1 引言

　　塑封器件是指用塑料等樹脂類聚合物材料封裝的半導(dǎo)體器件。由于樹脂類材料固有的特點(diǎn)，限制了塑封器件在衛(wèi)星、軍事等一些高可靠性場合的使用［1］。雖然自20世紀(jì)70年代以來，封裝材料、芯片鈍化和生產(chǎn)工藝得到了極大的改進(jìn)，塑封器件的可靠性也隨之提高，但仍存在許多可靠性問題。這些可靠性問題大致可以分為：塑封材料固有的密封問題導(dǎo)致的腐蝕失效、爆米花失效等；生產(chǎn)工藝問題導(dǎo)致的芯片粘接缺陷、封裝缺陷以及鈍化層缺陷等［2］；由于塑封材料與芯片之問的熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配導(dǎo)致的低溫/溫沖失效。本文主要討論最后一種缺陷。

　　2 CTE不匹配導(dǎo)致的失效及其機(jī)理分析

　　通常由元器件生產(chǎn)廠商提供的塑封器件對溫度的要求不高，能滿足如下3種溫度范圍的要求即可：0℃-70℃（商業(yè)溫度）、-40℃～+85℃（工業(yè)溫度）、-40℃～+125℃（汽車溫度）。大量的失效案例表明［3］，在以上3種溫度范圍內(nèi)，器件失效的比例很高。對失效器件的分析表明，外界的溫度沖擊或低溫環(huán)境造成的塑封材料對芯片的應(yīng)力是主要機(jī)理。

　　2．1封裝分層

　　在從室溫到極端寒冷環(huán)境的溫度循環(huán)過程中，模壓復(fù)合物與基片或引線框之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）差異會造成分層和開裂。在極端低溫下，由于與貯存溫度和包封溫度之間的差很大，可能會導(dǎo)致模壓復(fù)合物與基片或引線框之間分層和開裂。并且，隨著極端低溫的下降，開裂的可能性還會隨之增加（封裝經(jīng)過-55℃～+125℃的熱循環(huán)時，引線框尖銳邊緣處就會出現(xiàn)開

　　裂和分層）。另外，潮氣會使低溫下基片與封裝材料界面上的分層加速。這種加速是由封裝內(nèi)凝結(jié)水汽的凍結(jié)所引起。

　　2．2對芯片的機(jī)械應(yīng)力

　　由于塑封料和硅的線性熱膨脹系數(shù)相差一個數(shù)量級（塑封料≈25×10-6℃-1，硅≈2．3×10-6℃-1，當(dāng)溫度變化時，它們的尺寸變化相差會較大。例如，對角線為1cm的芯片，溫度每變化1℃，芯片對角線的長度可變化2．3×10-2μm；變化100℃，長度可變化2．3μm。而同樣長度的塑封料每變化1℃，其長度將變化25×10-2μm；溫度變化100℃，其長度將變化25μm。如果塑封料與芯片表面是分離的，塑封料將會在芯片表面移動，它的最大位移量將會大于11．35μm。然而在一般情況下，塑封料是黏附在芯片表面的，它不可能在芯片表面移動（但存在這種趨勢）。于是，在芯片和塑封料界面就會存在剪切應(yīng)力。這個力可能會使芯片上附著力弱的金屬化層產(chǎn)生滑移（溫度升高，向芯片邊緣滑移；溫度降低，向芯片中

　　心滑移），造成金屬條間短路或開路；也可能會使鈍化層或多晶硅層破裂，造成多層金屬化層間短路。

　　另外，在電路封裝中，塑封料的固化溫度通常都高于150℃。當(dāng)器件在0℃～70℃范圍時，塑封料對芯片表面有一個壓應(yīng)力。溫度越低，壓應(yīng)力越大。還有，在電路封裝使用的塑封料中都添加有一定量的石英砂（以減小塑封料的熱膨脹系數(shù)）。如果使用的石英砂沒有經(jīng)過倒角處理，塑封料的壓應(yīng)力會使接觸到芯片表面的石英砂的尖角刺破鈍化層和金屬化層，造成開路或短路，或造成IC的參數(shù)變化。一般要求石英顆粒少于2μm或表面涂2μm厚的聚酰亞胺可緩沖這種失效。

　　然而即使芯片表面有聚酰亞胺膜的保護(hù)，可以減緩一定的熱膨脹應(yīng)力沖擊，但由于塑封料和硅的線性熱膨脹系數(shù)相差非常大，在器件經(jīng)受熱變應(yīng)力（再流焊、高低溫沖擊）時，塑封材料與芯片之間的熱不匹配所產(chǎn)生的應(yīng)力仍然是一個不可忽視的因素，雖然失效的幾率很小。

　　3 失效分析實(shí)例

　　3．1 塑封料與芯片間的剪切應(yīng)力導(dǎo)致層間介質(zhì)損傷

　　失效的樣品為QFP封裝的VLSI，經(jīng)歷過多次高低溫循環(huán)后在低溫工作時出現(xiàn)故障。分析過程分為開封前檢查和開封后觀察兩個階段。

　　開封前，對樣品進(jìn)行了外目檢、X射線、聲學(xué)掃描等項(xiàng)同的檢查，沒有發(fā)現(xiàn)器件外封裝破損，內(nèi)引線斷裂，內(nèi)部結(jié)構(gòu)分層等現(xiàn)象。開封后，用金相顯微鏡觀察芯片表面，芯片表面有多處損傷，去除掉芯片表面的鈍化層后再觀察，在芯片的角部區(qū)域發(fā)現(xiàn)有損傷，如圖1、圖2所示。這種損傷會導(dǎo)致芯片的多層布線層間介質(zhì)損傷而漏電，造成器件失效。

　　3.2石英砂填充料使芯片表面破損

　　分析的樣品在低溫和高溫工作時各有器件失效，開封前的檢查仍然沒有發(fā)現(xiàn)問題。開封后失效的樣品芯片表面都發(fā)現(xiàn)有大量凹坑，判斷為塑封材料中尖銳的石英砂壓迫芯片表面形成。

　　低溫下，塑封料對芯片的壓應(yīng)力會通過石英砂傳遞到芯片表面。如果塑封料中填充的石英砂棱角圓滑，就不會刺傷芯片表面。但此批樣品的失效分析表明，正是由于石英砂存在尖銳的尖角，在壓應(yīng)力過程中刺傷金屬化布線和鈍化層，導(dǎo)致金屬化布線間短路或開路。

　　4 評價方法

　　對于塑封器件的可靠性評價主要是缺陷暴露技術(shù)，而缺陷在器件使用前是很難通過常規(guī)的篩選來發(fā)現(xiàn)的。一旦器件經(jīng)過焊接或?qū)嶋H工作時就會顯露出來。采用高加速應(yīng)力試驗(yàn)可以暴露各種缺陷，從而可剔除早期失效產(chǎn)品。

　　Hughes公司指出溫度沖擊和隨機(jī)振動是考核元器件非T作狀態(tài)可靠性的最有效的高加速應(yīng)力方法。統(tǒng)計(jì)分析表明，溫度沖擊能夠暴露元器件2／3的潛在缺陷。而對于溫變應(yīng)力敏感的塑封器件，可以通過選擇合適的溫變參數(shù)（參照產(chǎn)品的使用等級）進(jìn)行評價［4］。參考MIL883E以及結(jié)合經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，可以采用負(fù)溫3 0 m i n，正溫30min，大于1 00個沖擊的試驗(yàn)方案。

　　溫度沖擊試驗(yàn)后，除了進(jìn)行聲學(xué)掃描檢查界面分層情況外，還要進(jìn)行X射線檢查外引腳與芯片鍵合區(qū)的金線完整情況；最后要將器件開封，觀察芯片表面是否有裂紋、鈍化層表面是否有較多的劃傷，做出此批器件是否通過溫度沖擊試驗(yàn)的判斷。