柔性基板上超薄硅芯片的弯曲疲劳评估与失效模式

《FlexTech》：Bending Fatigue Evaluation and Failure Modes of Ultra-Thin Silicon Chips on Flexible Substrates

　　

柔性集成电路技术使下一代更灵活、更自由、更轻、更小的智能硬件成为可能，为具身智能、医疗健康和工业物联网等应用提供信息感知和边缘计算能力。通过将多种芯片减薄并集成到薄膜聚合物基板上，这些柔性集成器件保留了半导体器件的优势，包括高集成密度、低功耗和成熟的前端工艺，而无需改变基本的器件结构和材料。尽管超薄芯片在柔性封装后电性能基本保持不变，但由于硅与聚合物材料之间存在显著的性能失配，重复弯曲变形过程中的机械可靠性一直是关键问题，可能导致硅断裂、界面失效以及最终器件失效。研究人员调查并评估了厚度为20 μm的芯片在不同曲率半径重复弯曲变形下的疲劳寿命。通过系统性实验，观察到了典型失效现象的演化，发现了三类失效模式，包括金属焊盘磨损、金属应力迁移和金线断裂。研究人员通过微尺度表征分析并解释了潜在的失效机制。最后，研究人员探索了温度对疲劳寿命的影响，以期为柔性芯片的基于加热的加速疲劳寿命评估方法提供启示。希望这项工作能为柔性集成器件在广泛智能硬件产品中的大规模应用设计提供重要支持。

柔性集成电路技术是下一代智能硬件的关键基础，其核心途径之一是将高性能无机半导体芯片（主要是硅）减薄至数十微米以下，并异质集成到超薄聚合物基板上。这种方案保留了半导体前端工艺的全部优点，同时赋予了系统优异的机械柔韧性和轻量化特性。然而，硅与聚合物材料之间的显著性能失配导致重复弯曲载荷下可能出现硅断裂、界面失效等机械可靠性问题。以往研究多集中于单次弯曲的电性能表征，而实际应用中器件往往承受循环弯曲载荷，因此系统研究循环弯曲疲劳寿命及退化机理至关重要。

针对这一问题，研究人员以厚度为20 μm的CMOS运算放大器芯片（RS8564，RUNIC Technology Co. LTD, China）为对象，研究了不同曲率半径下重复弯曲变形对超薄柔性芯片疲劳寿命的影响。该芯片尺寸为1.6 mm × 1.9 mm，采用背面研磨（DBG）和化学机械抛光（CMP）减薄至20 μm，并通过金线键合和硅胶封装实现柔性封装。研究人员开发了一套定制化的拉-弯耦合加载台，能够定量控制拉伸力、弯曲半径和温度，实现了对弯曲疲劳过程的精确模拟。实验中共测试30个样品，最大弯曲循环次数达200,000次。研究发现疲劳寿命曲线呈经典“浴盆曲线”特征，分为早期失效期、正常寿命期和磨损期。通过扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束（FIB）、能谱分析（EDS）和发射显微镜红外技术（EMMI）等手段，识别出三种典型失效模式：金属焊盘磨损、金属应力迁移和金线断裂。早期失效主要由制造缺陷引起，包括芯片断裂和输出信号漂移，可通过预筛选剔除。金属焊盘磨损源于循环弯曲中铝焊盘与硅胶封装层之间的微动摩擦，导致材料迁移并最终引发芯片断裂。金属应力迁移是应力梯度驱动铝原子从互连线扩散至相邻隔离沟槽，形成导电桥导致短路。金线断裂则是由于键合点处应力集中，在循环载荷下累积疲劳损伤所致。此外，研究人员在50°C至125°C温度下进行了加速寿命试验，采用阿伦尼乌斯（Arrhenius）模型拟合寿命曲线，发现高温显著加速金属迁移和焊盘磨损，缩短芯片寿命。

该研究建立了柔性芯片弯曲疲劳的系统评估方法，揭示了多种失效模式的微观机理，为柔性集成器件的可靠性设计和加速寿命测试提供了重要指导。研究成果发表在《FlexTech》期刊上。

研究人员为开展研究用到的主要技术方法包括：采用DBG（Dicing Before Grinding）工艺结合CMP实现20 μm超薄芯片制备；定制拉-弯耦合加载台，实现拉伸力、弯曲半径和温度三参数的定量控制；利用标准应变片进行加载台变形校准；构建基于STM32微控制器的电性能实时监测电路；应用SEM、FIB、EDS和EMMI进行失效分析；通过有限元模拟分析金线应力分布；使用硅油润滑实验验证磨损机理；开展多温度点加速寿命试验，并利用Arrhenius模型外推寿命与加速因子。

研究结果具体如下：

**疲劳寿命曲线与失效统计**：通过30个样品的循环弯曲测试，绘制了瞬时失效率和累积失效率随弯曲循环次数的演化曲线，呈现典型“浴盆曲线”特征。早期失效（10³–10⁴次）源于制造缺陷，芯片断裂占20%，输出漂移占6.6%；中期（7×10⁴–1.2×10⁵次）失效率达36.6%，主要失效模式为焊盘磨损导致的芯片断裂（20%）和输出振荡（16.6%）；晚期（1.5×10⁵–2×10⁵次）金线断裂占13.3%。最终存活率为20%。

**金属焊盘磨损机理**：通过FIB切片和SEM观察，发现铝焊盘表面出现暗色磨损形貌，并伴有金属聚集和钝化层微裂纹。机制为循环弯曲中焊盘与硅胶封装层发生微米级相对滑移（微动），造成材料损伤和迁移。硅油润滑实验证实，润滑可有效抑制磨损，证明该失效由摩擦驱动。

**金属应力迁移机理**：输出电压从2.1 V间歇波动至0 V的失效器件中，EMMI定位到异常亮点，SEM和EDS显示互连金属线之间的硅沟槽内富集了铝，形成导电桥导致短路。应力迁移是主要驱动力，弯曲应力在沟槽处集中，驱动铝原子沿应力梯度扩散。

**金线断裂机理**：无封装对比实验中，金线在5×10⁴次循环后大量断裂，而封装器件仅出现焊盘磨损。有限元分析表明键合点处最大主应力达4.86 MPa。封装胶虽保护金线，但也会传递应力，导致键合点疲劳断裂。

**温度加速寿命试验**：在50°C、75°C、100°C、125°C下进行疲劳测试，红外测量显示弯曲态芯片温度高于平直态。高温加速中期失效，加剧表面金属化磨损。寿命数据符合Arrhenius模型，随温度升高寿命显著下降。

在讨论部分，研究人员指出金线几何形状与键合参数需针对目标弯曲半径优化，封装策略需权衡支撑效果与应力传递，建议采用局部封装与低应力缓冲层结合的设计。键合工艺需消除亚表面微裂纹，并通过短时高应力预筛选剔除边缘键合强度不足的器件。这些结论为柔性芯片的抗弯曲疲劳设计提供了具体方向。

研究结论部分翻译如下：采用DBG和CMP工艺制备了厚度为20 μm的柔性运算放大器芯片，研究了不同曲率半径下重复弯曲变形对超薄柔性芯片疲劳寿命的影响。定制了拉-弯耦合加载台，可定量调节拉伸力、弯曲半径和加热温度。实验中观察到“浴盆式”寿命曲线，识别出三种典型失效模式：金属焊盘磨损、金属应力迁移和金线断裂，并采用SEM、FIB、EDS和EMMI对每种模式进行了分析。此外，通过多温度疲劳试验评估了热加速效应，为不同环境下的长期部署提供了指导。综上所述，该研究不仅提出了一种有效的柔性芯片弯曲疲劳测试方法，还通过加速寿命试验深入理解了芯片在不同环境条件下的行为。该项工作的主要发现适用于采用类似工艺（如CMOS、BCD和Bi-CMOS）和类似柔性封装方案的数字及模拟芯片可靠性分析。未来仍需研究其他封装结构（如CIP、多芯片堆叠）、其他载荷模式（如扭转、反向弯曲）以及新工艺（如TSV）带来的新失效模式。