【2018年整理】塑封器件失效机理及其快速评估技术研究.doc

天马行空官方博客：/tmxk_docin ；QQ:1318241189；QQ群：175569632 塑封器件失效机理及其快速评估技术研究 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 [1]。虽然自70年代以来[2]，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。 美国航空航天局（NASA）的Goddard空间飞行中心在2003年6月颁布的文件（NASA/TP- 2003- 212244: Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit（PEM）Selection,Screening,and Qualification）承认，由于PEM自身的缺陷不可能既满足高可靠性的军事需求，同时又满足低风险的失效率，因此就必须进行筛选和鉴定试验。本文对塑封器件的失效机理分析，并就筛选这个环节的可靠性快速评价进行论述。 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-。 ⑴在有氯离子的酸性环境中反应 2Al±6HCl→2AlCl3±3H 2 Al+3Cl→AlCl3+3e- AlCl3→Al(OH)2 +HCl ⑵在有钠离子的碱性环境中反应 2Al+2NaOH+2H2O→2NaAlO 2+3H2 Al+3(OH)- →Al(OH)3+3e- 2Al(OH)3→Al2 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[3]。 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：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235～240 ℃，时间10 s；气相加热温度215±5 ℃，40 s；波峰焊加热温度260±5 ℃，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：0～70 ℃(商业温度)、-40～85 ℃（工业温度）、-40～125 ℃（汽车温度），这些范围比传统的军用温度范围（-55～125 ℃）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-55～125 ℃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