沾污對外殼可靠性的影響分析

張宏飛，李丹

（1.陸軍裝備部駐洛陽地區(qū)航空軍事代表室，河南 洛陽 471009；2.中國電子科技集團公司第二十四研究所，重慶 400060）

0 引言

集成電路發(fā)生失效往往伴隨著多種因素的綜合影響，其中原材料質(zhì)量問題直接決定集成電路的使用可靠性[1]。

隨著器件尺寸的不斷縮小，對集成電路裝配的可靠性要求越來越高，封裝用外殼、粘接膠、鍵合絲、蓋板和封焊料等原材料的質(zhì)量可靠性，直接影響集成電路的成品可靠性。大多數(shù)封裝缺陷可以通過鏡檢、密封和PIND 等篩選試驗發(fā)現(xiàn)并有效地剔除，該類缺陷對篩選合格產(chǎn)品使用可靠性基本無影響；但部分封裝缺陷需經(jīng)歷一定的機械或溫度應力試驗后，才逐步地激發(fā)，直至表現(xiàn)出失效，該類缺陷無法有效地篩選剔除，對產(chǎn)品的質(zhì)量影響顯著，嚴重時甚至關(guān)系到整機性能的好壞。

本文選取了由于半導體芯片裝配原因而導致的電性能失效的典型案例，對原材料質(zhì)量問題引起集成電路失效的分析方法進行了剖析，并提出了原材料貯存及裝配過程中的注意事項。

1 失效案例

失效樣品為某款低壓差大電流LDO，1 只產(chǎn)品經(jīng)歷恒定加速度、溫度循環(huán)和老煉等試驗后進行組件裝配，裝配后經(jīng)歷組件溫度循環(huán)、低溫測試、整機隨機振動、整機溫度循環(huán)、高溫測試和低溫測試，發(fā)現(xiàn)故障，故障現(xiàn)象表現(xiàn)為功能異常，同批次其余產(chǎn)品無異常。

為了定位本次裝配隨整機試驗后的異常產(chǎn)品故障點，對其進行外觀目檢、X-RAY 定位、SEM 檢測、導電膠材質(zhì)分析和粘接表面分析等故障定位過程，定位故障點，分析排查故障原因，并從原材料源頭發(fā)現(xiàn)問題根源，提出有效的糾正措施。

1.1 外觀目檢

采用低倍（10 倍）光學顯微鏡對失效樣品進行外觀目檢，未發(fā)現(xiàn)明顯的異常。

1.2 X-RAY 檢測

為了避免開封對器件造成的損傷，首先，采用X-RAY 方式在非破壞條件下，觀察封裝腔體內(nèi)部形貌。發(fā)現(xiàn)失效樣品基板存在翹起形貌，如圖1 所示；合格樣品X-RAY 形貌如圖2 所示；裝配結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。該款產(chǎn)品的主結(jié)構(gòu)由硅基板、芯片、金屬墊片和金屬底座組成，并由導電膠和鍵合絲進行互聯(lián)。

圖1 失效樣品X-RAY 結(jié)果

圖2 合格樣品X-RAY 結(jié)果

圖3 該款低壓差大電流LDO 裝配結(jié)構(gòu)圖

1.3 內(nèi)部目檢

經(jīng)歷非破壞性X-RAY 試驗，發(fā)現(xiàn)基板異常形貌，通過對失效樣品進行開封，采用高倍顯微鏡（20～100 倍）對其內(nèi)部基板、鍵合絲、芯片和粘接面形貌進行檢查，進一步地確定故障點。發(fā)現(xiàn)互聯(lián)硅基板與底座的細鍵合絲在靠近金屬墊片位置發(fā)生斷裂[1]，硅基板與金屬底座之間已經(jīng)發(fā)生導電膠的粘接脫離，在粗鍵合絲的拉伸作用下，硅基板呈一側(cè)上翹狀態(tài)[2]；觀察失效樣品的導電膠脫離位置，可見導電膠均勻地附著于金屬底座與導電膠的粘接界面，如圖4-6 所示。

圖4 失效樣品內(nèi)部形貌

1.4 SEM 檢測

由圖5 判斷鍵合絲斷裂導致本次樣品失效，為了分析鍵合絲斷裂的原因，需對其斷裂面形貌進行檢測[3]。采用SEM 對斷裂鍵合絲斷口進行分析，發(fā)現(xiàn)失效樣品的鍵合絲斷裂于鍵合頸部位置（鍵合絲的結(jié)構(gòu)薄弱位置），鍵合絲斷口具有明顯的塑性形變，呈韌性斷裂形貌，如圖7 所示，表明該鍵合絲受過應力作用的條件下發(fā)生斷裂。

圖5 斷裂鍵合絲處形貌

圖6 外殼導電膠粘接硅基板痕跡

圖7 鍵合絲斷口SEM 形貌

1.5 導電膠材質(zhì)分析

由上述分析定位可知，硅基板導電膠粘接面脫離金屬底座，引起鍵合絲頸部受過應力發(fā)生斷裂。采用FT-IR/DSC/TGA 對試驗樣品導電膠材質(zhì)進行分析[4]，其主要成分為環(huán)氧樹脂；未見明顯的放熱焓，表面導電膠已完全固化；其分解溫度、終止分解溫度、分解峰值和殘留質(zhì)量等參數(shù)均無異常。表明失效樣品粘接用導電膠材料自身無異常。

1.6 粘接表面分析

通過SEM&EDS 與TOF-SIMS 可觀察出導電膠粘接面及金屬底座粘接面的形貌及組成元素的含量。

SEM&EDS 檢測結(jié)果顯示[5]，失效樣品導電膠粘接面顆粒均勻分布，呈具有一定粗糙度的平整形貌，導電膠的組成元素為C、O 和Ag，如圖8 所示，無異常。

圖8 導電膠粘接面積組成元素

TOF-SIMS 結(jié)果顯示失效樣品導電膠粘接面存在Si+、SiC3H9+、SiC5H13O2+等離子，表明導電膠粘接面存在有機硅沾污。

1.7 小結(jié)

由故障定位結(jié)果可知，本次故障樣品金屬底座與導電膠的界面存在有機沾污，導致金屬底座與硅基板粘接力下降，在試驗應力的作用下，硅基板與金屬底座發(fā)生脫離，對鍵合絲產(chǎn)生較大的拉應力，拉斷鍵合絲。

2 原因分析

導電膠的粘接力主要來源于導電膠分析與金屬底座表面原子的相互吸引，當粘接面受污染時，污染物會阻礙導電膠對金屬底座的吸附作用，從而降低導電膠與金屬底座之間的粘接力。在溫度試驗過程中，導電膠由于粘接力不足而與金屬底座發(fā)生脫離，此時，基板在垂直方向的自由度明顯地增大，對鍵合絲造成較大的拉應力作用，導致鍵合絲在鍵合薄弱位置（鍵合頸部）發(fā)生斷裂。

排查外殼貯存環(huán)境，原材料庫房的環(huán)境控制溫度為10～30 ℃，相對濕度為45%RH～75%RH。管殼包裝及存放方式為：外殼腔體朝下單獨放置在有獨立分格的透明塑料專用包裝盒中，包裝盒外使用防靜電袋密封，平放于塑料外包裝箱中，包裝箱平放于庫房貨架上，該過程穩(wěn)定受控，不存在異常。但復查發(fā)現(xiàn)部分外殼抽樣檢驗后未進行密封，長時間貯存過程中，個別未密封外殼內(nèi)部受到沾污，引起硅基板與外殼粘接力不足。

采用正常外殼、等離子清洗后的外殼、機油沾污外殼粘接硅基板，對粘接后的樣品進行基板剪切強度極限試驗，試驗結(jié)果顯示機油沾污會引起表面性能降低，從而引起剪切強度降低。證實上述原因分析的正確性。

表1 沾污試驗樣品剪切強度數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

外殼沾污將影響導電膠與金屬底座間的粘接力，沾污嚴重的產(chǎn)品可通過元器件篩選試驗發(fā)現(xiàn)并剔除[6]，但部分輕微沾污產(chǎn)品，其粘接力較合格產(chǎn)品存在降低，需經(jīng)歷一定的溫度、機械應力試驗激發(fā)后表現(xiàn)出失效，該類產(chǎn)品失效將直接影響組件功能。因此，針對貯存時間較長的外殼，為避免外殼沾污帶來的粘接力隱患，建議使用前進行等離子清洗，提高外殼的浸潤性。