使用低α粒子锡膏降低微电子封装的软错误率

软错误是指由辐射对硅集成电路（Si ICs）的影响导致的设备的暂时性故障。软错误会影响设备的性能和可靠性，尤其是在空间、防御、医疗和电力系统等高辐射环境中。随着电子设备的不断微型化和高密度化，软错误的发生概率也随之增加，因为现在低能量的α粒子也能翻转一个存储器位或改变逻辑电路的时序。其中，一种主要的α粒子辐射源是用于封装中连接元件的锡膏，它们含有α放射性元素。由于使用了倒装焊（flip-chip）和3D封装，锡膏凸点（solder bumps）已经非常靠近硅器件，即使是低能量的α射线也能引起软错误。因此，需要开发低α活性无铅锡膏（Low Alpha activity Pb-free solders），以减少软错误的发生。

焊料的α粒子来源
含铅焊料被认为是α粒子的主要来源，这一点由北卡罗莱纳州微电子中心（MCNC）进行的一项研究证实，该研究监测了晶圆凸点过程中的每一步的α辐射。铅的放射性可以追溯到 238U。从 238U 开始，它衰变为 210Pb，在 22 年内进一步衰变为 Bi，然后衰变为 Po，再在 138 天内衰变为 206Pb。除了α粒子外，衰变过程还涉及β粒子（电子）排放。β粒子对软错误没有影响。天然铅源中的铀含量相差三个数量级之多。在熔炼和化学提纯过程中，虽然可能会去除其他元素，但由于两种铅同位素的化学性质相同，放射性 210Pb 会与非放射性 206Pb 集中在一起。在熔炼和提纯后的 8 至 9 个月内，铅的α活度可高达 100 α/（cm2 "h）。
α粒子的产生过程：

芯片制造商通常把α粒子的来源分为内在源和外在源。
a)内在源是指存在于加工过的硅本身的源，但通常不太重要。它们是由加工相关因素造成的，如磷酸蚀刻留下的残留物。磷酸通常用于晶圆制造过程中硅氮化物绝缘薄膜的图案化；它的纯度通常相对较低，含有低水平的放射性同位素。其他内在源包括薄膜氧化物和氮化物中的痕量杂质、植入操作过程中添加到硅中的无关杂质以及硅晶片本身的杂质。
b) 外在源：外在源通常与硅芯片不同，但在集成电路封装内。大多数α粒子源都属于这一类。表 1 列出了微电子封装中最常见的α粒子源。表 2列出了其中一些α粒子发射源的单个贡献估计值。目前认为，几乎所有用于集成电路封装的材料都会导致软错误发生。由于尺寸缩小，距离拉近，器件对 SER 的敏感度不断提高，因此有必要对进厂材料和制造工艺制定例行监控程序。

表 1. 微电子封装中最常见的α粒子源

表2. 微电子封装中使用的一些常见材料的α辐射活度

低α粒子锡膏的开发和应用
为了降低锡膏中的α粒子活度，有两种主要的方法：一是使用无铅焊料，二是使用低α活性铅焊料。无铅焊料是指不含铅或含铅量极低的焊料，它们通常由锡、银、铜等元素组成。无铅焊料的优点是可以避免铅对环境和人体的危害，同时也可以消除锡膏中的α粒子来源。
低α活性铅焊料是指经过特殊处理，去除了放射性 210Pb 的铅焊料。这种处理方法通常包括两个步骤：一是使用高纯度的原材料，二是使用真空或惰性气体环境进行熔炼和提纯。这样可以有效地降低锡膏中的α粒子活度，达到 0.01 α/（cm2 "h）以下。低α活性铅焊料的优点是可以保持铅焊料的优良性能，如低熔点、低氧化性、低蠕变性、低金属间化合物形成率等，同时也可以减少软错误的发生。
目前，低α活性无铅锡膏已经在一些高端微电子封装领域得到了应用，如航天航空、医疗器械和电力系统等。这些领域对设备的可靠性要求非常高，不能容忍任何软错误的发生。因此，使用低α活性无铅锡膏可以有效地提高设备的抗辐射能力和安全性。

福英达低α粒子焊料
低α焊料系列，是福英达公司为SiP系统级封装、Flip Chip芯片倒装等高密度、微型化封装开发的具有低α粒子计数的高铅焊料。应用于移动通信（智能手机、平板电脑、穿戴设备）、 物联网（Wi-Fi, BLTE,UWB,LTE-M & NB-IoT、消费、工业）、 汽车（信息娱乐系统）、 高性能运算（运算、网络、 人工智能）等领域。
福英达低α产品包含low alpha (<0.01 cph/cm2) 和ultra low alpha (<0.002cph/cm2) 两种放射级别，无铅、高铅合金，粒径型号覆盖T3、T4、T5、T6。该低α焊料系列具有锡粉球形度好、粒度分布窄、氧含量低、化学纯度高等优点，满足α粒子放射规格要求，并可提供客制化开发服务。欢迎来电咨询。

参考文献
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.


审核编辑 黄宇