(cè)了晶圓凸點(diǎn)過(guò)程中的每一步的α輻射。鉛的放射性可以追溯到 238U。從 238U 開始，它衰變?yōu)?210Pb，在 22 年內(nèi)進(jìn)一步衰變?yōu)?Bi，然后衰變?yōu)?Po，再在 138 天內(nèi)衰變?yōu)?206Pb。除了α粒子外，衰變過(guò)程還涉及β粒子（電子）排放。β粒子對(duì)軟錯(cuò)誤沒(méi)有影響。天然鉛源中的鈾含量相差三個(gè)數(shù)量級(jí)之多。在熔煉和化學(xué)提純過(guò)程中，雖然可能會(huì)去除其他元素，但由于兩種鉛同位素的化學(xué)性質(zhì)相同，放射性 210Pb 會(huì)與非放射性 206Pb 集中在一起。在熔煉和提純后的 8 至 9 個(gè)月內(nèi)，鉛的α活度可高達(dá) 100 α/（cm2 "h）。

α粒子的產(chǎn)生過(guò)程：

芯片制造商通常把α粒子的來(lái)源分為內(nèi)在源和外在源。

a)內(nèi)在源是指存在于加工過(guò)的硅本身的源，但通常不太重要。它們是由加工相關(guān)因素造成的，如磷酸蝕刻留下的殘留物。磷酸通常用于晶圓制造過(guò)程中硅氮化物絕緣薄膜的圖案化；它的純度通常相對(duì)較低，含有低水平的放射性同位素。其他內(nèi)在源包括薄膜氧化物和氮化物中的痕量雜質(zhì)、植入操作過(guò)程中添加到硅中的無(wú)關(guān)雜質(zhì)以及硅晶片本身的雜質(zhì)。

b) 外在源：外在源通常與硅芯片不同，但在集成電路封裝內(nèi)。大多數(shù)α粒子源都屬于這一類。表 1 列出了微電子封裝中最常見的α粒子源。表 2列出了其中一些α粒子發(fā)射源的單個(gè)貢獻(xiàn)估計(jì)值。目前認(rèn)為，幾乎所有用于集成電路封裝的材料都會(huì)導(dǎo)致軟錯(cuò)誤發(fā)生。由于尺寸縮小，距離拉近，器件對(duì) SER 的敏感度不斷提高，因此有必要對(duì)進(jìn)廠材料和制造工藝制定例行監(jiān)控程序。

表 1. 微電子封裝中最常見的α粒子源

表2. 微電子封裝中使用的一些常見材料的α輻射活度

低α粒子錫膏的開發(fā)和應(yīng)用

為了降低錫膏中的α粒子活度，有兩種主要的方法：一是使用無(wú)鉛焊料，二是使用低α活性鉛焊料。無(wú)鉛焊料是指不含鉛或含鉛量極低的焊料，它們通常由錫、銀、銅等元素組成。無(wú)鉛焊料的優(yōu)點(diǎn)是可以避免鉛對(duì)環(huán)境和人體的危害，同時(shí)也可以消除錫膏中的α粒子來(lái)源。

低α活性鉛焊料是指經(jīng)過(guò)特殊處理，去除了放射性 210Pb 的鉛焊料。這種處理方法通常包括兩個(gè)步驟：一是使用高純度的原材料，二是使用真空或惰性氣體環(huán)境進(jìn)行熔煉和提純。這樣可以有效地降低錫膏中的α粒子活度，達(dá)到 0.01 α/（cm2 "h）以下。低α活性鉛焊料的優(yōu)點(diǎn)是可以保持鉛焊料的優(yōu)良性能，如低熔點(diǎn)、低氧化性、低蠕變性、低金屬間化合物形成率等，同時(shí)也可以減少軟錯(cuò)誤的發(fā)生。

目前，低α活性無(wú)鉛錫膏已經(jīng)在一些高端微電子封裝領(lǐng)域得到了應(yīng)用，如航天航空、醫(yī)療器械和電力系統(tǒng)等。這些領(lǐng)域?qū)υO(shè)備的可靠性要求非常高，不能容忍任何軟錯(cuò)誤的發(fā)生。因此，使用低α活性無(wú)鉛錫膏可以有效地提高設(shè)備的抗輻射能力和安全性。

福英達(dá)低α粒子焊料

低α焊料系列，是福英達(dá)公司為SiP系統(tǒng)級(jí)封裝、Flip Chip芯片倒裝等高密度、微型化封裝開發(fā)的具有低α粒子計(jì)數(shù)的高鉛焊料。應(yīng)用于移動(dòng)通信（智能手機(jī)、平板電腦、穿戴設(shè)備）、 物聯(lián)網(wǎng)（Wi-Fi, BLTE,UWB,LTE-M & NB-IoT、消費(fèi)、工業(yè)）、 汽車（信息娛樂(lè)系統(tǒng)）、 高性能運(yùn)算（運(yùn)算、網(wǎng)絡(luò)、 人工智能）等領(lǐng)域。

福英達(dá)低α產(chǎn)品包含low alpha (<0.01 cph/cm2) 和ultra low alpha (<0.002cph/cm2) 兩種放射級(jí)別，無(wú)鉛、高鉛合金，粒徑型號(hào)覆蓋T3、T4、T5、T6。該低α焊料系列具有錫粉球形度好、粒度分布窄、氧含量低、化學(xué)純度高等優(yōu)點(diǎn)，滿足α粒子放射規(guī)格要求，并可提供客制化開發(fā)服務(wù)。歡迎來(lái)電咨詢。

參考文獻(xiàn)

Santosh Kumar, Shalu Agarwal and Jae Pil Jung (2013). Soft error issue and importance of low alpha solders for microelectronics packaging. Rev. Adv. Mater. Sci.34 185-202.