声表面波器件裂片质量缺陷的分析与解决.doc

1、声表面波器件裂片质量缺陷的分析与解决摘要：本文通过对声表面波器件（SAWD）裂片质量缺陷的分析，从晶片粘接机理到粘结材料的选择与匹配、产品封装过程、芯片材料的特性以及生产工艺控制等，针对声表面波器件裂片质量缺陷产生的原因进行了深入的理论分析并给出了相应的解决办法。具体探索了在粘结材料中添加二氧化硅粉末以降低环氧树脂粘结材料的热膨胀系数，有效控制声表裂片发生几率的工艺条件，在产品封装时增加必要的热处理过程并优化控制封装环境以大幅降低封装过程中裂片的失效比例，以及在生产中减少不必要的温度循环等方法来预防裂片失效的发生。 关键词：粘片；裂片 中图分类号：TB556 文献标识码：A 裂片质量缺陷直接导

2、致声表面波器件失效，是声表面波器件的严重质量缺陷之一。裂片的发生主要与生产过程中的粘片工艺有关，其次与封装以及原材料也有一定的关系。 粘片工艺是把划片后的芯片用粘合剂粘附在管座（金属、陶瓷管座或塑封支架）上，通过热固化或光固化使芯片和管座牢固粘合在一起。粘片的主要质量问题是粘结强度不够导致掉片和粘结过程中由于逐多因素的影响导致的裂片。其中，裂片是由粘片过程中的应力造成的，产生的原因根据具体情况有所不同，应力集中效应导致裂片通常发生在芯片强度最低的部位（如缺陷损伤、表面划痕） ，当各种原因造成的应力积累到超过该处的应力承受能力时，缺陷将会失去稳定而发生扩展并直至裂片。本文着重针对声表面波器件（S

3、AWD） （简称声表器件）粘接工艺过程中裂片产生的原因进行分析，并通过实验验证给出具体的相应解决方案。1 粘片工艺裂片质量缺陷的分析： 在固化和温度循环过程中，当粘合剂1由粘流态转变为玻璃态（或由高弹态转变为玻璃态）时，会发生体积收缩，材料刚度也随之增加；由于粘合剂与芯片、塑封支架等热膨胀系数相差较大，它的收缩将受到周围材料的约束，并对芯片产生机械应力（剪切应变和拉伸应变）2，这种应力会随温度的骤减而迅速增大.在热循环所产生应力的反复作用下，将使最初发生的微观损伤，扩展形成宏观裂纹，最终引起芯片开裂。 声表面波器件的常用管芯材料是铌酸锂（LiNbO3） ，其热膨胀系数见表 1，引线框架的材料是

4、镀金铜合金，热膨胀系数 1710-6/4，粘片剂的热膨胀系数应选择与二者接近。通常声表器件的粘片剂大多采用粘结强度很好的环氧树脂材料，其温度系数如表 2，从表中数据可以看出粘片剂与铌酸锂芯片和引线框架热膨胀系数相差甚远。在实验中我们通过添加熔融二氧化硅之类的无机填充剂粉末来大幅度降低环氧树脂粘结材料的热膨胀系数，从而有效的降低了裂片的发生。 实验利用纯环氧树脂和添加了二氧化硅粉末的环氧树脂，各粘结 40只数字电视中频声表 F6763，在 100程控烘箱中固化一定时间后观察其裂片情况，具体实验数据见表 3。从实验数据可以明显看出采用添加了二氧化硅粉末的环氧树脂进行粘片的声表基本没有裂片产生，而采

5、用纯环氧树脂进行粘片的声表有裂片发生，并且随着固化时间的加长裂片数量也在增加。裂片声表的芯片开裂解剖图见图 1。 表 13 铌酸锂晶体热膨胀系数 表 24 环氧树脂热膨胀系 图 1 数字电视中频声表 F6763 芯片裂 表 3 数字电视中频声表 F6763 实验数据 2 封装对裂片的影响 声表器件的工作原理要求其管芯表面必须是自由表面，即完成封装后的声表器件内部在管芯与外壳之间必须是一个空腔。所以，完成封装后的声表器件可视为一个密闭容器，此时有：P1/T1 =P2/T2（其中 P1、T1 为封装时腔内的压强和温度；当产品升温至 T2 时，管壳腔内压强 P2 将是 P1 的（T2/T1）倍。换言

6、之，当产品在室温（20）常压下包封后，把温度由室温升至 100，芯片将要承受 5 倍的大气压力。另外，如果封装环境的湿度大，管壳吸附的水分在高温时将汽化，会使腔内压力进一步增大。增大的腔内压力使器件发生变形并通过粘接剂对芯片施加应力，当管芯承受的应力达到一定的程度，就会发生开裂失效。 生产中我们通过采用下面两种方法，很好地控制了芯片因封装所造成的开裂失效。 a）封装前对待封产品进行充分的予热处理，让产品吸附的水分及粘片胶溶剂充分挥发。 b）提高包封温度.可在高温下包封，室温或低于包封温度下固化（注意避免漏胶现象） 。 统计了生产中两组数据，采取以上两措施前和采取措施后生产的数字电视中频声表 F

7、6125 经高温老化后发现，采取措施后的裂片率远低于采取措施之前。 表 4 数字电视中频声表 F6125 裂片统计数据 3 铌酸锂晶片的压电性和高热释电性能5对裂片的影响 声表器件的管芯材料铌酸锂（LiNbO3）具有高热释电性，当温度变化时晶片自发极化将发生变化，在晶片表面会感应出大量静电荷，这些静电荷产生的静电场通过逆压电效应，在晶片的伸缩变形方向产生形变应力，称为静电应力。这种静电应力也是裂片产生的原因之一。因为处于干燥密闭的声表器件腔内，芯片表面的静电释放非常地缓慢，随温度变化以及保温时间的增加，静电场不断加强，应力会不断增加,当超过应力承受能力时，缺陷将会失去稳定而发生扩展并直至裂片。

8、表 5 实验仍以数字电视中频声表 F6763 各取成品 50 只分四组进行实验，实验数据见表 5。 表 5 数字电视中频声表 F6763 实验数据 经过反复的实验验证，证明上述理论分析是正确的。反复的温度变化会导致芯片静电荷的累计致使芯片应力增大最终导致芯片来裂。因此在批量生产中要减少不必要的高温处理并降低处理温度，增加两次高温处理的时间间隔。 4 材料和工艺控制对裂片的影响 虽然热匹配、封装、热释电等会产生不同的应力，但如果不出现应力集中，裂片发生的可能性将会明显减少。而材料缺陷和工艺缺陷是造成应力集中的主要原因，因此前部工序要尽可能减少芯片微小裂纹及暗伤的出现。下面是我们在生产实践中总结出

9、来的几条建议： 1）由于晶体缺陷会造成晶格畸变产生应力，这些缺陷包括位错、小角晶界、孪晶、包裹物及极化不完全残留的多畴结构6等。因此要避免使用表面有划痕、麻点或呈橘皮状的晶片；避免使用极化不完全的晶片；避免用粗砂打毛晶片；不使用厚度过薄的晶片。 2）各工步清洗时溶液温差要小于 30。 3）划片缺陷是产生裂片的重要诱因之一。要求划片深度适宜易于分片，避免使用片内厚度偏差大于0.05mm 的晶片，以免划片吃刀深浅不同；避免出现崩边、惊纹、毛刺、暗伤等。 4）虽然粘片本身不造成裂片，但若操作不当，将起重要诱发作用。通常对粘片工艺的要求是：粘片胶厚度要均匀一致，不能出现粘结空洞（经多次温度循环，会使空

10、洞增大及在粘结层产生更多气泡） ，因为空洞会严重降低芯片的散热性能和机械性能，导致内部应力的集中。为此要作到支架、芯片洁净，不缩胶；胶厚适宜，涂胶均匀；放片后要轻轻下压，使芯片、支架与粘片胶充分均匀接触浸润.另要确保粘结剂固化充分。5）压焊要压力适当，压力过大会对芯片有损伤。 6）封装尤其是金属封装时要尽量减小震动冲击。 5 结束语 声表器件裂片失效属于重大质量缺陷，只要在生产实践中很好的控制各个因素就能有效的控制裂片的发生，经采取以上措施后,大批量的生产实践证明声表器件裂片失效率可控制在 10PPM 以内,在提升声表器件产品性能的同时,切实提高并保证了产品的可靠性指标。 参考文献： 1 张开.粘合与密封材料M.北京：化学工业出版社，2001. 2 樊子良,虞鑫海,刘万章.环氧树脂-聚酰亚胺粘结剂的研究M.中国树脂网，2011. 3 薛挺.准位相匹配铌酸锂波导倍频特性分析与优化设计 J.物理学报 第 51 卷第 3 期，2002. 4 陈文怡;端胺基聚氨酯/环氧树脂胶粘剂的固化过程与热性能研究D;武汉理工大学 5 夏宗仁，崔坤，徐家跃.弱热释电效应黑色铌酸锂、钽酸锂警惕研究J.压电与声光，2004 年 02 期. 6 孔勇发;孙军;黄自恒;陈绍林;张玲;刘士国;许京军;大尺寸光学级铌酸锂晶体A;第 14 届全国晶体生长与材料学术会议论文集C;2006 年.