熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的塑封器件失效

熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的塑封器件失效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，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。2CTE不匹配導(dǎo)致的失效及其機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)驗參數(shù)，可以采用負(fù)溫30min，正溫30min，大于100個沖