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1、塑封 IC 常见失效及对策 1 引言 在现代激烈的市场竞争中 质量是企业的生命 当一种产品的性能不合格时 我们通常称产品失效 电子器件的失 效可分为早期失效和使用期失效 前者多是由设计或工艺失误造成的质量缺陷所致 可以通过常规电参数检验和筛 选进行检测 后者则是由器件中的潜在缺陷引起的 潜在缺陷的行为与时间和应力有关 经验表明 潮汽吸附 腐 蚀和热机械应力 电过应力 静电放电等产生的失效占主导地位 2 塑封 IC 常见失效 塑封 IC 是指以塑料等树脂类聚合物材料封装的集成电路 由于树脂类材料具有吸附水汽的特性 故限制了其在航 天 航空等领域的应用 其常见的失效有 1 芯片破裂 2 管芯钝化层
2、损伤 3 管芯金属化腐蚀 4 金属化变形 5 键合金丝弯曲 6 金丝键合焊盘凹陷 7 键合线损伤 8 键合线断裂和脱落 9 键合引线和焊盘腐蚀 10 引线框架腐蚀 11 引线框架的低粘附性及脱层 12 包封料破裂 13 包封材料疲劳裂缝 14 封装爆裂 爆米花 15 电学过载和静电放电 16 焊接点疲劳 3 塑封 IC 失效分析中的理化分析方法 理化分析是搞清失效机理的最先进的分析方法 以下简要介绍一些理化分析方法的基本原理及其在失效分析中的应 用 3 1 扫描电子显微镜 扫描电子显微镜是运用电子束在样品上逐点扫描 引起二次电子发射 再将这些二次电子等信息转换成随试样表面 形貌 材料等因素而变
3、化的放大了的信息图像 它与光学显微镜等相比 具有聚焦景深长 视野大 不破坏样品 并富有立体感 分辨率高 能观察 lOnm 以下的细节 放大倍数可以方便地在 20 10 万倍连续变化等优点 是目前 最有效的一种失效分析工具 3 2 电子微探针 电子微探针是利用细电子束作为 X 射线的激发源 打在要分析的样品表面 穿透深度一般约 1 3 m 激发产生出与 被打击的微小区域内所包含元素的特征 X 射线谱 通过对特征 X 射线波长和强度的分析 来判断样品的成分和数量 情况 对硅中缺陷 pn 结区重金属杂质沉淀 半导体材料微区域杂质及扩散层剖面杂质等进行分析 以确定潜在的 失效模式 3 3 离子微探针
4、离子微探针是用一次电子束轰击试样 产生二次离子 然后按荷质比进行分离 从而分析出试样的成分 其取样的 深度一般只有 5 20 原子层 可用来测定表面污染 表面吸附以及对氧化 扩散薄层 涂层等表面的分析 3 4 俄歇电子能谱仪 俄歇电子能谱仪的基本原理 是用低能电子束 1000eV 以下 轰击被分析的靶材料 使其释放出具有不同能量的二次 电子 通过能量分析器对其进行能量分析 测出其能量分布 得到一系列的能谱 其中有些峰就是俄歇电子峰 与 光谱分析相似 根据俄歇电子峰可以决定出某些元素的存在 由峰的强度可以测出该元素的含量 俄歇电子具有表 面探针的作用 它可以用来分析表面 如表面组分 表面生长过程
5、 合金接触质量 键合质量以及其它与表面有关 的现象 其深度可深至 10 m 左右的表面层 3 5 红外热分析 红外热分析可运用红外显微镜 红外扫描显微镜等 它的基本原理 是当器件加上电源后 芯片上将有一定温度 产生相应的红外辐射 通过相应的红外接收系统 可将芯片上的反常热点显示出来 发现不合理的设计及材料和工 艺中的缺陷 如反偏 pn 结上的发光点 针孔 尖端扩散及铝膜台阶处的局部发热等 4 塑封 IC 失效分析基本步骤 4 1 保存物理证据 在生产过程中 回流焊返工或替换有问题的元器件是可以接受的 但在失效分析中 让已暴露出来的问题清楚显现 最为重要 失效分析最禁忌的是替换或修理问题点 这样
6、会损坏物理证据 对失效分析样品 应温 湿度受控 并避免振动及静电等外力作用 在原因未得到确认前 应避免对失效样品进行 通电 4 2 物理分析 初步电参数测试 观察失效器件哪些参数与正常器件参数不符合 外观及密封性检查 开帽镜检 开帽时 注意不要损坏管芯和引入新的失效因素 用 30 60 倍显微镜检查机械缺陷 内引线 芯片位置 铝条好坏等 用 400 1000 倍的金相显微镜观察光刻 铝引线 氧化层缺陷 芯片裂纹等 并对结果照相 图 1 为 某失效样品芯片裂纹扫描声学显微图像 进一步测试电参数 必要时可划断铝条用探针测试管芯 检查电路的有源和无源元件性能是否正常 除去铝膜再对管芯进行测试 观察性
7、能变化 并检查二氧化硅层的厚度与存在的针孔等 除去 Si02 用探针测试管芯 分析表面是否有沟道 失效是否由表面效应引起 4 3 根本失效原因确定 塑封 IC 失效的原因有 设计缺陷 原材料品质不良 制程问题 运输中静电击穿或存储环境中水汽吸附 使用时 的过应力等 应征对失效分析样品 确定导致失效的根本原因 工艺问题在塑封 IC 中占失效比例最大 问题主要 集中在后工序上 如某塑封电路 由于器件塑封材料与金属框架和芯片间发生分层效应 俗称 爆米花 效应 而 拉断键合丝 从而发生开路失效 经分析 其主要原因是塑封料中的水分在高温下迅速膨胀使塑封料与其附着的其 他材料间发生分离 4 4 纠正措施及
8、验证 在查明失效原因的基础上 通过分析 计算和必要的试验验证 提出纠正措施 经评审通过后付诸实施 跟踪验证 纠正措施的有效性 并按技术状态控制要求或图样管理制度对设计或工艺文件进行更改 5 提高塑封 IC 可靠性的措施 在规定时间内或整个有用寿命期内 产品在规定的条件下完成规定功能的概率 即可靠性 其取决于固有设计 制 造过程 工作条件 确定产品如何被使用 维修及修理 以下从三方面介绍提高塑封 IC 可靠性的措施 5 1 设计的可靠性 产品应设计成能运用于它使用的环境 而且应当对设计有充分了解 应当最优先考虑表示环境的特性 它取决于用 户的类型以及产品的工作周期 可以通过试验或分析来验证是否已
9、达到了可靠性的目标 通过试验 产品的设计可 以得到证实 试验可以暴露出未想到的设计的薄弱环节或不令人满意的性能 作为研制工具 应向工程师反馈他们 所需要的信息 以便工程师们改进设计 修正分析 在塑封 IC 设计时 为提高可靠性 将零件最大允许应力限制到低于其最大额定应力值的某一规定值 并在产品中 要考虑热量的产生和扩散 避免出现由温度造成的可靠性问题 5 2 工艺及材料控制 在塑封 IC 整个生产过程 应加大工艺控制 其主要措施有 1 减少封装体内水汽含量 避免分层效应 封装体内的实际水汽含量是由密封材料 封装体本身 密封环境释放的水和通过密封处漏人的水汽组成的 为防止 水汽侵入 良好的钝化覆
10、盖层 使用磷玻璃或氮化硅 是必要的 减少包封料中的离子沾污物 在包封料中掺人杂质 离子俘获剂或离子清除剂 提高塑封料与引线框架间的粘接强度 在塑封料中加入填充物延长水汽渗透路径 使用 低吸水性包封料等 另外 从工艺上采取以下措施 封装时的环境气氛必须很干燥 封装前各部件应在真空和高温下长时间烘烤 以去除水汽 保证器件符合 Gm548A 96 方法 1014A 中 He 检漏的气密性要求 来减少封装体内水汽含量 2 减少封装体内部气泡 避免塑封体裂纹的产生 在 IC 后道封装的塑封过程中 环氧模塑料在熔融状态下充填成型时 包人或卷进去的空气以及饼料中原有的探发 性物质在压实阶段时不能完全排出 残
11、留在塑封体内部就形成内部气泡 其对可靠性的影响有 导致塑封体裂纹的产生 使树脂的耐温性能下降 影响电性能 通过树脂预热时温差工艺 即树脂放人料筒中时 温度高的树脂放在上面 温度低的树脂放在下面 则预热时上面 温度高的树脂先熔化充填料筒与树脂饼料之间的间隙 空气就从流道的方向排出 而不会进入树脂的内部 3 减小金属框架对封装的影响 金属框架是塑料封装 IC 用基本材料 从装片开始进入生产过程一直到结束 几乎贯穿整个封装过程 对装片 键 合 塑封 电镀 切筋等工序质量均有影响 为提高塑封 IC 可靠性 对塑封用金属框架的要求有 选铜质引线框架 达到良好的热匹配 外引线脚的锁定和潮气隔离结构 给跳步模装置增加一道精压工序去除塑封冲制成形时的毛刺 减小应力 5 3 包装 运输及使用 在塑封电路运输 装卸 存贮等过程中 必须采取一定的保护措施 包装过程的保护措施有 必要的防潮保护 防 潮气侵入 物理损伤保护 以免引线弯曲或断裂 防静电放电保护等 器件使用单位应重视在元器件的测试 装配和调试 试验过程中严格执行有关操作程序 防止电学过载和静电放电 失效
