IC失效分析(塑封體分層).xls

塑封器件常見(jiàn)失效模式及其機(jī)理分析 1、受潮 腐蝕 對(duì)塑封器件而言，濕氣滲入是影響其氣密性導(dǎo)致失效的重要原因之一。濕氣滲入器件主要有兩條途徑： 1）由于樹(shù)脂本身的透濕率與吸水性，水氣會(huì)直接通過(guò)塑封料包封層本體擴(kuò)散到芯片表面； 2）通過(guò)塑封料包封層與金屬框架間的間隙，然后再沿著內(nèi)引線與塑封料的封接界面進(jìn)入器件芯片表面。 當(dāng)濕氣通過(guò)這兩條途徑到達(dá)芯片表面時(shí)，在表面形成一層導(dǎo)電水膜，并將塑封料中的Na+、CL離子也隨之帶入， 在電位差的作為下，會(huì)加速對(duì)芯片表面鋁布線的電化學(xué)腐蝕，最終導(dǎo)致電路內(nèi)引線開(kāi)路。隨著電路集成度的不斷提 高，鋁布線越來(lái)越細(xì)，因此，鋁布線腐蝕對(duì)器件壽命的影響就越發(fā)嚴(yán)重。 其腐蝕機(jī)理均可歸結(jié)為鋁與離子沾污物的化學(xué)反應(yīng)：由于水汽的浸入，加速了水解物質(zhì) （Na+、CL）從樹(shù)脂中的 離解，同時(shí)也加速芯片表面鈍化膜磷硅玻璃離解出(PO4)3。 腐蝕過(guò)程中離解出的物質(zhì)由于其物理特性改變，例 如脆性增加、接觸電阻值增加、熱膨脹系數(shù)發(fā)生變化等，在器件使用或貯存過(guò)程中隨著溫度及加載電壓的變化，會(huì) 表現(xiàn)出電參數(shù)漂移、漏電流過(guò)大，甚至短路或開(kāi)路等失效模式，且有些失效模式不穩(wěn)定，在一定條件下有可能恢復(fù) 部分器件功能，但是只要發(fā)生了腐蝕，對(duì)器件的長(zhǎng)期可靠性將埋下隱患。 爆米花效應(yīng) 隨著SOP、PLCC、PQFP、BGA等表面安裝封裝技術(shù)的發(fā)展，由于塑封體吸濕性引起的開(kāi)裂問(wèn)題已越來(lái)越突出。塑封體 通過(guò)擴(kuò)散吸收水分最終會(huì)使封裝體與周圍環(huán)境在一定的溫度和濕度條件下達(dá)到一種平衡狀態(tài)。此時(shí)，該塑封體放入 回流爐內(nèi)加熱回流焊，塑封體內(nèi)的水分在高溫下變成氣體，形成飽和水蒸氣，隨著蒸氣量的增加，在封裝體內(nèi)產(chǎn)生 蒸氣壓，當(dāng)壓力達(dá)到一定的程度，為釋放壓力，在應(yīng)力集中薄弱處就產(chǎn)生裂紋，塑封體從內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生裂紋，引起 分層剝離和開(kāi)裂現(xiàn)象，俗稱“爆米花”效應(yīng)。如圖2-1所示為一過(guò)回流焊后表面出現(xiàn)鼓起的芯片。 自1962年開(kāi)始出現(xiàn)塑封半導(dǎo)體器件，因其在封裝尺寸、重量和成本等方面的優(yōu)勢(shì)性，用戶愈來(lái)愈多的采用塑封器件 代替原先的金屬、陶瓷封裝器件。但塑封器件在發(fā)展初、中期可靠性水平較低，在80年代之后，隨著高純度、低應(yīng) 力的塑封材料的使用，高質(zhì)量的芯片鈍化、芯片粘接、內(nèi)涂覆材料、引線鍵合、加速篩選工藝及自動(dòng)模制等新工藝 技術(shù)的發(fā)展，使得塑封器件的可靠性逐步趕上金屬封裝與陶瓷封裝的器件。 一般塑封器件的失效可分為早期失效和使用期失效，前者多是由設(shè)計(jì)或工藝失誤造成的質(zhì)量缺陷所致，可通過(guò)常規(guī) 電性能檢測(cè)和篩選來(lái)判別；后者則是由器件的潛在缺陷引起的，潛在缺陷的行為與時(shí)間和應(yīng)力有關(guān)，經(jīng)驗(yàn)表明，受 潮、腐蝕、機(jī)械應(yīng)力、電過(guò)應(yīng)力和靜電放電等產(chǎn)生的失效占主導(dǎo)地位。 塑封器件，就是用塑封料把支撐集成芯片的引線框架、集成芯片和鍵合引線包封起來(lái)，從而為集成芯片提供保護(hù)。 塑封器件封裝材料主要是環(huán)氧模塑料。環(huán)氧模塑料是以環(huán)氧樹(shù)脂為基體樹(shù)脂，以酚醛樹(shù)脂為固化劑，再加上一些填 料，如填充劑、阻燃劑、著色劑、偶聯(lián)劑等微量組分，在熱和固化劑的作用下環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧基開(kāi)環(huán)與酚醛樹(shù)脂發(fā) 生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生交聯(lián)固化作用使之成為熱固性塑料。塑封材料不同于陶瓷材料和金屬材料，它是一種高分子復(fù)合 材料，其固有的有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)，使其本身存在較高的吸濕性，是一種非氣密性封裝。塑封材料主要失效模式為： 開(kāi)路，短路，參數(shù)漂移，燒毀。由于塑封器件是非氣密性封裝，在封裝方面就存在一些缺點(diǎn)，最主要的缺點(diǎn)就是對(duì) 潮氣比較敏感。 失效模式及其原理分析 塑封材料會(huì)從環(huán)境中吸收或吸附水氣，特別是當(dāng)塑封器件處于潮濕環(huán)境時(shí)，會(huì)吸收或吸附較多的水氣，并且在表面 形成一層水膜。受潮是塑封器件的很多失效機(jī)理如腐蝕、爆米花效應(yīng)等的誘因。 對(duì)塑封器件而言，濕氣滲入是影響其氣密性導(dǎo)致失效的重要原因之一。濕氣滲入器件主要有兩條途徑： 1）由于樹(shù)脂本身的透濕率與吸水性，水氣會(huì)直接通過(guò)塑封料包封層本體擴(kuò)散到芯片表面； 2）通過(guò)塑封料包封層與金屬框架間的間隙，然后再沿著內(nèi)引線與塑封料的封接界面進(jìn)入器件芯片表面。 當(dāng)濕氣通過(guò)這兩條途徑到達(dá)芯片表面時(shí)，在表面形成一層導(dǎo)電水膜，并將塑封料中的Na+、CL離子也隨之帶入， 在電位差的作為下，會(huì)加速對(duì)芯片表面鋁布線的電化學(xué)腐蝕，最終導(dǎo)致電路內(nèi)引線開(kāi)路。隨著電路集成度的不斷提 高，鋁布線越來(lái)越細(xì)，因此，鋁布線腐蝕對(duì)器件壽命的影響就越發(fā)嚴(yán)重。 其腐蝕機(jī)理均可歸結(jié)為鋁與離子沾污物的化學(xué)反應(yīng)：由于水汽的浸入，加速了水解物質(zhì) （Na+、CL）從樹(shù)脂中的 離解，同時(shí)也加速芯片表面鈍化膜磷硅玻璃離解出(PO4)3。 腐蝕過(guò)程中離解出的物質(zhì)由于其物理特性改變，例 如脆性增加、接觸電阻值增加、熱膨脹系數(shù)發(fā)生變化等，在器件使用或貯存過(guò)程中隨著溫度及加載電壓的變化，會(huì) 表現(xiàn)出電參數(shù)漂移、漏電流過(guò)大，甚至短路或開(kāi)路等失效模式，且有些失效模式不穩(wěn)定，在一定條件下有可能恢復(fù) 部分器件功能，但是只要發(fā)生了腐蝕，對(duì)器件的長(zhǎng)期可靠性將埋下隱患。 爆米花效應(yīng) 隨著SOP、PLCC、PQFP、BGA等表面安裝封裝技術(shù)的發(fā)展，由于塑封體吸濕性引起的開(kāi)裂問(wèn)題已越來(lái)越突出。塑封體 通過(guò)擴(kuò)散吸收水分最終會(huì)使封裝體與周圍環(huán)境在一定的溫度和濕度條件下達(dá)到一種平衡狀態(tài)。此時(shí)，該塑封體放入 回流爐內(nèi)加熱回流焊，塑封體內(nèi)的水分在高溫下變成氣體，形成飽和水蒸氣，隨著蒸氣量的增加，在封裝體內(nèi)產(chǎn)生 蒸氣壓，當(dāng)壓力達(dá)到一定的程度，為釋放壓力，在應(yīng)力集中薄弱處就產(chǎn)生裂紋，塑封體從內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生裂紋，引起 分層剝離和開(kāi)裂現(xiàn)象，俗稱“爆米花”效應(yīng)。如圖2-1所示為一過(guò)回流焊后表面出現(xiàn)鼓起的芯片。 在塑封器件中，塑封層與芯片、塑封層與基板（功率器件的散熱器、單片IC 的芯片支架、多心芯片或BGA 封裝形 式的PCB 板等）之間的界面容易出現(xiàn)分層的現(xiàn)象(圖2-2和2-3)。因?yàn)樗芊鈱优c其他材料之間的界面屬于粘合結(jié)構(gòu)， 界面的兩種材料通過(guò)分子之間的作用力結(jié)合在一起，而不是兩種材料互溶、互擴(kuò)散、形成化合物的過(guò)程。 塑料封裝器件塑封層與其他材料之間的界面出現(xiàn)分層現(xiàn)象，可引起器件性能下降、甚至失效。如：分層發(fā)生在塑封 層與芯片的界面，一方面，可引起芯片的鍵合引線由于機(jī)械拉伸，鍵合引線（包括內(nèi)、外鍵合點(diǎn)）翹起、鍵合接頭 開(kāi)裂和鍵合引線斷開(kāi)等機(jī)械損傷而導(dǎo)致連接電阻增大或開(kāi)路；另一方面，可引起芯片表面鈍化層損傷，導(dǎo)致芯片漏 電增加、擊穿電壓下降、金屬化條斷裂等；再者，塑封層與芯片界面的分層，會(huì)給水分和污染物的侵入提供通道， 從而影響長(zhǎng)期可靠性。 塑封器件塑封層與其他材料界面一旦發(fā)生分層現(xiàn)象，即使分層面積小，但在器件使用過(guò)程中，由于熱變應(yīng)力或機(jī)械 應(yīng)力的作用，分層不斷擴(kuò)展，隨著分層面積的增大，最終導(dǎo)致器件失效。 塑封器件常見(jiàn)失效模式及其機(jī)理分析 對(duì)塑封器件而言，濕氣滲入是影響其氣密性導(dǎo)致失效的重要原因之一。濕氣滲入器件主要有兩條途徑： 1）由于樹(shù)脂本身的透濕率與吸水性，水氣會(huì)直接通過(guò)塑封料包封層本體擴(kuò)散到芯片表面； 2）通過(guò)塑封料包封層與金屬框架間的間隙，然后再沿著內(nèi)引線與塑封料的封接界面進(jìn)入器件芯片表面。 當(dāng)濕氣通過(guò)這兩條途徑到達(dá)芯片表面時(shí)，在表面形成一層導(dǎo)電水膜，并將塑封料中的Na+、CL離子也隨之帶入， 在電位差的作為下，會(huì)加速對(duì)芯片表面鋁布線的電化學(xué)腐蝕，最終導(dǎo)致電路內(nèi)引線開(kāi)路。隨著電路集成度的不斷提 高，鋁布線越來(lái)越細(xì)，因此，鋁布線腐蝕對(duì)器件壽命的影響就越發(fā)嚴(yán)重。 其腐蝕機(jī)理均可歸結(jié)為鋁與離子沾污物的化學(xué)反應(yīng)：由于水汽的浸入，加速了水解物質(zhì) （Na+、CL）從樹(shù)脂中的 離解，同時(shí)也加速芯片表面鈍化膜磷硅玻璃離解出(PO4)3。 腐蝕過(guò)程中離解出的物質(zhì)由于其物理特性改變，例 如脆性增加、接觸電阻值增加、熱膨脹系數(shù)發(fā)生變化等，在器件使用或貯存過(guò)程中隨著溫度及加載電壓的變化，會(huì) 表現(xiàn)出電參數(shù)漂移、漏電流過(guò)大，甚至短路或開(kāi)路等失效模式，且有些失效模式不穩(wěn)定，在一定條件下有可能恢復(fù) 部分器件功能，但是只要發(fā)生了腐蝕，對(duì)器件的長(zhǎng)期可靠性將埋下隱患。 爆米花效應(yīng) 隨著SOP、PLCC、PQFP、BGA等表面安裝封裝技術(shù)的發(fā)展，由于塑封體吸濕性引起的開(kāi)裂問(wèn)題已越來(lái)越突出。塑封體 通過(guò)擴(kuò)散吸收水分最終會(huì)使封裝體與周圍環(huán)境在一定的溫度和濕度條件下達(dá)到一種平衡狀態(tài)。此時(shí)，該塑封體放入 回流爐內(nèi)加熱回流焊，塑封體內(nèi)的水分在高溫下變成氣體，形成飽和水蒸氣，隨著蒸氣量的增加，在封裝體內(nèi)產(chǎn)生 蒸氣壓，當(dāng)壓力達(dá)到一定的程度，為釋放壓力，在應(yīng)力集中薄弱處就產(chǎn)生裂紋，塑封體從內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生裂紋，引起 分層剝離和開(kāi)裂現(xiàn)象，俗稱“爆米花”效應(yīng)。如圖2-1所示為一過(guò)回流焊后表面出現(xiàn)鼓起的芯片。 自1962年開(kāi)始出現(xiàn)塑封半導(dǎo)體器件，因其在封裝尺寸、重量和成本等方面的優(yōu)勢(shì)性，用戶愈來(lái)愈多的采用塑封器件 代替原先的金屬、陶瓷封裝器件。但塑封器件在發(fā)展初、中期可靠性水平較低，在80年代之后，隨著高純度、低應(yīng) 力的塑封材料的使用，高質(zhì)量的芯片鈍化、芯片粘接、內(nèi)涂覆材料、引線鍵合、加速篩選工藝及自動(dòng)模制等新工藝 技術(shù)的發(fā)展，使得塑封器件的可靠性逐步趕上金屬封裝與陶瓷封裝的器件。 一般塑封器件的失效可分為早期失效和使用期失效，前者多是由設(shè)計(jì)或工藝失誤造成的質(zhì)量缺陷所致，可通過(guò)常規(guī) 電性能檢測(cè)和篩選來(lái)判別；后者則是由器件的潛在缺陷引起的，潛在缺陷的行為與時(shí)間和應(yīng)力有關(guān)，經(jīng)驗(yàn)表明，受 潮、腐蝕、機(jī)械應(yīng)力、電過(guò)應(yīng)力和靜電放電等產(chǎn)生的失效占主導(dǎo)地位。 塑封器件，就是用塑封料把支撐集成芯片的引線框架、集成芯片和鍵合引線包封起來(lái)，從而為集成芯片提供保護(hù)。 塑封器件封裝材料主要是環(huán)氧模塑料。環(huán)氧模塑料是以環(huán)氧樹(shù)脂為基體樹(shù)脂，以酚醛樹(shù)脂為固化劑，再加上一些填 料，如填充劑、阻燃劑、著色劑、偶聯(lián)劑等微量組分，在熱和固化劑的作用下環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧基開(kāi)環(huán)與酚醛樹(shù)脂發(fā) 生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生交聯(lián)固化作用使之成為熱固性塑料。塑封材料不同于陶瓷材料和金屬材料，它是一種高分子復(fù)合 材料，其固有的有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)，使其本身存在較高的吸濕性，是一種非氣密性封裝。塑封材料主要失效模式為： 開(kāi)路，短路，參數(shù)漂移，燒毀。由于塑封器件是非氣密性封裝，在封裝方面就存在一些缺點(diǎn)，最主要的缺點(diǎn)就是對(duì) 潮氣比較敏感。 塑封材料會(huì)從環(huán)境中吸收或吸附水氣，特別是當(dāng)塑封器件處于潮濕環(huán)境時(shí)，會(huì)吸收或吸附較多的水氣，并且在表面 形成一層水膜。受潮是塑封器件的很多失效機(jī)理如腐蝕、爆米花效應(yīng)等的誘因。 對(duì)塑封器件而言，濕氣滲入是影響其氣密性導(dǎo)致失效的重要原因之一。濕氣滲入器件主要有兩條途徑： 1）由于樹(shù)脂本身的透濕率與吸水性，水氣會(huì)直接通過(guò)塑封料包封層本體擴(kuò)散到芯片表面； 2）通過(guò)塑封料包封層與金屬框架間的間隙，然后再沿著內(nèi)引線與塑封料的封接界面進(jìn)入器件芯片表面。 當(dāng)濕氣通過(guò)這兩條途徑到達(dá)芯片表面時(shí)，在表面形成一層導(dǎo)電水膜，并將塑封料中的Na+、CL離子也隨之帶入， 在電位差的作為下，會(huì)加速對(duì)芯片表面鋁布線的電化學(xué)腐蝕，最終導(dǎo)致電路內(nèi)引線開(kāi)路。隨著電路集成度的不斷提 高，鋁布線越來(lái)越細(xì)，因此，鋁布線腐蝕對(duì)器件壽命的影響就越發(fā)嚴(yán)重。 其腐蝕機(jī)理均可歸結(jié)為鋁與離子沾污物的化學(xué)反應(yīng)：由于水汽的浸入，加速了水解物質(zhì) （Na+、CL）從樹(shù)脂中的 離解，同時(shí)也加速芯片表面鈍化膜磷硅玻璃離解出(PO4)3。 腐蝕過(guò)程中離解出的物質(zhì)由于其物理特性改變，例 如脆性增加、接觸電阻值增加、熱膨脹系數(shù)發(fā)生變化等，在器件使用或貯存過(guò)程中隨著溫度及加載電壓的變化，會(huì) 表現(xiàn)出電參數(shù)漂移、漏電流過(guò)大，甚至短路或開(kāi)路等失效模式，且有些失效模式不穩(wěn)定，在一定條件下有可能恢復(fù) 部分器件功能，但是只要發(fā)生了腐蝕，對(duì)器件的長(zhǎng)期可靠性將埋下隱患。 爆米花效應(yīng) 隨著SOP、PLCC、PQFP、BGA等表面安裝封裝技術(shù)的發(fā)展，由于塑封體吸濕性引起的開(kāi)裂問(wèn)題已越來(lái)越突出。塑封體 通過(guò)擴(kuò)散吸收水分最終會(huì)使封裝體與周圍環(huán)境在一定的溫度和濕度條件下達(dá)到一種平衡狀態(tài)。此時(shí)，該塑封體放入 回流爐內(nèi)加熱回流焊，塑封體內(nèi)的水分在高溫下變成氣體，形成飽和水蒸氣，隨著蒸氣量的增加，在封裝體內(nèi)產(chǎn)生 蒸氣壓，當(dāng)壓力達(dá)到一定的程度，為釋放壓力，在應(yīng)力集中薄弱處就產(chǎn)生裂紋，塑封體從內(nèi)部開(kāi)始產(chǎn)生裂紋，引起 分層剝離和開(kāi)裂現(xiàn)象，俗稱“爆米花”效應(yīng)。如圖2-1所示為一過(guò)回流焊后表面出現(xiàn)鼓起的芯片。 在塑封器件中，塑封層與芯片、塑封層與基板（功率器件的散熱器、單片IC 的芯片支架、多心芯片或BGA 封裝形 式的PCB 板等）之間的界面容易出現(xiàn)分層的現(xiàn)象(圖2-2和2-3)。因?yàn)樗芊鈱优c其他材料之間的界面屬于粘合結(jié)構(gòu)， 界面的兩種材料通過(guò)分子之間的作用力結(jié)合在一起，而不是兩種材料互溶、互擴(kuò)散、形成化合物的過(guò)程。 塑料封裝器件塑封層與其他材料之間的界面出現(xiàn)分層