塑封器件失效機(jī)理及其快速評估技術(shù)

1、塑封器件失效機(jī)理及其快速評估技術(shù)（doc 8頁）塑封器件失效機(jī)理及其快速評估技術(shù)研究1引言塑封器件是指以樹脂類聚合物為材料封裝的半導(dǎo)體器件，其固有的特點(diǎn)限制 了塑封器件在衛(wèi)星、軍事等一些高可靠性場合的使用1。雖然自70年代 以來2，大大改進(jìn)了封裝材料、芯片鈍化和生產(chǎn)工藝，使塑封器件的可靠 性得到很大的提高，但仍存在著許多問題。這些潛在的問題無法通過普通的 篩選來剔除，因此，要研究合適的方法對塑封器件的可靠性加以評定。美國航空航天局（NASA）的Goddard空間飛行中心在2003年6月頒布的文 件（NASA/TP- 2003- 212244: Instructions for Plastic

2、Encapsulated Microcircuit（PEM）Selection,Screening,and Qualification）承認(rèn)，由 于PEM自身的缺陷不可能既滿足高可靠性的軍事需求，同時(shí)又滿足低風(fēng)險(xiǎn)的 失效率，因此就必須進(jìn)行篩選和鑒定試驗(yàn)。本文對塑封器件的失效機(jī)理分析， 并就篩選這個(gè)環(huán)節(jié)的可靠性快速評價(jià)進(jìn)行論述。2失效模式及其機(jī)理分析塑封器件在沒有安裝到電路板上使用前，潮氣很容易入侵，這是由于水汽滲 透進(jìn)樹脂而產(chǎn)生的，而且水汽滲透的速度與溫度有關(guān)。塑封器件的許多失效 機(jī)理，如腐蝕、爆米花效應(yīng)等都可歸結(jié)為潮氣入侵。2. 1腐蝕 潮氣主要是通過塑封料與外引線框架界面進(jìn)入加工好的塑封器

3、件管殼，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。同時(shí)由于樹脂本身的 透濕率與吸水性，也會導(dǎo)致水汽直接通過塑封料擴(kuò)散到芯片表面。吸入的潮 氣中，如果帶有較多的離子沾污物，就會使芯片的鍵合區(qū)發(fā)生腐蝕。如果芯 片表面的鈍化層存在缺陷，則潮氣會侵入到芯片的金屬化層。無論是鍵合區(qū) 的腐蝕還是金屬化層的腐蝕，其機(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)(Cl Na+)從樹脂中的離解，同 時(shí)也加速了芯片表面鈍化膜磷硅玻璃離解出(P04) 3-o在有氯離子的酸性環(huán)境中反應(yīng)2A1 土 6HC12A1C13 土 3H 2A1+3C1AlC13+3e-A1C13A1(OH

4、)2 +HC1在有鈉離子的堿性環(huán)境中反應(yīng)2Al+2Na0H+2H202NaA10 2+3H2Al+3(0H)- Al(0H)3+3e-2A1(0H)3-A12 03+3H20腐蝕過程中離解出的物質(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程中隨著溫度及加載電 壓的變化，會表現(xiàn)出電參數(shù)漂移、漏電流過大，甚至短路或開路等失效模式,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，對器件的長期使用可靠性將埋下隱患3。2.2爆米花效應(yīng) 塑封器件在焊接期間傳導(dǎo)到器件上的熱有三種來源：紅外回流焊加熱、氣相 回流焊加熱和波峰焊加

5、熱。紅外加熱的峰值溫度是235240 C,時(shí)間10 s； 氣相加熱溫度2155 C, 40 s；波峰焊加熱溫度2605 C, 5 s。在器件 受熱過程中，由于管殼中所吸附的水分快速汽化，內(nèi)部水汽壓力過大，使模 制材料（環(huán)氧樹脂化合物）膨脹，出現(xiàn)分層剝離和開裂現(xiàn)象，俗稱“爆米花” 效應(yīng)。管殼開裂既可在膨脹過程中出現(xiàn)，也可在冷卻和收縮到其正常尺寸過 程中發(fā)生。這些裂縫會給水分和污染物的侵入提供通道，從而影響長期可靠 性，而且在模制材料膨脹過程中，內(nèi)部產(chǎn)生的剪切應(yīng)力會影響焊線的完好性， 特別是在芯片角應(yīng)力最大時(shí)，會導(dǎo)致鍵合線翹起、鍵合接頭開裂和鍵合引線 斷開，引起電失效。這一現(xiàn)象與焊接過程的溫度變化

6、范圍、封裝水分含量、 封裝尺寸和模壓材料粘合力有關(guān)。這種效應(yīng)在大管腳數(shù)的塑封器件上更為強(qiáng) 烈。2.3低溫/溫沖失效 通常由元器件生產(chǎn)廠商提供的塑封器件對溫度要求不高，能滿足如下三種溫 度范圍的要求即可：070 C （商業(yè)溫度）、-4085 C （工業(yè)溫度）、-40 125 C （汽車溫度），這些范圍比傳統(tǒng)的軍用溫度范圍（-55125 C）要 窄。但大量的失效案例表明，即使在這三種溫度范圍內(nèi)，失效的塑封器件比例依然很高，對失效的器件失效分析表明，外界溫度沖擊或低溫環(huán)境造成的 塑封材料對芯片的應(yīng)力是主要機(jī)理。封裝分層。在從室溫到極端寒冷環(huán)境的熱循環(huán)過程中，模壓復(fù)合物與基片 或引線框之間的熱膨脹系數(shù)

7、差異可造成分層和開裂。在極端低溫下，由于貯 存操作溫度和密封溫度之間的差異很大，因此導(dǎo)致分層和開裂的應(yīng)力也非常 大。并且，隨著塑料在極端低溫下耐開裂強(qiáng)度的下降，開裂的可能性也隨之 增加（封裝經(jīng)過-55125 C的熱循環(huán)時(shí)，引線框尖銳邊緣處就會出現(xiàn)開裂 和分層）。另外，潮濕對低溫下關(guān)鍵基片，即封裝材料界面上的分層還會產(chǎn) 生加速效應(yīng)。這種加速效應(yīng)可由封裝內(nèi)凝結(jié)水汽的凍結(jié)和解凍所引起4。對芯片的機(jī)械應(yīng)力。由于塑封料和硅的線性熱膨脹系數(shù)相差一個(gè)數(shù)量級， 可使器件在溫度變化的環(huán)境里，塑封料在芯片上移動。這種應(yīng)力對芯片表面 結(jié)構(gòu)構(gòu)成一種剪切力，它首先使芯片上附著力弱的金屬化層向芯片中心滑 移，造成金屬化鋁

8、條間開路或短路；也可能造成鈍化層或多晶硅層破裂，多 層金屬化上下層間短路。另外，塑封料在工作溫度下會對芯片有一個(gè)壓應(yīng)力。溫度越低，壓應(yīng)力越大。 同時(shí)塑封料中加了石英砂填料，以其尖銳的角尖接觸芯片，塑封料的壓力傳 遞到芯片上，刺破鈍化層和金屬層造成開路或短路，也會造成IC中的元器件參數(shù)變化。2.4 閂鎖或 EOS/ESD 因電路閂鎖或EOS/ESD損傷，會造成芯片上局部高溫區(qū)塑料碳化的現(xiàn)象，這是因通過導(dǎo)電塑料的電流旁路過熱而引起的。由于這種失效機(jī)理使封裝劑退 化，使其絕緣電阻受到損耗而導(dǎo)電。大電流沿著這條導(dǎo)電通道并通過塑料從 電源輸送到地線，不斷使塑料發(fā)熱，最終使塑封器件燒毀。2.5生產(chǎn)工藝缺陷

9、芯片粘接缺陷。這些缺陷包括芯片與其基片粘接不良、粘接材料中有空洞， 造成熱分布不均（局部熱點(diǎn)）、芯片剝離或裂紋，此外，空洞還可截留潮氣 和沾污物。這些缺陷可導(dǎo)致致命失效2。封裝缺陷。常見的封裝缺陷包括氣泡、粘接不良（剝離）、芯片的基片位 移和引線彎曲不當(dāng)。此外，模制化合物含有雜質(zhì)或沾污物。這些缺陷可造成 塑封開裂、金屬化層變形、焊頭翹起、互連線腐蝕斷開、電氣開路、短路或 中斷等等，因而使器件失效；粘接不良（剝離）是由于引線框架表面受到沾劑過量等。鈍化層缺陷。鈍化層缺陷包括開裂、孔隙和粘接不良。這些缺陷會造成電 氣開路、中斷或漏電流大。3塑封器件可靠性快速評價(jià)對于塑封器件的可靠性評價(jià)主要方面是缺

10、陷暴露技術(shù)，而缺陷在器件使用前 很難通過常規(guī)的篩選來發(fā)現(xiàn)，一旦器件經(jīng)過焊接或?qū)嶋H工作時(shí)就會顯露出 來，造成組件的故障。3.1常規(guī)評價(jià)方法高溫潮熱。潮氣的入侵是與時(shí)間相關(guān)的，時(shí)間越長，濕度越大，則塑封器 件內(nèi)潮氣達(dá)到飽和的時(shí)間越短。同時(shí)這種失效還會受到溫度、濕度共同作用 的影響，因此采取溫度、濕度綜合應(yīng)力，開展加速試驗(yàn)。針對不同的塑封器 件，可以制定相應(yīng)的試驗(yàn)方案，也可以采用經(jīng)驗(yàn)值，即85C, 85%RH, 500h 進(jìn)行高溫潮熱試驗(yàn)。但同時(shí)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)EIA/JESD22-A110-A, 96 h的130 C、 85%RH HAST相當(dāng)于1000h 85 C/85%RH潮熱試驗(yàn)，500h的高溫潮熱

11、試驗(yàn)可 以用50 h的HAST等效替代。經(jīng)過高溫潮熱或HAST試驗(yàn)后的塑封器件經(jīng)過 焊接工藝后取下，進(jìn)行聲學(xué)掃描檢查，分析其引線框架與封裝材料、芯片與 封裝材料的分層情況，做出此批器件是否通過高溫潮熱試驗(yàn)的判斷。溫度沖擊。Hughes公司指出，溫度沖擊和隨機(jī)振動是考核元器件非工作 狀態(tài)可靠性的最有效的高加速應(yīng)力方法5。統(tǒng)計(jì)分析表明，溫度沖擊能夠 暴露元器件2/3的貯存潛在缺陷。而對于封裝對芯片存在溫變應(yīng)力敏感以及 封裝工藝存在缺陷的塑封器件，可以通過選擇合適的溫變參數(shù)（參照產(chǎn)品的使用等級）進(jìn)行評價(jià)。 參考MIL883E以及結(jié)合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可以采用負(fù)溫30min，正溫30min，大于 100個(gè)循環(huán)

12、的試驗(yàn)方案。溫度沖擊試驗(yàn)后，除了進(jìn)行聲學(xué)掃描檢查界面分層 情況外，還要進(jìn)行X射線檢查外引腳與芯片鍵合區(qū)的鋁線完整情況；最后要 將器件開封，觀察芯片表面是否有裂紋、鈍化層表面是否有較多的劃傷，做 出此批器件是否通過溫度沖擊試驗(yàn)的判斷。在做出此批器件是否通過評價(jià)試驗(yàn)的判斷時(shí)，若選取已知良好的器件對比進(jìn) 行評價(jià)，將會為被評價(jià)的塑封器件可靠性判斷提供非常有價(jià)值的參考信息。3.2可用于軍工高可靠用途的篩選 美國航空航天局的Goddard空間飛行中心的報(bào)告指出，篩選能有效避免PEM 由于缺陷而引起的早期失效，并給出了評價(jià)流程及參數(shù)，本文只列出流程圖 （圖1）6，其余請參照文獻(xiàn)。外部目檢2Q泗度循環(huán)老化*后鋌工作，也;向遇入蚩定松至少25七的蝦” 境下的電學(xué)倒試?yán)В好佬偷腇劇篩選流程圖4結(jié)語影響塑封器件可靠性的各種失效機(jī)理所對應(yīng)的失效表征可以采用加速試驗(yàn)， 使其在短期內(nèi)的退化等效于長期累積的結(jié)果。元器件貯存可靠性的篩選和評 價(jià)，要求以最充分暴露和檢測其各種缺陷