塑封器件失效機理及其可靠性評估技術

2/2塑封器件失效機理及其可靠性評估技術塑封器件失效機理及其可靠性評估技術1引言塑封器件是指以樹脂類聚合物為材料封裝的半導體器件，其固有的特點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。雖然自70年代以來，大大改進了封裝材料、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。2失效模式及其機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樹脂而產(chǎn)生的，而且水汽滲透的速度與溫度有關。塑封器件的許多失效機理，如腐蝕、爆米花效應等都可歸結為潮氣入侵。2.1腐蝕潮氣主要是通過塑封料與外引線框架界面進入加工好的塑封器件管殼，然后再沿著內(nèi)引線與塑封料的封接界面進入器件芯片表面。同時由于樹脂本身的透濕率與吸水性，也會導致水汽直接通過塑封料擴散到芯片表面。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，其機理均可歸結為鋁與離子沾污物的化學反應：由于水汽的浸入，加速了水解物質(zhì)（Cl-，Na+）從樹脂中的離解，同時也加速了芯片表面鈍化膜磷硅玻璃離解出(PO4)3-。（1）在有氯離子的酸性環(huán)境中反應2Al±6HCl→2AlCl3±3H2Al+3Cl→AlCl3+3e-AlCl3→Al(OH)2+HCl（2）在有鈉離子的堿性環(huán)境中反應2Al+2NaOH+2H2O→2NaAlO2+3H2Al+3(OH)-→Al(OH)3+3e-2Al(OH)3→Al2O3+3H2O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。2.2爆米花效應塑封器件在焊接期間傳導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熱。紅外加熱的峰值溫度是235～240℃，時間10s；氣相加熱溫度215±5℃，40s；波峰焊加熱溫度260±5℃，5s。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。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)生的剪切應力會影響焊線的完好性，特別是在芯片角應力最大時，會導致鍵合線翹起、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范圍、封裝水分含量、封裝尺寸和模壓材料粘合力有關。這種效應在大管腳數(shù)的塑封器件上更為強烈。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：0～70℃(商業(yè)溫度)、-40～85℃（工業(yè)溫度）、-40～125℃（汽車溫度），這些范圍比傳統(tǒng)的軍用溫度范圍（-55～125℃）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力是主要機理。（1）封裝分層。在從室溫到極端寒冷環(huán)境的熱循環(huán)過程中，模壓復合物與基片或引線框之間的熱膨脹系數(shù)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，因此導致分層和開裂的應力也非常大。并且，隨著塑料在極端低溫下耐開裂強度的下降，開裂的可能性也隨之增加（封裝經(jīng)過-55～125℃的熱循環(huán)時，引線框尖銳邊緣處就會出現(xiàn)開裂和分層）。另外，潮濕對低溫下關鍵基片，即封裝材料界面上的分層還會產(chǎn)生加速效應。這種加速效應可由封裝內(nèi)凝結水汽的凍結和解凍所引起。（2）對芯片的機械應力。由于塑封料和硅的線性熱膨脹系數(shù)相差一個數(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。這種應力對芯片表面結構構成一種剪切力，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壓應力。溫度越低，壓應力越大。同時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，這是因通過導電塑料的電流旁路過熱而引起的。由于這種失效機理使封裝劑退化，使其絕緣電阻受到損耗而導電。大電流沿著這條導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（1）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）、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。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污或在鍵合溫度下受到氧化而造成的。其他原因還包括應力消除不足和脫模劑過量等。（3）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塑封器件可靠性評價對于塑封器件的可靠性評價主要方面是缺陷暴露技術，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工作時就會顯露出來，造成組件的故障。3.1可靠性試驗項目、試驗目的及試驗方法：（1）高溫反偏試驗目的：評定二極管在長時間電應力（電壓、電流）和溫度應力（包括電負荷造成的溫升）作用下的承受能力。質(zhì)量差的原件在這種條件下較容易失效，以此可判定此批產(chǎn)品性能的優(yōu)劣，一般二極管采用80%額定擊穿電壓，125℃環(huán)境溫度試驗判斷。工作原理圖如下：（2）電耐久試驗目的：評定三極管在長時間電應力（電壓、電流）和溫度應力（包括電負荷造成的溫升）作用下的承受能力。質(zhì)量差的原件在這種條件下較容易失效，以此可判定此批產(chǎn)品性能的優(yōu)劣。工作原理圖如下：（3）高溫儲存試驗目的：二、三極管或電路器件長時間高溫儲存，可通過熱應力加快管體的化學、物理反應，使?jié)撛诘氖б蛩靥嵩绫┞?，從而達到試驗目的。（4）低溫儲存試驗目的：考核器件承受低溫而不改變其特性的能力，由于各種材料的收縮率各有不同，如器件長時間處于低溫狀態(tài)會造成應力集中，可能會使其參數(shù)發(fā)生變化，低溫儲存試驗便是用來考核器件的這些特性。（5）穩(wěn)態(tài)濕熱試驗目的：器件在高溫高濕情況下，封裝結構或材料缺陷處會有潮氣和雜質(zhì)侵入，從而影響器件的電性和結構性能，此試驗主要考核器件的密封性能。潮氣的入侵是與時間相關的，時間越長，濕度越大，則塑封器件內(nèi)潮氣達到飽和的時間越短。同時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、濕度綜合應力，開展加速試驗。針對不同的塑封器件，可以制定相應的試驗方案，也可以采用經(jīng)驗值，即85℃，85%RH，500h進行高溫潮熱試驗。經(jīng)過穩(wěn)態(tài)濕熱試驗后的塑封器件經(jīng)過焊接工藝后取下，進行聲學掃描檢查，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的判斷。（6）溫度循環(huán)試驗目的：器件從二個不同溫度的儲存箱中交替存放很短的時間，考驗器件對溫度循環(huán)的承受能力和器件內(nèi)部不同材料熱膨脹系數(shù)的匹配情況。（7）熱沖擊試驗目的：為了確定器件經(jīng)受突然暴露到劇烈變化的溫度中的能力。（8）正向浪涌試驗目的：測試器件的抗大電流沖擊能力。（9）高壓蒸煮試驗目的：測試器件的耐熱、耐潮濕特性以及其可靠性（10）可焊性試驗目的：測試器件的易焊性試驗方法：a小球平衡法（適用于貼片封裝器件）：Ⅰ將一定量的錫球放在測試臺上加熱熔化，產(chǎn)品置于測試探針的下方，調(diào)節(jié)產(chǎn)品管腳與錫球在同一垂直面上。Ⅱ測試時設備自動將產(chǎn)品壓向熔化的錫球，當產(chǎn)品引腳與錫球接觸時，測