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1、塑封器件失效机理及其可靠性评估技术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。虽然自70年代以来，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。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
2、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-。(1) 在有氯离子的酸性环境中反应2Al6HCl2AlCl33H 2Al+3ClA
3、lCl3+3e-AlCl3Al(0H)2 +HCl(2) 在有钠离子的碱性环境中反应2Al+2NaOH+2H2O2NaAlO 2+3H2Al+3(OH)- -Al(0H)3+3e-2Al(0H)3Al2 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。2.2爆米花效应 塑封器件在焊接期间传导到器件上的热有三种来源
4、：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235240 C，时间10 s；气相加 热温度2155 C，40 s；波峰焊加热温度2605 C，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
5、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。2.3低温/温冲失效 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：070 C （商业温度）、-4085 C （工业温度）、-40125 C （汽 车温度），这些范围比传统的军用温度范围（-55125 C）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
6、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-55125 C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。（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
7、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
8、，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）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
9、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可靠性试验项目、试验目的及试验方法:(1)高温反偏试验目的：评定二极管在长时间电应力(电压、电流)和温度应 力(包括电负荷造成的温升)作用下的承受能力。质量差的原件在这种条件下较 容易失效，以此可判定此批产品性能的优劣，一般二极管采用80%额定击穿电压, 125C环境温度试验判断。工作原理图如下：(2)电耐久试验目的：评定三极管在长
10、时间电应力(电压、电流)和温度应力(包括电负荷造成的温升)作用下的承受能力。质量差的原件在这种条件下较容易失效，以此可判定此批产品性能的优劣。工作原理图如下：(3) 高温储存试验目的：二、三极管或电路器件长时间高温储存，可通过热应 力加快管体的化学、物理反应，使潜在的失效因素提早暴露，从而达到试验目的。(4) 低温储存试验目的：考核器件承受低温而不改变其特性的能力，由于各种 材料的收缩率各有不同，如器件长时间处于低温状态会造成应力集中，可能会使 其参数发生变化，低温储存试验便是用来考核器件的这些特性。(5) 稳态湿热试验目的：器件在高温高湿情况下，封装结构或材料缺陷处会有 潮气和杂质侵入，从而
11、影响器件的电性和结构性能，此试验主要考核器件的密封 性能。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85C, 85%RH, 500 h进行高温潮热试验。经 过稳态湿热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。（6）温度循环试验目的：器件从二个不同温度的储存箱中交替存放很短的时间， 考验器件对温
12、度循环的承受能力和器件内部不同材料热膨胀系数的匹配情况。（8）正向浪涌试验目的：测试器件的抗大电流冲击能力。（9）高压蒸煮试验目的：测试器件的耐热、耐潮湿特性以及其可靠性（10）可焊性试验目的：测试器件的易焊性试验方法：a小球平衡法（适用于贴片封装器件）：I将一定量的锡球放在测试台上加热熔化，产品置于测试探针的下方，调节产 品管脚与锡球在同一垂直面上。II测试时设备自动将产品压向熔化的锡球，当产品引脚与锡球接触时，测试仪 器开始计时III测量过程中，当引脚与锡球接触并继续插入时，样件会受到浮力作用，随着锡对引脚的逐渐润湿，浮力逐渐被表面张力低消，曲线有负向正变化，当合力为 零时，记录的时间称为
13、过零时间；测试继续进行，合力值增大，当合力不再随时 间而变化时，此时刻的润湿力最大。W设备继续自动将产品上移，此时样件同样受到向上的浮力及表面张力，合力 慢慢减小，当合力减小到零时，记录时间为上升时间。V过零时间和上升时间越短，说明润湿过程发生越迅速，Fmax越大，说明润湿 过程中对引脚的润湿程度越大，沾锡量越多。W 标准：过零时间TO：Vls上升时间T：V3s安定度Sb：0.8b润湿法：(适用于中大功率器件)：I将温度恒温在255C5C；II用镊子夹住一端管脚，将测量另一端浸入助焊剂中，浸至管脚与胶体相接处 为止，浸泡3秒钟后取出；III将浸泡过助焊剂的管脚以每秒lcm的速度浸入焊锡槽中，至
14、引线与胶体相连 处为止;W 3秒钟后，以每秒1 cm之速度垂直取出；V用酒精将管子清洗干净后，目视管脚，以胶体与管脚交接处1.27mm以外面积 需有95%以上附有焊锡为合格，针孔面积W3%。(11) 耐焊接热试验目的：测试器件在260C左右的焊接高温下的承受能力。试验方法：将器件固定夹具上，垂直插入锡槽，锡液面距塑封体1mm，保持10SEC 后迅速取出。(12) MSL湿度敏感性等级试验试验目的：鉴别非气密性固态表面贴装器件对潮气产生的应力的敏感度分级，使塑料封装产 品可以被正确地包装、贮存和搬运，以免其在回流焊贴装和或修理操作中引起 损伤。试验流程：潮气敏感度级别分级表：级别基本寿命:标M隹
15、情况加速悄况时间条件时间(h)条件时间(h)条件1无限定；30C/85% RH168 +5/-085C/85% RH2lFS30C/60% RH168 +5/-085C/60% RH2 a4星期S30C/60% RH168 +5/-030C/60% RH120+1/-060C/60% RH3168hS30C/60% RH168 +5/-030C/60% RH40+1/-060C/60% RH172h!；30C/60% RH168 +5/-030C/60% RH20+0. 5/-060C/60% RH548h；30C/60% RH168 +5/-030C/60% RH15+0. 5./-060C/60% RH5 a24h；30C/60% RHIS +2./-030C/60% RH10+0. 5./-060 C/60% RH6标注的时间(TOL)；30C/60% RHTOL30C/60% RH失效标准在试验样品中，如一个或大于一个失效，这种封装形式将被认为预定的试验级别 失效。若存在下例任一情况，则认为样品失效：在40倍光学显微镜
