王立國(guó)，邵 剛

(天水華天科技股份有限公司，甘肅天水 741000)

現(xiàn)代激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，質(zhì)量是企業(yè)的生命。當(dāng)產(chǎn)品在使用中由于自身質(zhì)的變化導(dǎo)致產(chǎn)品喪失了預(yù)定的工作能力或其性能已劣化成不合格的狀態(tài)時(shí)，我們通常稱產(chǎn)品失效。電子器件的失效隨著時(shí)間的變化可分為早期失效、正常失效和退化失效。失效符合浴缸曲線。早期失效多是由設(shè)計(jì)或工藝失誤造成的質(zhì)量缺陷所致，可以通過常規(guī)電參數(shù)檢驗(yàn)和篩選進(jìn)行檢測(cè)，后兩者則是由器件中的潛在缺陷引起的，潛在缺陷的行為與時(shí)間和應(yīng)力有關(guān)，像潮氣吸附、腐蝕和熱機(jī)械應(yīng)力、過電應(yīng)力、靜電放電等產(chǎn)生的失效占主導(dǎo)地位。

1 失效分析方法介紹

1.1 塑封IC常見失效機(jī)理

塑封IC是指以塑料等樹脂類聚合物材料封裝的集成電路。由于樹脂類材料具有吸附水汽的特性，故限制了其應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在軍事領(lǐng)域。其常見的失效機(jī)理有：芯片破裂、管芯鈍化層損傷、管芯金屬化腐蝕、金屬化變形、鍵合金絲彎曲、金絲鍵合焊盤凹陷、鍵合線損傷、鍵合線斷裂和脫落、鍵合引線和焊盤腐蝕、引線框架腐蝕、引線框架的低粘附性及脫層、包封料破裂、包封材料疲勞裂縫、封裝爆裂(“爆米花”)、電學(xué)過載和靜電放電、焊接點(diǎn)疲勞、粘片膠厚度不符、粘片膠沾污、壓區(qū)破損、不同材質(zhì)界面的分層等。

1.2 塑封IC失效分析方法

常用的失效分析方法有：電學(xué)分析、化學(xué)分析、熱學(xué)分析、物理分析、電學(xué)分析。其中物理分析特點(diǎn)詳見表1。

1.3 分析技術(shù)

常用失效分析的方法有：AES-奧格（Auger）電子分光顯微鏡、ESCA——化學(xué)分析用的電子波譜學(xué)、SIMS-二次離子質(zhì)譜測(cè)定法、SEM-掃描電子顯微鏡、EDX-能量分散X射線分析、WDX-波長(zhǎng)分散X射線分析、RBS-盧瑟福背向散射光譜測(cè)定法、LIMS-激光離子化質(zhì)譜測(cè)定法、EBIC-電子束感應(yīng)電流、SLAM和C-SAM、俄歇電子能譜儀。

表1 物理分析特點(diǎn)

1.3.1 SEM分析

SEM使用電子束（300 eV～40 keV）彈出低能級(jí)二級(jí)電子，用這些彈出電子的電流對(duì)陰極射線管的z軸進(jìn)行亮度調(diào)制，產(chǎn)生一個(gè)視頻圖像。此方法分析時(shí)樣品必須導(dǎo)電或表面覆蓋導(dǎo)電層（場(chǎng)發(fā)射電鏡不需要導(dǎo)電）。SEM將光學(xué)顯微鏡的放大倍數(shù)擴(kuò)展到20～80萬倍。圖1為SEM電鏡發(fā)現(xiàn)在塑封料和引線框架之間有分層。

1.3.2 EDX-能量分散X射線分析

圖1 SEM電鏡下發(fā)現(xiàn)分層

EDX-能量分散X射線分析是當(dāng)X射線檢測(cè)器加到SEM上時(shí)，在SEM的同時(shí)，可以得到組成成分的分析（見圖2）。從而可以在高倍下看到樣本并對(duì)其照相，此外，也可對(duì)選擇的區(qū)域進(jìn)行分析，甚至可以轉(zhuǎn)換成與二次電子圖像相同的比例。

圖2 組成成分分析

1.3.3 紅外分析

紅外熱分析運(yùn)用紅外顯微鏡、紅外掃描顯微鏡等，它的基本原理是，當(dāng)器件加上電源后芯片上將有一定溫度，產(chǎn)生相應(yīng)的紅外輻射，通過相應(yīng)的紅外接收系統(tǒng)，可將芯片上的反常熱點(diǎn)顯示出來，發(fā)現(xiàn)不合理的設(shè)計(jì)及材料和工藝中的缺陷，如反偏P-N結(jié)上的發(fā)光點(diǎn)、針孔、尖端擴(kuò)散及鋁膜臺(tái)階處的局部發(fā)熱等。圖3為紅外分析儀發(fā)現(xiàn)芯片局部不良的照片。

圖3 紅外分析儀發(fā)現(xiàn)芯片局部不良

1.3.4 SLAM和C-SAM分析

SLAM和C-SAM分析是利用掃描激光聲學(xué)顯微鏡（SLAM）和C型掃描激光聲學(xué)顯微鏡（C-SAM），都是使用高頻超聲對(duì)材料和元件中的不連續(xù)性進(jìn)行檢查，可用于非破壞性的元器件貼裝的研究。SLAM使用的工作頻率為10～500 MHz的穿通發(fā)射技術(shù)，而C-SAM工作在脈沖回音模式，聲信號(hào)被聚焦在感興趣的界面深度上，一個(gè)電子控制門被用來選擇特定的深度。圖4是C-SAM掃描發(fā)現(xiàn)有裂片的圖片。

圖4 C-SAM掃描發(fā)現(xiàn)有裂片

1.4 塑封IC失效分析基本步驟

1.4.1 保存物理證據(jù)

在生產(chǎn)和使用過程中，對(duì)失效的樣品應(yīng)妥善保管，并且溫度、濕度應(yīng)受控，并避免振動(dòng)及靜電等外力作用造成對(duì)失效樣品的二次作用，使原來的失效模式發(fā)生變化，破壞物理證據(jù)；在非破壞分析前，應(yīng)避免對(duì)失效的樣品做電性分析。

1.4.2 失效產(chǎn)品信息及失效確認(rèn)

（1）失效產(chǎn)品信息收集。接受上級(jí)或客戶不良品信息反饋及分析請(qǐng)求，并了解客戶相關(guān)信息（指失效模式、參數(shù)值、客戶抱怨內(nèi)容、型號(hào)、批號(hào)、失效率、所占比例等，與正常品相比不同之處）；

（2）失效產(chǎn)品信息記錄。記錄各項(xiàng)信息內(nèi)容，以在長(zhǎng)期記錄中形成信息庫(kù)，為今后的分析工作提供經(jīng)驗(yàn)值；

（3）收集工藝信息。包括與此產(chǎn)品有關(guān)的生產(chǎn)過程中的人員、機(jī)臺(tái)、材料、方法、環(huán)鏡變動(dòng)的情況。

1.4.3 物理分析

（1）外觀目檢及鏡檢：重點(diǎn)檢查器件的電鍍層質(zhì)量、管腳根部和密封縫的機(jī)械損傷、密封質(zhì)量的完好性。

（2）X-Ray透視及SAT檢查：透視和掃描器件內(nèi)部，檢查失效器件內(nèi)部鍵合絲的質(zhì)量，如斷裂、燒熔、沖線率及布線是否正確，檢查軟焊料空洞及分層情況等。如圖5～7所示。

1.4.4 電性分析

檢查器件的電性能及參數(shù)是否正常、驗(yàn)證失效現(xiàn)象、分析異常以及初步分析失效原因。

1.4.5 破壞性分析

圖5 X-Ray透視圖

圖6 SAT檢查軟焊料空洞

圖7 SAT檢查粘片膠空洞

破壞性分析目前主要采用化學(xué)開封、機(jī)械開封（激光開封）和切片分析（Cross-Section）。化學(xué)開封可采用手動(dòng)開封和儀器開封，采用手動(dòng)開封的方法為開帽鏡檢，用30～60倍顯微鏡檢查機(jī)械缺陷、內(nèi)引線、芯片位置、鋁條好壞等，用400～1 000倍的鏡像顯微鏡觀察光刻、鋁引線、氧化層缺陷、芯片裂紋等，并對(duì)結(jié)果照相；進(jìn)一步測(cè)試電參數(shù)，必要時(shí)可劃斷鋁條用探針測(cè)試管芯，檢查電路的有源和無源元件性能是否正常；除去鋁膜再對(duì)管芯進(jìn)行測(cè)試，觀察性能變化，并檢查二氧化硅層的厚度與存在的針孔等；除去SiO2用探針測(cè)試管芯，分析表面是否有溝道、分析失效是否由表面效應(yīng)引起。

如果分析未找到失效的真正原因，可對(duì)失效樣品做切片試驗(yàn)，并進(jìn)行SEM/EDX/FIB/TEM檢查，進(jìn)一步確認(rèn)失效機(jī)理。切片、SEM、FIB、TEM、EDX分析圖片見圖8～圖12。

1.5 根本失效原因確定

圖8 切片分析圖片

圖9 SEM分析圖片

圖10 FIB分析圖片

圖11 TEM分析圖片

圖12 EDX分析圖片

塑封IC失效的原因有：設(shè)計(jì)缺陷、原材料品質(zhì)不良、制程問題、工藝問題、運(yùn)輸中靜電擊穿或存儲(chǔ)環(huán)境中水汽吸附、使用時(shí)的過應(yīng)力等，應(yīng)針對(duì)失效分析樣品，確定導(dǎo)致失效的根本原因。工藝問題在塑封IC中占失效比例最大，問題主要集中在前工序上，典型代表如由于粘片后對(duì)芯片未做等離子清洗，致使塑封電路在塑封材料與引線框架和芯片間發(fā)生分層，導(dǎo)致在過回流焊時(shí)，發(fā)生爆裂效應(yīng)(俗稱“爆米花”效應(yīng))，而拉斷鍵合絲，從而發(fā)生開路失效，還有壓焊造成的彈坑，損傷下層設(shè)計(jì)線路。

1.6 糾正措施及驗(yàn)證

在查明失效原因的基礎(chǔ)上，通過分析、計(jì)算和必要的可靠性驗(yàn)證，提出預(yù)防、糾正、改善措施，經(jīng)評(píng)審?fù)ㄟ^后付諸實(shí)施，跟蹤驗(yàn)證預(yù)防糾正措施的有效性，并按技術(shù)規(guī)范控制要求或圖樣管理制度對(duì)設(shè)計(jì)或工藝文件進(jìn)行變更，制定永久改善措施，徹底解決問題。

2 提高塑封IC可靠性的措施

“可靠性”是指元件、產(chǎn)品、系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)、在一定條件下無故障地執(zhí)行指定功能的能力或可能性?？赏ㄟ^可靠度、失效率、平均無故障間隔時(shí)間來評(píng)定產(chǎn)品可靠性。

產(chǎn)品的可靠性取決于固有設(shè)計(jì)、制造過程、工作條件(確定產(chǎn)品使用時(shí)的環(huán)境溫度、濕度，產(chǎn)品工作的電流、電壓等)，以下從三方面介紹提高塑封IC可靠性的措施。

2.1 產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)

產(chǎn)品可靠性設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮使用環(huán)境的復(fù)雜性。它取決于用戶的類型以及產(chǎn)品的工作周期，可以通過仿真分析，來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的可靠性，極大地縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)的時(shí)間及可靠性驗(yàn)證時(shí)間，同時(shí)通過試驗(yàn)或分析來驗(yàn)證工藝是否已達(dá)到了滿足可靠性的目標(biāo)。通過可靠性試驗(yàn)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可以得到證實(shí)。產(chǎn)品的可靠性試驗(yàn)可以暴露出設(shè)計(jì)人員未想到的設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)或得到不令人滿意的結(jié)果，作為試驗(yàn)人員，應(yīng)向工程師反饋他們所需要的信息，以便工程師們改善設(shè)計(jì)，達(dá)到預(yù)期的效果。

在塑封IC設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高可靠性，將零件最大允許應(yīng)力限制到低于其最大額定應(yīng)力值的某一規(guī)定值。并在產(chǎn)品中要考慮熱量的產(chǎn)生和擴(kuò)散，避免出現(xiàn)由溫度造成的可靠性問題。

2.2 工藝及材料控制

在塑封IC整個(gè)生產(chǎn)過程，應(yīng)加大工藝控制，其主要措施有：

(1)減少封裝體內(nèi)水汽含量，避免分層效應(yīng)。封裝體內(nèi)的實(shí)際水汽含量是由密封材料、封裝體本身、密封環(huán)境釋放的水和通過密封處漏入的水汽組成。為防止水汽侵入，良好的鈍化覆蓋層(使用磷玻璃或氮化硅)是必要的，其次是減少包封料中的離子沾污物，在包封料中摻入雜質(zhì)離子俘獲劑或離子清除劑，提高塑封料與引線框架間的粘接強(qiáng)度，在塑封料中加入填充物延長(zhǎng)水汽滲透路徑，降低材料的吸水性等。

(2)嚴(yán)格控制產(chǎn)品在各站的加工等待時(shí)間和工藝條件要求。各站點(diǎn)的溫濕度應(yīng)滿足工藝加工要求，流轉(zhuǎn)的半成品在各站應(yīng)及時(shí)加工，不加工的產(chǎn)品應(yīng)保持在氮?dú)夤裰?。各站點(diǎn)等待加工時(shí)間不能超過24 h，測(cè)試前產(chǎn)品要進(jìn)行烘烤，去除濕氣。

(3)減少封裝體內(nèi)部氣泡，避免塑封體裂紋的產(chǎn)生。在IC后道封裝的塑封過程中，環(huán)氧模塑料在熔融狀態(tài)下充填成型時(shí)，包入或卷進(jìn)去的空氣以及餅料中原有的揮發(fā)性物質(zhì)在成膜階段時(shí)不能完全排出，殘留在塑封體內(nèi)部就形成氣泡。其對(duì)可靠性的影響有：在過回流焊時(shí)導(dǎo)致塑封體開裂、使樹脂的耐溫性能下降、影響電性能。通過對(duì)料餅預(yù)熱，使塑封料中的氣體在進(jìn)入料筒之前就揮發(fā)出來，阻止氣體進(jìn)入塑封體內(nèi)部。

(4)減小金屬框架對(duì)封裝的影響。金屬框架是塑料封裝IC的基本材料，從上芯開始進(jìn)入生產(chǎn)過程一直到結(jié)束，幾乎貫穿整個(gè)封裝過程，對(duì)上芯、壓焊、塑封、電鍍、切筋等工序質(zhì)量均有影響，為提高塑封IC可靠性，對(duì)塑封用金屬框架的要求有：選銅質(zhì)引線框架，達(dá)到良好的熱匹配，外引線腳增加鎖定孔，減少切筋成型時(shí)的應(yīng)力。

2.3 包裝、運(yùn)輸及使用

在塑封電路運(yùn)輸、裝卸、存貯等過程中，必須采取一定的保護(hù)措施。包裝過程的保護(hù)措施有：必要的防潮保護(hù)(如：抽真空加干燥劑)、物理損傷保護(hù)(以免引線彎曲或斷裂)、防靜電放電保護(hù)等。器件使用單位應(yīng)重視在元器件的測(cè)試、裝配和調(diào)試、試驗(yàn)過程中嚴(yán)格執(zhí)行有關(guān)操作程序，防止電學(xué)過載和靜電放電失效。

3 結(jié)束語

塑封IC的失效分析只是對(duì)封裝過程存在的異常進(jìn)行分析，提供失效原因或潛在因素，用以采取措施改善塑料封裝過程的不足，提高產(chǎn)品封裝的良率。同時(shí)封裝技術(shù)不斷的趨于晶圓級(jí)，分析技術(shù)也在不斷的更新，塑封IC的失效分析將延伸到晶圓級(jí)分析，提出了新的挑戰(zhàn)。

[1] Tames J.Licari Leonard ard R.Enlow（美）著，朱瑞廉譯.混合微電路技術(shù)手冊(cè)：材料、工藝、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和生產(chǎn)(第二版)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[2] 李雙龍.塑封IC常見失效及對(duì)策[J].電子與封裝，2004(2):31-33.