混合电路贮存可靠性及评价方法

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1、2012-07-19#2012-07-19# 2# 0# 12-07-19#混混合合电电路路贮贮存存可可靠靠性性及及评评价价方法方法黄云 , 恩云飞 , 杨丹(电子元器件可靠性物理及其应用技术国家级重点实验室 ; 信息产业部 电子第五研究所 , 广东 广州 510610)摘摘要要 :系统地分析和总结了混合电路在贮存中的失效模式及机理 ,温度 、 湿度以及化学等导致贮存失效的主要因素 ,论述了缺陷消除或控制法 、 贮存寿命加速试验法 、 标准单元结构评估预计法 、 自然贮存试验法等评价贮存可靠性的方法 ,为评估/ 评价混合电路贮存可靠性提供了思路和参考 。 关关键词键词 :混合电路 ; 贮存 ;

2、 失效 ; 可靠性中中图图分分类类号号 : TN453文献文献标标识码识码 : A文文章章编编号号 :100423365 (2007) 0220173204Storage Rel ia bil ity an d Eval uat ion Methods f or Hybrid ICsH U A N G Yu n , EN Yu n2f ei , YA N G Da n( N at i onal Ke y L ab. f or Rel i ab. Ph y s. an d A p p l . T ec h nol . o f Elec . P ro d. ; Chi na Elec . P ro

3、 d. Rel i ab. an d Env i ron .T est. Resea r. I nst i t. , M i nist r y o f I n f or m at i on I n d ust r y , Guan g z hou , Gu an g don g 510610 , P. R. Chi na)Abstract : Fail ure mo des and mechani sms fo r sto rage of hybrid ICs a re syst ematically a nal yzed and summa rized.Temp erat ure , hum

4、idit y a nd chemical f acto r s a re t he majo r causes leading to H IC sto rage f ail ures. Generally , mo st of t he f ail ures a re adherence ( chip/ p art s ) , bo nding , p ackage a nd o t her no n2wea ro ut sto rage f ail ure s due to t he p rocess o r de sign def ect s. Furt her mo re , eval

5、uatio n met ho ds fo r sto rage relia bilit y , such a s def ect s avoid/ co nt rol , sto rage lif e cycle accelerated te sting , eval uatio n/ p redictio n fo r sta nda r d unit co nst r uct , nat ural sto rage testi ng , a real so di scussed. All t he se met ho ds p ro vide a way to eval uate and

6、a sse ss t he reliabilit y of H ICs in sto rage.Key words : Hybrid IC ; Sto rage ; Fail ure ; Reliabilit yEEACC : 2220J点 。从目前混合电路长期贮存可靠性研究结果以及近年的 D PA 结果看 , 混合 电路 非工 作期 失 效主 要 是与芯片/ 元件粘接 、 键合 、 封装有关的后工序或组 装结构失效 。这些 失效 不 是贮 存寿 命中 的 磨损 失效 ,而是由工艺缺陷 、 设计缺陷引起 。因此 ,要有适 当的方法针对这些缺陷进行评价 、 筛选 ,消除工艺缺 陷和设计缺陷 ,尽

7、可能地消除因缺陷而引起的混合 电路早期失效 ,使混合电路的失效基本发生在磨损 期 ,才能满足工程用元器件长期贮存可靠性要求 。1引言适应国际形势和整机系统应用的要求 ,整机系统的储备是保障国家安全的前提和基础 。整机系统 必须适应长期贮存 、 随时可用和能用的特点 ,尤其是 长期贮存 、 一次性使用的整机系统 ,元器件的贮存寿 命更是一项非常重要的指标 。在整机中提出了对元 器件 14 年贮存可靠性的定量需求. 但是 ,目前有关元器件长期贮存寿命考核没有成熟的方法和标准 , 使得这项工作的开展十分困难 。 混合电路作为整 机系统中的核心部件 ,其长期 贮存可靠性更受到高度关注 。传统的获得贮存

8、寿命 方法是建立在大量的试验数据基础上的统计分析结果上 ,不适合整机系统研制周期短 、 应用周期短等特2 混合电路贮存失效模式及机理2 . 1混合混合电电路路贮贮存失存失效效模式模式混合电路的贮存失效主要表现为电路参数漂 移 、 无输出 、 漏气等 ,其中参数漂移 、 无输出为最主要 2012-07-19#2012-07-19# 2# 0# 12-07-19#金2铝键合系统的键合部位由于异种金属的接合 ,其晶格常数和热膨胀系数不同 ,经长期贮存后 , 金属间存在的互扩散效应导致金铝化合物的产生 。 这些金属间化合物的晶格常数 、 膨胀系数 ,以及形成过程中体积的变化都是不同的 ,而且电导率都较

9、低 。 从而交界面电阻急骤上升 、 键合强度显著下降 。2 . 2 . 2贴装失效 贴装失效表现为电路参数漂移和 开路等 。贴装工艺主要包括银浆粘接 、 共熔合金烧结和环氧粘接 等 。一般情况下 ,共熔合金烧结的可靠性较好 。然 而 ,无论是银浆 、 环氧树脂粘接 ,还是烧结的方法 ,在 贴装界面存在缺陷的情况下 ,贴装界面都会因贮存 环境的冷热变化 、 界面材料膨胀系数不同而产生热疲劳 ,导致接触电阻增大或掉片而失效 。 混合电路 中 ,片式元件与基片的连接通常是通 过共熔合金烧结 和焊 膏 贴装 实现 的 。在 焊 膏贴 装 中 ,往往由于金属端电极 、 导电胶 、 导带热膨胀系数 不同

10、,外界温度变化会导致其相应界面产生裂缝 ,甚至断裂开路 ;或是由于工艺上的问题导致导电胶在 导带上的粘附性 、 连 续 性较 差 、 导电 胶自 身 存在 裂 缝 ,接触性能不良 。贮存环境下 ,由于温度和外部应 力变化的共同作用 ,这些潜在缺陷暴露出来 、 产生退 化而失效 。图 2 所示为某混合电路中导电胶粘接失效形貌 。的两大失效模式 。2 . 2混合混合电电路贮存路贮存相相关失效机理关失效机理 现场贮存 、 长期库房贮存试验 、 延寿试验及相关 失效分析表明 ,引起混合电路贮存失效的原因错综复杂 ,其失效机理很多 。失效的主要原因是由于腐 蚀 ,其次是贴装 、 键合问题124 。对比统

11、计分析结果 , 发现混合电路贮存失效基本上是由两方面因素共同 作用而导致 ,即与时间相关的退化失效和缺陷失效 。在资料搜集和具体失效分析中统计到的 32 只 混合电路贮存失效中 ,与时间相关的退化失效机理 起主导因素的约 60 % ,而生产 、 工艺缺陷起主导作 用的占近 40 % 。值得指出的是 ,由于统计到的贮存 失效样品数量限 制 , 参照 国 内外 相关 研 究结 果 , 生产 、 工艺 缺 陷 起 主 导 作 用 的 贮 存 失 效 比 例 应 该 偏 高426 。与时间相关的退化失效机理主要包括键合 、 贴装失效 、 腐蚀失效等 ,而导致贮存失效的生产 、 工 艺缺陷主要是由于芯片

12、焊接/ 粘接空洞 、 键合不良 、 端电极与焊料间的焊接缺陷 、 过键合受损等工艺差错引起的 。2 . 2 . 1键合失效 贮存环境中出现的键合失效多 为铝2铝 、 金2铝 系统失效 ,其失效模式表现为参数漂移 、 开路等 。导 致两者失效的环境因素不同 : 铝2铝系统在潮湿应力下易发生键合失效 ,主要是由于化学腐蚀引起的键 合接触电阻增大或完全开路 ; 金2铝系统是由于贮存 时逐渐形成的金属间化合物导致接触电阻增大而引 起的 。 铝2铝键合铝丝在水汽和腐蚀性物质的影响下 ,会出现白色絮状物腐蚀生成物 Al ( O H) 3 ,其失效机 理同金属化系统腐蚀机理一致 。图 1 所示为某电路 经贮

13、存后发现开路 ,失效分析表明 ,内部水汽含量远 远超过 5000 pp m 的 要 求 , 并 含 有 苯 等 有 机 气 体 。 内部键合点在潮气和腐蚀离子共同作用下产生铝腐蚀并开路 。图 2 电容端头导电胶裂缝 ( S EM 形貌)Fig. 2 Co nducting resin crack of capacita nce ter minal2 . 2 . 3 腐蚀失效贮存环境中 ,腐蚀失效是常见的一种失效机理 ,包括器件内部金属化系统的腐蚀 、 元器件管壳和外 引线的腐蚀等 。腐蚀失效对应的主要失效模式有参 数漂移 、 开路导致功能失效 、 短路 、 外引线断裂等 。在芯 片 金 属 化

14、 表 面 和 管 壳 结 构 中 , 包 含 Al 、A u 、Cu 、Sn 、Pb 、A g 、Fe 和可伐等金属 。在较高的湿 度环境下 ,这些金属表面将吸附空气中的水分子 ,在 金属与 水 分 子 层 的 界 面 上 发 生 阳 极 溶 解 过 程 ( 氧图 1 铝2铝键合点白色絮状物 SEM 形貌Fig. 1 SEM of Al co r ro sio n re sult ant化) ,若界面上有相应的还原过程相配合 ,便构成一种原电池 ,使阳极溶解过程持续进行 ,金属便不断被 腐蚀 。还原载体主要是由一种易吸收电子的离子或分子 ,一般是在酸中的 H + 或空气中的氧等 。因此 外来杂

15、质粒子 ,以及组装 、 封装材料中存在的 Cl - 、 K+ 、Na + 、S2 - 、P4 + 等便充当了该腐蚀过程中的电解质 ,其浓度越高 ,腐蚀速度也越快 。 图 3 是引线键合区的 Al 腐蚀失效案例 。芯片 表面由于钝化层的保护 ,铝腐蚀通常是从引线键合附近开始 ,使铝布线呈现溶解的形状 。混合电路贮存可靠性评价方法3混合电路等元器件贮存可靠性评价方法一直是困扰产品研制单位及用户的问题 。传统贮存寿命是 建立在大量试验数据基础上的统计分析结果 ,但往 往由于工程时间和财力所限 ,直接得到每种型号产 品的贮存寿命比较困难 。结合极限应力试验或加速贮存寿命试验 ,实现元器件贮存可靠性的快速评价 , 国内外将其作为评价元器件贮存可靠性的重要方法 推荐 ,但对试验中应力的选择 ,要以不改变失效机理 为基础 ,长期自然贮存数据为直接提供的贮存寿命 信息和验证加速试验结果 。3 . 1 缺陷缺陷消消除和控制法除和控制法 从目前混合电路长期贮存可靠性研究结果以及 贮存样品失效分析 、 延 寿试 验分 析 和 D PA 分析 结 果看 ,混合电路贮存失效的主要失效模式均是与工 艺或设计缺陷有关的失效 。因此 ,缺陷消除和控制法可通过极限应力 ,有效剔除有工艺或设计缺陷的 批次性产品 ,保障元器件的贮存可靠性 ,以满足整机 系统的要求 。 极限应力试验是缺陷评价 、 安全工作裕度