趙昊，劉沛江，彭澤亞，趙振博

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

0 引言

電子元器件內部氣氛[1]含量過高會給元器件的性能、壽命和可靠性造成嚴重的影響，異常的內部氣氛容易造成元器件性能降低或不穩(wěn)定，甚至失效[2]。氣氛導致的失效難以通過無損檢測或者初期使用被發(fā)現(xiàn)，這主要是因為這種失效要在元器件儲存或使用過一段時間后才會被察覺。一旦被發(fā)現(xiàn)，一般是批次性的，往往會給研發(fā)生產(chǎn)造成進度拖后、成本提升等后果。因此，研究內部氣氛對元器件失效的影響在很大程度上能夠降低使用成本和提高元器件運行壽命?；趯ξ宜罅吭骷蟾娴母櫡治觯疚目偨Y和研究了元器件受內部氣氛影響而發(fā)生失效的主要機理。

1 水汽導致漏電

在內部氣氛引發(fā)的失效中，漏電是比較常見的失效原因，它往往容易造成元器件絕緣性能下降、輸出頻率低于規(guī)格要求的下限或參數(shù)波動。內部氣氛引發(fā)漏電的主要原因是水蒸氣達到飽和后會在元件器件內部凝結成液體，當液體中的各種離子含量滿足導電要求時，該液體能夠導電形成導體，在元器件內部表面形成漏電通道，從而導致漏電流增大，引起元器件的絕緣性能下降[3]。

某諧振器的輸出頻率為40 MHz，低于規(guī)格要求的下限。經(jīng)失效分析，其內部氣氛中水汽含量達到6.114×10-3。同時，密封性能良好，內部晶片未見開裂、劃痕和起泡等可能導致輸出頻率發(fā)生變化的缺陷或損傷，如圖1所示。綜上，其輸出頻率降低的失效機理是當使用環(huán)境溫度降低時，腔體內部水汽凝結在石英晶片上，改變石英晶片的荷質比，形成漏電，導致晶片頻率偏低、甚至不起振。

圖1 樣品開封后的形貌

2 水汽及其他氣氛引發(fā)電化學遷移

電化學遷移（ECM:Electrochemical Migration）是造成元器件失效最常見的原因之一，它常發(fā)生在用于連接焊絲、焊點和包層的金屬材料中，像Ag、Ni、Sn、Pb、Cu和Au等[4]。在這些金屬材料中，Au產(chǎn)生電化學遷移的模型是比較成熟的。在水氣環(huán)境中，Au容易與鹵素原子發(fā)生反應，在陽極溶解然后遷移到陰極，從而形成樹枝晶狀沉積物，反應式如下所示。

1）陽極:

2）陰極:

電化學遷移一般與元器件的工作電場、周圍氣氛、溫度和時間有關，其中，最容易受到氣氛和溫度的影響，本文將從內部氣氛引發(fā)電化學遷移的角度來分析元器件失效機理。

某諧振器的引腳焊點與端頭焊點之間生成枝晶狀、呈金屬光澤的異常物，如圖2中的A和B區(qū)域所示。該異常物質地疏松，主要元素成分為Pb和Sn，呈現(xiàn)典型的遷移形貌，如圖3所示。經(jīng)對其機理進行研究，該樣品內部由于水汽含量較高，焊料在潮氣和電場的作用下發(fā)生電化學遷移，使得器件引腳的焊點之間發(fā)生漏電，最終導致樣品失效。

圖2 某諧振器背面形貌

圖3 異常物的典型形貌

除了水汽引起焊料的電化學遷移外，其他內部氣氛冷凝的液體也能引起其他金屬成分的電化學遷移。某MOSFET的內部腔體中含有大量的氣氛凝結而成的透明液體，其被液體覆蓋的邊緣位置可見黑色物質從芯片側面延伸至S極金屬化邊緣（如圖4所示）。該黑色物質的微觀形貌呈枝晶狀，主要成分為Ag，與芯片粘接銀漿的主要成分相同。該MOSFET的失效機理是粘接銀漿中的Ag在不明液體和電場的共同作用下發(fā)生電化學遷移，遷移到S極金屬化邊緣導致漏電。

圖4 某MOSFET形貌圖

3 水汽和氧氣引發(fā)金屬氧化

活潑金屬在氧氣和水分存在的環(huán)境中，容易發(fā)生氧化反應，生成金屬氧化物[5]。相比于具有良好導電能力的金屬成分，金屬氧化物表現(xiàn)出絕緣或半導體性質，導致元器件不能正常運作。某石英晶片銀電極表面多處氧化沾污，并且還存在一定程度的變色，經(jīng)分析，異物的主要元素成分包括碳（C）、氧（O）和鐵（Fe），如圖5所示。該石英晶片失效的機理是由于樣品內部水汽和氧氣含量超標，共同導致銀電極表面被氧化污染，從而造成樣品的輸出頻率不連續(xù)，不穩(wěn)定。

圖5 銀電極表面沾污形貌和沾污異物的EDS分析結果

4 內部氣氛引發(fā)材料腐蝕

由于元器件內引線和鍵合點直接暴露在內部氣氛中，在腐蝕介質作用下容易發(fā)生腐蝕，被腐蝕部位的電阻會增大、電容和機械強度會降低，發(fā)生失效。比較常見的有吸氧腐蝕，在潮濕的空氣環(huán)境中，活潑金屬表面在氧氣和水分的共同作用下發(fā)生化學反應而產(chǎn)生腐蝕[6]，其反應式為2M+2H2O+O2=2M（OH）2。此外，酸性氣氛、堿性氣氛和臭氧氣氛等也能夠引起金屬材料腐蝕。其中，銅在酸性氣氛和氧氣的共同作用下易發(fā)生析氫腐蝕；金箔暴露于SO2、NO2等酸性氣氛中，會因為冷加工變形導致的高缺陷密度而產(chǎn)生腐蝕；臭氧會造成金屬和高分子材料的氧化腐蝕。

某光模塊T3端的鍵合點發(fā)生了脫離，脫離后的鍵合焊盤有膨松灰色異物，呈現(xiàn)腐蝕的形貌特征，如圖6a和6b所示。該灰色異物區(qū)域的主要元素組成為C、O、F、Al，同時O元素的比例很高（如圖6c所示）。其中，Al為鋁焊盤的元素，由此判斷鍵合鋁焊盤被含有C、O、F元素成分的異物所腐蝕，導致鍵合強度下降，直至鍵合點脫離而開路。經(jīng)紅外光譜分析（如圖6d所示），灰色異物中含有大量的有機酸鹽成分。該光模塊的失效機理是塑封料釋放出有機酸腐蝕內部鍵合鋁焊盤，生成有機酸鹽，導致鍵合點開路失效。

圖6 光模塊T3腐蝕形貌及分析結果

5 結束語

綜上所述，元器件因內部氣氛導致失效等質量問題嚴重地影響元器件產(chǎn)品的質量與可靠性。為了杜絕內部氣氛失效的發(fā)生，可以采取以下措施加以防范:首先，根據(jù)氣氛超標原因協(xié)調元器件生產(chǎn)單位加強生產(chǎn)過程控制；其次，檢驗過程嚴格執(zhí)行相關標準要求，推薦使用MIL-STD-883K。因此，為了提高器件可靠性，需要從研究內部氣氛對元器件的影響機理出發(fā)，不斷地優(yōu)化、控制封裝工藝，嚴格地限制器件內部氣氛含量，降低器件的失效概率，以保證電子元器件長期使用的質量與可靠性。