摘 要： 密封微電子器件在對可靠性要求較高領(lǐng)域占有絕對的地位，為了研究長期室內(nèi)自然貯存對密封微電子封裝性能的影響，對貯存在北京某研究所庫房的多種氣密性封裝微電子器件進(jìn)行試驗(yàn)分析。運(yùn)用破壞性物理分析（DPA）方法檢驗(yàn)樣品的密封性、內(nèi)部形貌、鍵合強(qiáng)度和芯片粘貼強(qiáng)度等，總結(jié)出長期貯存對氣密性封裝器件封裝性能影響的結(jié)論；并根據(jù)密封性測試結(jié)果對器件分組，分別得到密封合格與不合格產(chǎn)品長期貯存后封裝性能的實(shí)測數(shù)據(jù)，對密封性能對元器件貯存可靠性的影響進(jìn)行研究，為元器件的篩選和貯存提供借鑒。

關(guān)鍵詞： 長期貯存； 氣密性封裝； 封裝可靠性； DPA

中圖分類號： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）02?0138?06

0 引 言

封裝能對脆弱的、敏感的芯片進(jìn)行保護(hù)，改善其熱性能，有利于元器件測試、運(yùn)輸、安裝和返修等，同時也能夠促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)和使用[1]。特別是金屬封裝和陶瓷封裝等氣密性封裝，能夠很好地將元器件芯片與水汽隔絕開來，遠(yuǎn)離腐蝕性氣體，大大提高了元器件的使用可靠性，在宇航等對可靠性要求較高領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但是，由于裝備的研制周期較長，后期保養(yǎng)維修等也需要一定量的的元器件[2]；而元器件的更新速度又較快，這就需要在采購元器件的時候留有一定余量，就會造成元器件貯存現(xiàn)象的發(fā)生。而長期貯存后元器件的可靠性勢必會受到影響，這就要求對長期貯存后元器件的可靠性進(jìn)行評價。

在長期自然狀態(tài)貯存中，元器件處于非工作狀態(tài)，其失效形式不是元器件使用中的磨損失效，大部分是由于工藝缺陷引起并且在早期不能充分暴露出來[3]，其可靠性的變化主要取決于封裝可靠性。所以，對長期貯存后元器件的封裝可靠性進(jìn)行考察有重要意義。

由于自然狀態(tài)下的長期貯存實(shí)驗(yàn)耗時長，試驗(yàn)費(fèi)用高等原因[4]，自然貯存實(shí)驗(yàn)的研究并沒有加速試驗(yàn)?zāi)敲瓷钊?，但是其失效機(jī)理更接近真實(shí)狀態(tài)。所以，對長期自然貯存后氣密性封裝元器件的封裝可靠性進(jìn)行研究有實(shí)際價值，將會對氣密性元器件的生產(chǎn)工藝改進(jìn)和貯存可靠性的提高起到非常好的作用。

1 概 述

對貯存在北京某實(shí)驗(yàn)室?guī)旆康亩鄠€種類數(shù)百只電子元器件進(jìn)行封裝可靠性的檢驗(yàn)試驗(yàn)。元器件的存儲環(huán)境為Ⅱ級，溫度-5～30 ℃，濕度20%～75% RH，有良好的通風(fēng)。實(shí)驗(yàn)樣品如表1所示，大部分樣品為“七?！钡燃墸糠譃檐娂?，封裝形式為陶瓷DIP、陶瓷扁平封裝、TO99等；元器件種類有集成電路，也有分立器件，元器件貯存時間最長的達(dá)到37年。

2 實(shí)驗(yàn)分析

長期自然狀態(tài)貯存可能引起的元器件失效的主要原因是水汽影響，其次為引線和芯片脫落[5]，分析總結(jié)后決定對所有實(shí)驗(yàn)樣品依次進(jìn)行密封性檢查、內(nèi)部目檢、鍵合拉力和芯片剪切力測試，同時分別在鍵合拉力和芯片剪切力測試之后對鍵合脫離點(diǎn)和芯片剪切情況進(jìn)行檢查，以全面了解長期貯存后元器件封裝質(zhì)量情況。

2.1 密封性檢查

對樣品按照國軍標(biāo)要求進(jìn)行粗檢漏和細(xì)檢漏，所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

對統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行分類，按照國軍標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，漏率大于5×10-9 （Pa·m3）/s為不合格，并分別統(tǒng)計出漏率處于（2～5）×10-9 （Pa·m3）/s和小于1×10-9 （Pa·m3）/s的樣品。將不同漏率階段的樣品所占比例繪制成如圖1所示。

從表2可以看出，不論是金屬封裝還是陶瓷封裝，都有較大比例出現(xiàn)了密封不合格現(xiàn)象，國產(chǎn)電路貯存了25年之后其密封失效比例竟然達(dá)到了33.33%。由表1和圖1可以看出，雖然金屬TO封裝電路的貯存時間比陶瓷DIP封裝電路長很多，但是其密封失效比例卻比后者普遍低。說明長期貯存對微電子器件的密封性有較大影響，但是金屬封裝的密封可靠性要比陶瓷封裝要好許多。

2.2 器件內(nèi)部情況檢查

主要對器件封裝內(nèi)部情況進(jìn)行檢查，查看器件內(nèi)部是否出現(xiàn)腐蝕、鍵合脫離、芯片貼裝失效等與長期貯存有關(guān)的失效模式。經(jīng)過檢查，沒有發(fā)現(xiàn)有較明顯的內(nèi)部腐蝕現(xiàn)象，但是發(fā)現(xiàn)密封不合格樣品中有較大比例器件的鍵合絲出現(xiàn)沾污，鋁絲表面明顯存在多余物，具體如圖2所示。

同時在陶瓷扁平封裝電路和TO電路中出現(xiàn)了芯片粘結(jié)層破裂的現(xiàn)象，具體如圖3所示。這些現(xiàn)象都將會影響到器件的封裝可靠性。前者會影響到鍵合絲的強(qiáng)度，嚴(yán)重的造成鍵合絲斷裂，使鍵合失效。后者會在一定程度上造成接觸電阻增大，使器件參數(shù)超差；同時，粘結(jié)層破裂也會降低芯片散熱效果，在使用時使芯片溫度上升，反過來加劇粘結(jié)層破裂，形成惡性循環(huán)，嚴(yán)重的直至芯片貼裝失效。

2.3 鍵合拉力測試與分析

根據(jù)檢漏結(jié)果對上述所有樣品分為兩部分進(jìn)行鍵合拉力測試，分別為密封合格和密封不合格。并根據(jù)鍵合絲直徑對應(yīng)相應(yīng)國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比照，將所得實(shí)驗(yàn)值按照規(guī)范值的倍數(shù)進(jìn)行分類：不合格（<1X）、規(guī)范值1～2倍（>1X）、規(guī)范值2～5倍（>2X）、大于規(guī)范值5倍（>5X）四類；將鍵合絲斷裂位置分為三類，分別為：A?外鍵合點(diǎn)斷裂，B?內(nèi)鍵合點(diǎn)斷裂，C?鍵合絲斷裂。將所得數(shù)據(jù)整理如表3和從上述數(shù)據(jù)可以看出，密封不合格樣品拉力分布與密封合格樣品并沒有較大差別，說明密封性能并沒有對鍵合強(qiáng)度有明顯影響。同時，除黑色TO電路以外，大部分電路的鍵合強(qiáng)度均大于2倍標(biāo)準(zhǔn)值，相當(dāng)比列處于標(biāo)準(zhǔn)值5倍以上，說明長時間貯存并沒有對鍵合強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響。對鍵合分離點(diǎn)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)分別如表5，表6所示，鍵合分離點(diǎn)分布統(tǒng)計如圖6和圖7所示。

在鍵合分離點(diǎn)的統(tǒng)計中，可以清晰看出鍵合絲斷裂所占比例，密封不合格樣品明顯高于密封合格樣品，這也與2.2節(jié)中發(fā)現(xiàn)密封不合格樣品有鍵合絲沾污吻合，說明鍵合絲沾污會嚴(yán)重影響鍵合絲本身的強(qiáng)度。而在內(nèi)鍵合點(diǎn)和外鍵合點(diǎn)分離的比例上則呈現(xiàn)出金屬封裝多外鍵合點(diǎn)斷裂、陶瓷封裝多內(nèi)鍵合點(diǎn)斷裂的想象，具體的機(jī)理有待于進(jìn)一步研究。

2.4 芯片剪切力測試與分析

在對鍵合拉力測試后的分離點(diǎn)形貌觀察之后，對所有樣品進(jìn)行芯片剪切力測試，這里同樣根據(jù)密封實(shí)驗(yàn)結(jié)果將樣品分為兩組。將試驗(yàn)結(jié)果與對應(yīng)的國標(biāo)值相比對，劃分為四類，分別為：不合格、國標(biāo)值1～2倍（>1X）、國標(biāo)值2～5倍（>2X）和大于5 kg（>5）。其中5 kg為國標(biāo)規(guī)定的芯片剪切力測試的最大值。所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7和表8所示。

將以上數(shù)據(jù)繪制成圖8和圖9所示的條形圖中。從所得數(shù)據(jù)可以看出，在本次實(shí)驗(yàn)的樣品中，剪切力失效比例較大，特別是黑色TO電路；且隨著貯存時間的減小，失效比例有下降的現(xiàn)象，這種趨勢不論是在密封不合格樣品中還是在密封合格樣品中都存在，說明貯存時間對芯片剪切力有較大的影響。

3 分 析

3.1 長期貯存對密封性能的影響

元器件封裝的一個重要作用就是保護(hù)芯片，讓芯片與外界隔離，避免接觸有害或者有污染性質(zhì)的介質(zhì)，氣密性封裝就是為了隔絕潮氣和腐蝕性氣體，從而保護(hù)芯片[6]。如果密封效果不好或者封裝氛圍不佳，水汽進(jìn)入封裝內(nèi)部，當(dāng)環(huán)境溫度低于其露點(diǎn)時，水汽會凝結(jié)成水滴，在貯存時就會引起器件電參數(shù)漂移，嚴(yán)重的引起鋁金屬化的腐蝕[7]。

圖10所示為實(shí)驗(yàn)樣品中一只檢漏不合格三級管的玻璃絕緣端子形貌圖，圖11所示為另一只檢漏不合格樣品開封之后內(nèi)部絕緣端子形貌。通過觀察發(fā)現(xiàn)，兩者都出現(xiàn)玻璃絕緣端子破損現(xiàn)象，后者有類似油狀液體流過痕跡，據(jù)分析應(yīng)該是檢漏時檢測液流入的痕跡。對檢漏不合格金屬封裝器件進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)絕大部分都存在上述現(xiàn)象，說明金屬封裝器件的氣密性主要由玻璃絕緣端子性能決定。

對于陶瓷封裝器件而言，器件引腳處是金屬直接與粘結(jié)材料融合在一起，由于熱膨脹系數(shù)不同，在長期貯存中由于溫度的緩慢連續(xù)變化，會造成管腳和粘結(jié)材料結(jié)合處出現(xiàn)裂紋致使密封失效，在粗檢漏實(shí)驗(yàn)中陶瓷封裝器件的大部分氣密性失效都是在引腳處出現(xiàn)連續(xù)氣泡，也證明了這一點(diǎn)。說明，對于陶瓷封裝器件而言，容易發(fā)生密封失效的部位主要為器件引腳處和蓋板粘結(jié)層。

3.2 長期貯存對鍵合強(qiáng)度的影響

在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，致使鍵合強(qiáng)度不合格的情況有兩種，按照引起缺陷的原因大致可以劃分為人為原因和自然原因。

人為原因?qū)е碌氖е饕窃阪I合過程中由于工藝參數(shù)設(shè)置不合理導(dǎo)致鍵合點(diǎn)的寬度和厚度不能滿足要求或者鍵合時損傷金屬化層[8]。本次實(shí)驗(yàn)中黑色TO電路就存在鍵合質(zhì)量不佳的現(xiàn)象，如圖12所示。從圖中可以看出，鍵合點(diǎn)明顯過大、厚度過小，使鍵合點(diǎn)形變太大，隨著時間和溫度的變化會發(fā)生緩慢的退化現(xiàn)象，會使鍵合強(qiáng)度漸漸降低甚至發(fā)生脫鍵現(xiàn)象，這也在鍵合拉力試驗(yàn)中得到證實(shí)。

自然原因某種程度上也是由于人為原因引起的，主要是由于生產(chǎn)過程中引入了污染物，或者是原材料選擇不合理造成的。前者主要造成腐蝕類失效，后者則會由于材料間應(yīng)力不當(dāng)，隨時間推移使鍵合強(qiáng)度退化。一種典型的失效原因就是如圖12所示的鋁絲沾污。

圖12 鍵合點(diǎn)形變過大

鋁絲沾污會引起鋁絲腐蝕，而鋁絲腐蝕是一個相對緩慢的過程[9]，在早期失效中很少發(fā)生，隨著產(chǎn)品的長期貯存就會發(fā)生鍵合失效；還有一種失效種原因是鍍層質(zhì)量不合格，表面疏松、不平整、厚度不均勻，如圖13所示。

圖13 鍍層質(zhì)量不佳

在有水汽或者其他具有腐蝕元素的情況下發(fā)生氧化等化學(xué)反應(yīng)，使接觸電阻增大，從而使鍵合強(qiáng)度降低，嚴(yán)重的發(fā)生脫鍵。所以說，在器件生產(chǎn)過程中不論是存在人為缺陷還是原材料存在問題，在長期貯存中鍵合性能都會出現(xiàn)退化，鍵合點(diǎn)變脆開裂，嚴(yán)重的會出現(xiàn)脫鍵現(xiàn)象，嚴(yán)重影響鍵合可靠性。

3.3 長期貯存對貼裝強(qiáng)度的影響

微電子器件的芯片貼裝主要是為了解決電學(xué)連接和改善散熱條件。

常見的貼裝形式有銀漿燒結(jié)、合金燒結(jié)、導(dǎo)電膠粘結(jié)、環(huán)氧樹脂膠粘結(jié)等[10]。

其中銀漿燒結(jié)或者是合金燒結(jié)都容易出現(xiàn)銀被氧化或者合金焊料被氧化的現(xiàn)象，如圖14所示，該圖為黑色TO電路芯片剪切試驗(yàn)之后貼裝面的相貌圖，其中圖3為其剪切試驗(yàn)之前的形貌。

從圖3可以看出，經(jīng)過長期貯存之后，芯片粘結(jié)層已經(jīng)發(fā)生開裂；芯片被剪切之后發(fā)現(xiàn)，貼裝面與芯片完全分離，表面呈現(xiàn)黑色被氧化狀。另外，陶瓷扁平封裝電路同樣出現(xiàn)了芯片粘結(jié)層開裂的現(xiàn)象，如圖15所示。

圖14 剪切試驗(yàn)后芯片粘結(jié)層形貌

圖15 陶瓷扁平封裝器件粘結(jié)層形貌圖

對于不需要實(shí)現(xiàn)電學(xué)連接的器件，粘結(jié)層破、氧化或者存在小孔會使芯片使用過程中散熱受阻，芯片溫度上升使器件燒毀或者加劇粘結(jié)層破裂。

對于需要實(shí)現(xiàn)電學(xué)連接的器件，粘結(jié)層破裂也會造成接觸電阻增大，使器件電性能下降，接觸電阻增大最終會在芯片粘結(jié)層產(chǎn)生更多的熱量，反過來加劇粘結(jié)層的破裂，形成惡性循環(huán)。

造成粘結(jié)層破裂和空洞或者氧化的原因主要是生產(chǎn)工藝控制不嚴(yán)，粘結(jié)層中存在空洞或者器件內(nèi)部氣氛不良，粘結(jié)層氧化；同時由于不同材料的熱匹配系數(shù)的差別，長期貯存環(huán)境中溫度的緩慢變化也能造成粘結(jié)層破裂。

總體來說，長期貯存對芯片貼裝可靠性的影響較大，不論是否需要實(shí)現(xiàn)電連接，粘接層破裂和氧化或者老化的現(xiàn)象出現(xiàn)的比例都較高，大大降低了芯片貼裝可靠性。

4 結(jié) 語

在本次實(shí)驗(yàn)中，圍繞密封微電子封裝可靠性對大量實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了破壞性物理分析，得到如下結(jié)論：

（1） 長期貯存之后，陶瓷封裝器件密封失效的比例較大，金屬封裝器件密封失效情況略好于陶瓷封裝器件。前者密封性能取決于管腳與粘接材料結(jié)合部位機(jī)械性能，后者密封性能取決于玻璃絕緣端子機(jī)械性能。

（2） 在鍵合工藝優(yōu)良的情況下，密封性對鍵合點(diǎn)的強(qiáng)度并沒有太大的影響，但是，密封質(zhì)量不佳很可能會造成鍵合絲的腐蝕，使鍵合可靠性下降明顯；長期貯存后，金屬封裝器件鍵合斷裂點(diǎn)多數(shù)位于外鍵合點(diǎn)，陶瓷封裝器件鍵合斷裂點(diǎn)多數(shù)位于內(nèi)鍵合點(diǎn)，具體機(jī)理有待于進(jìn)一步研究；

（3） 長期貯存會使芯片貼裝強(qiáng)度下降明顯，芯片粘接材料開裂、氧化現(xiàn)象較常見，隨貯存時間增長，貼裝失效的比例明顯增大；

（4） 通過對以上情況進(jìn)行總結(jié)，在長期貯存前，針對元器件密封性能和芯片貼裝性能進(jìn)行篩選，剔除密封和芯片貼裝不良的器件，能夠極大提高元器件的貯存可靠性。

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