塑封器件失效机理及其快速评估技术研究
H- k9 J% @, v张鹏; 陈亿裕
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(华南理工大学材料科学与工程学院)
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摘要：针对影响塑封器件可靠性的五种失效机理,即腐蚀失效、爆米花效应、低温/温冲失效、闩锁以及工艺缺陷等方面进行分析和讨论,并提出利用高温潮热和温度冲击试验对塑封器件的可靠性进行评估。还介绍了美国航天局Goddard空间飞行中心提出的对塑封器件进行高可靠性筛选的方案。
' K, C5 c9 G, \$ C% L关键词：塑封器件; 失效机理; 可靠性; 评价;
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1.引言
塑封器件是指以树脂类聚合物为材料封装的半导体器件，其固有的特点限制了塑封器件在卫星、军事等一些高可靠性场合的使用 [1]。虽然自70年代以来[2]，大大改进了封装材料、芯片钝化和生产工艺，使塑封器件的可靠性得到很大的提高，但仍存在着许多问题。这些潜在的问题无法通过普通的筛选来剔除，因此，要研究合适的方法对塑封器件的可靠性加以评定。
美国航空航天局（NASA）的Goddard空间飞行中心在2003年6月颁布的文件（NASA/TP- 2003- 212244: Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit（PEM）Selection,Screening,and Qualification）承认，由于PEM自身的缺陷不可能既满足高可靠性的军事需求，同时又满足低风险的失效率，因此就必须进行筛选和鉴定试验。本文对塑封器件的失效机理分析，并就筛选这个环节的可靠性快速评价进行论述。
2 失效模式及其机理分析
塑封器件在没有安装到电路板上使用前，潮气很容易入侵，这是由于水汽渗透进树脂而产生的，而且水汽渗透的速度与温度有关。塑封器件的许多失效机理，如腐蚀、爆米花效应等都可归结为潮气入侵。
2.1 腐蚀
潮气主要是通过塑封料与外引线框架界面进入加工好的塑封器件管壳，然后再沿着内引线与塑封料的封接界面进入器件芯片表面。同时由于树脂本身的透湿率与吸水性，也会导致水汽直接通过塑封料扩散到芯片表面。吸入的潮气中，如果带有较多的离子沾污物，就会使芯片的键合区发生腐蚀。如果芯片表面的钝化层存在缺陷，则潮气会侵入到芯片的金属化层。无论是键合区的腐蚀还是金属化层的腐蚀，其机理均可归结为铝与离子沾污物的化学反应：由于水汽的浸入，加速了水解物质（Cl -，Na+）从树脂中的离解，同时也加速了芯片表面钝化膜磷硅玻璃离解出(PO4)3-。
⑴在有氯离子的酸性环境中反应
2Al±6HCl→2AlCl3±3H 2
Al+3Cl→AlCl3+3e-
AlCl3→Al(OH)2 +HCl
⑵在有钠离子的碱性环境中反应
2Al+2NaOH+2H2O→2NaAlO 2+3H2
Al+3(OH)- →Al(OH)3+3e-
2Al(OH)3→Al2 O3+3H2O
腐蚀过程中离解出的物质由于其物理特性改变，例如脆性增加、接触电阻值增加、热膨胀系数发生变化等，在器件使用或贮存过程中随着温度及加载电压的变化，会表现出电参数漂移、漏电流过大，甚至短路或开路等失效模式，且有些失效模式不稳定，在一定条件下有可能恢复部分器件功能，但是只要发生了腐蚀，对器件的长期使用可靠性将埋下隐患[3]。
2.2 爆米花效应5 t5 \; b0 J, T; C0 |
2 M8 O7 ?$ d" r) I! |6 W4 f塑封器件在焊接期间传导到器件上的热有三种来源：红外回流焊加热、气相回流焊加热和波峰焊加热。红外加热的峰值温度是235～240 ℃，时间10 s；气相加热温度215±5 ℃，40 s；波峰焊加热温度260±5 ℃，5 s。在器件受热过程中，由于管壳中所吸附的水分快速汽化，内部水汽压力过大，使模制材料(环氧树脂化合物)膨胀，出现分层剥离和开裂现象，俗称“爆米花”效应。管壳开裂既可在膨胀过程中出现，也可在冷却和收缩到其正常尺寸过程中发生。这些裂缝会给水分和污染物的侵入提供通道，从而影响长期可靠性，而且在模制材料膨胀过程中，内部产生的剪切应力会影响焊线的完好性，特别是在芯片角应力最大时，会导致键合线翘起、键合接头开裂和键合引线断开，引起电失效。这一现象与焊接过程的温度变化范围、封装水分含量、封装尺寸和模压材料粘合力有关。这种效应在大管脚数的塑封器件上更为强烈。 / N% F) [- f- o* X7 ^
2.3 低温/温冲失效' Y- h2 z; a! w
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通常由元器件生产厂商提供的塑封器件对温度要求不高，能满足如下三种温度范围的要求即可：0～70 ℃(商业温度)、-40～85 ℃（工业温度）、-40～125 ℃（汽车温度），这些范围比传统的军用温度范围（-55～125 ℃）要窄。但大量的失效案例表明，即使在这三种温度范围内，失效的塑封器件比例依然很高，对失效的器件失效分析表明，外界温度冲击或低温环境造成的塑封材料对芯片的应力是主要机理。
①封装分层。在从室温到极端寒冷环境的热循环过程中，模压复合物与基片或引线框之间的热膨胀系数差异可造成分层和开裂。在极端低温下，由于贮存操作温度和密封温度之间的差异很大，因此导致分层和开裂的应力也非常大。并且，随着塑料在极端低温下耐开裂强度的下降，开裂的可能性也随之增加（封装经过-55～125 ℃的热循环时，引线框尖锐边缘处就会出现开裂和分层）。另外，潮湿对低温下关键基片，即封装材料界面上的分层还会产生加速效应。这种加速效应可由封装内凝结水汽的冻结和解冻所引起[4]。
②对芯片的机械应力。由于塑封料和硅的线性热膨胀系数相差一个数量级，可使器件在温度变化的环境里，塑封料在芯片上移动。这种应力对芯片表面结构构成一种剪切力，它首先使芯片上附着力弱的金属化层向芯片中心滑移，造成金属化铝条间开路或短路；也可能造成钝化层或多晶硅层破裂，多层金属化上下层间短路。
另外，塑封料在工作温度下会对芯片有一个压应力。温度越低，压应力越大。同时塑封料中加了石英砂填料，以其尖锐的角尖接触芯片，塑封料的压力传递到芯片上，刺破钝化层和金属层造成开路或短路，也会造成IC中的元器件参数变化。
2.4 闩锁或EOS/ESD
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$ @" t- n8 ^8 o# z因电路闩锁或EOS/ESD损伤，会造成芯片上局部高温区塑料碳化的现象，这是因通过导电塑料的电流旁路过热而引起的。由于这种失效机理使封装剂退化，使其绝缘电阻受到损耗而导电。大电流沿着这条导电通道并通过塑料从电源输送到地线，不断使塑料发热，最终使塑封器件烧毁。
2.5 生产工艺缺陷
①芯片粘接缺陷。这些缺陷包括芯片与其基片粘接不良、粘接材料中有空洞，造成热分布不均（局部热点）、芯片剥离或裂纹，此外，空洞还可截留潮气和沾污物。这些缺陷可导致致命失效[2] 。
②封装缺陷。常见的封装缺陷包括气泡、粘接不良（剥离）、芯片的基片位移和引线弯曲不当。此外，模制化合物含有杂质或沾污物。这些缺陷可造成塑封开裂、金属化层变形、焊头翘起、互连线腐蚀断开、电气开路、短路或中断等等，因而使器件失效；粘接不良（剥离）是由于引线框架表面受到沾污或在键合温度下受到氧化而造成的。其他原因还包括应力消除不足和脱模剂过量等。
③钝化层缺陷。钝化层缺陷包括开裂、孔隙和粘接不良。这些缺陷会造成电气开路、中断或漏电流大。
3 塑封器件可靠性快速评价
对于塑封器件的可靠性评价主要方面是缺陷暴露技术，而缺陷在器件使用前很难通过常规的筛选来发现，一旦器件经过焊接或实际工作时就会显露出来，造成组件的故障。
3.1 常规评价方法
①高温潮热。潮气的入侵是与时间相关的，时间越长，湿度越大，则塑封器件内潮气达到饱和的时间越短。同时这种失效还会受到温度、湿度共同作用的影响，因此采取温度、湿度综合应力，开展加速试验。针对不同的塑封器件，可以制定相应的试验方案，也可以采用经验值，即85℃，85%RH，500 h进行高温潮热试验。但同时依据标准EIA/JESD22-A110-A，96 h的130 ℃、85%RH HAST相当于1000h 85 ℃/85%RH潮热试验，500h的高温潮热试验可以用50 h的HAST等效替代。经过高温潮热或HAST试验后的塑封器件经过焊接工艺后取下，进行声学扫描检查，分析其引线框架与封装材料、芯片与封装材料的分层情况，做出此批器件是否通过高温潮热试验的判断。
②温度冲击。Hughes公司指出，温度冲击和随机振动是考核元器件非工作状态可靠性的最有效的高加速应力方法 [5]。统计分析表明，温度冲击能够暴露元器件2/3的贮存潜在缺陷。而对于封装对芯片存在温变应力敏感以及封装工艺存在缺陷的塑
% X0 A1 H$ q0 D. \* [: ]; W H4 U% H4 ~封器件，可以通过选择合适的温变参数（参照产品的使用等级）进行评价。参考MIL883E以及结合经验参数，可以采用负温30min，正温30min，大于100个循环的试验方案。温度冲击试验后，除了进行声学扫描检查界面分层情况外，还要进行X射线检查外引脚与芯片键合区的铝线完整情况；最后要将器件开封，观察芯片表面是否有裂纹、钝化层表面是否有较多的划伤，做出此批器件是否通过温度冲击试验的判断。
在做出此批器件是否通过评价试验的判断时，若选取已知良好的器件对比进行评价，将会为被评价的塑封器件可靠性判断提供非常有价值的参考信息。
3.2 可用于军工高可靠用途的筛选
美国航空航天局的Goddard空间飞行中心的报告指出，筛选能有效避免PEM由于缺陷而引起的早期失效，并给出了评价流程及参数，请参照文献。
' u3 ~% r$ m, ]9 C4 结语
影响塑封器件可靠性的各种失效机理所对应的失效表征可以采用加速试验，使其在短期内的退化等效于长期累积的结果。元器件贮存可靠性的筛选和评价，要求以最充分暴露和检测其各种缺陷和潜在缺陷为目的。高加速应力试验正是缺陷评价、安全工作裕度评价和健壮设计评价的重要方法 [7]，在参考EIA和MIL标准的基础上，根据不同塑封器件的产品手册适当加速应力系数范围，采用对比试验可以很好地对缺陷品进行筛选。塑封器件的可靠性评价方法研究是一项长期的工作，本文所论述的可靠性评价方法适用于PEM缺陷的前期筛选，但对于 PEM的长期工作状态可靠性，要通过大量的鉴定试验才能做出判断。
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发表于 2015-7-23 13:19
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