塑封器件漏電失效分析及解決措施

朱召賢，楊兵，王濤

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無(wú)錫 214035）

0 引言

隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展，人們不斷地追求微電子封裝形式的輕量化、微小化[1-2]。塑料封裝因其較低的生產(chǎn)成本、優(yōu)異的電學(xué)性能和體積小巧輕便而在電子元器件封裝領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用，并逐步地成為主流的微電子封裝方式[3-5]。隨著塑封產(chǎn)品的快速發(fā)展，其應(yīng)用范圍不斷地?cái)U(kuò)大，對(duì)塑料封裝產(chǎn)品的可靠性要求也隨之提高。在塑封產(chǎn)品諸多的失效模式中，分層、開(kāi)路和引腳腐蝕等失效模式較易被發(fā)現(xiàn)[6]，而電路漏電的失效模式較為隱蔽，主要表現(xiàn)為失效情況不穩(wěn)定、在封裝過(guò)程中較難篩選剔除[7]，往往在客戶端使用時(shí)才被發(fā)現(xiàn)。

本文針對(duì)一款高可靠領(lǐng)域應(yīng)用的塑封電路漏電失效背景，對(duì)其失效位置進(jìn)行定位并推斷其失效機(jī)理，歸納總結(jié)了該種失效模式的分析流程。此外，針對(duì)該種失效模式提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 失效現(xiàn)象

本文的失效樣品為一款穩(wěn)壓塑料封裝器件，該電路在出廠檢驗(yàn)時(shí)通斷正常，在進(jìn)行上板電學(xué)性能測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)電路存在漏電。該電路進(jìn)行測(cè)試時(shí)，在Vin輸入電壓5 V、Vbias輸入電壓5 V時(shí)，輸出端檢測(cè)到超100 μA的漏電流，但是良品電路測(cè)試時(shí)輸出端漏電流為0 μA。

2 失效故障定位

根據(jù)該款器件的封裝結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電連接情況判斷，造成輸出端漏電失效原因可能有芯片內(nèi)部異常、芯片表面沾污、封裝應(yīng)力過(guò)大和鍵合異常等[8-9]。

在對(duì)失效樣品進(jìn)行分析時(shí)，為了避免在分析過(guò)程中破壞失效位置或者引入其他失效因素，導(dǎo)致真實(shí)的失效原因被其他因素遮蓋，應(yīng)遵循先無(wú)損后有損的分析流程。本文結(jié)合電路的實(shí)際情況，失效分析流程圖如圖1所示。

圖1 失效分析流程

針對(duì)本文中的電路漏電情況的失效原因可能為芯片破損、芯片內(nèi)部沾污、鍵合異常和塑封樹(shù)脂異常等，制定了如表1所示的各種失效分析手段。

表1 失效分析手段及目的

3 分析結(jié)果

3.1 外部目檢

采用光學(xué)顯微鏡對(duì)塑封器件的外觀進(jìn)行觀察，失效電路的外觀照片如圖2所示。發(fā)現(xiàn)失效電路與良品電路在外觀上無(wú)明顯的差異，失效電路封裝體保持完整，無(wú)明顯的應(yīng)力損傷，器件無(wú)明顯的燒傷形變。同時(shí)對(duì)失效電路的引腳進(jìn)行顯微觀察，引腳之間無(wú)金屬遷移，表明器件失效并非因外界物理環(huán)境因素所導(dǎo)致。

圖2 失效電路的外觀圖

3.2 X射線和聲掃結(jié)果

利用X-Ray檢測(cè)儀對(duì)失效樣品進(jìn)行無(wú)損探測(cè)，作為對(duì)比，對(duì)無(wú)故障的電路也進(jìn)行了分析。兩者的X射線分析結(jié)果如圖3所示。與正常電路相比，失效電路的內(nèi)部鍵合絲存在輕微的沖絲變形現(xiàn)象，但是其沖絲處未發(fā)現(xiàn)鍵合絲搭接現(xiàn)象，鍵合絲形貌完整，該種沖絲并不會(huì)造成漏電情況。此外，芯片鍵合點(diǎn)與框架鍵合點(diǎn)均未發(fā)現(xiàn)異常，芯片底部的粘結(jié)劑無(wú)空洞。

圖3 X射線圖

進(jìn)一步地對(duì)比失效樣品和良品電路的超聲掃描圖，分析結(jié)果如圖4所示。從圖4中可以看出，失效樣品的內(nèi)部塑封料與芯片之間，以及芯片與框架之間均無(wú)明顯的分層現(xiàn)象，塑封體內(nèi)部無(wú)空洞。

圖4 超聲掃描照片

3.3 開(kāi)蓋目檢

針對(duì)塑封器件，首先，采用激光刻蝕的方法將塑封體表面的塑料掃除，使得封裝體內(nèi)部的芯片和鍵合絲裸露出來(lái)；然后，在OM顯微鏡下對(duì)芯片表面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)芯片表面布線和鈍化層沒(méi)有明顯的損傷，但無(wú)法判斷芯片內(nèi)部金屬化層是否存在損傷。因此，僅憑對(duì)芯片表面的OM觀察也無(wú)法判定失效樣品的漏電是否與芯片有關(guān)，需要繼續(xù)進(jìn)行I/V曲線測(cè)試和微光顯微鏡分析。

3.4 I/V曲線測(cè)試和熱點(diǎn)測(cè)試

參照樣品的檢驗(yàn)測(cè)試條件，對(duì)失效樣品進(jìn)行I/V曲線測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。失效樣品根據(jù)測(cè)試條件進(jìn)行電學(xué)性能復(fù)測(cè)，出現(xiàn)了147 μA的漏電失效。為了確定漏電的具體位置，對(duì)失效器件加載與測(cè)試條件相同的電流電壓條件，使用微光顯微鏡進(jìn)行熱點(diǎn)分析。微光顯微鏡的分析機(jī)理是根據(jù)失效器件在加載電流電壓時(shí)，在漏電失效區(qū)域會(huì)產(chǎn)生熱量，微弱的熱量發(fā)散的光子被微光顯微鏡偵測(cè)到，從而準(zhǔn)確地定位到樣品的失效位置[10]。根據(jù)熱點(diǎn)測(cè)試結(jié)果顯示，熱點(diǎn)主要分布在芯片鍵合點(diǎn)處，芯片布線處無(wú)明顯的熱點(diǎn)，如圖6所示，表明失效電路的芯片鍵合點(diǎn)存在漏電情況。因此，失效樣品漏電失效點(diǎn)可以初步定位到第一鍵合點(diǎn)。

圖5 失效樣品I/V測(cè)試曲線

圖6 失效樣品熱點(diǎn)分析結(jié)果

3.5 SEM分析

針對(duì)熱點(diǎn)分析的結(jié)果，對(duì)失效樣品進(jìn)行定點(diǎn)研磨切片制樣，采用SEM分析芯片鍵合點(diǎn)的剖面形貌，結(jié)果如圖7所示。對(duì)比良品-電路相同位置的切片分析結(jié)果，如圖8所示。從圖8中可知，失效樣品的鍵合點(diǎn)處金絲已經(jīng)將芯片的鋁PAD金屬層完全或局部擊穿，同時(shí)造成PAD金屬層下的硅層被破壞，使得部分鎢柱與鍵合絲產(chǎn)生接觸，從而造成隔離電壓降低，導(dǎo)致芯片在工作時(shí)發(fā)生漏電。而良品電路的鍵合點(diǎn)形貌為PAD處的金線壓焊在鋁層之上，且鋁層保持一定的厚度，從而保證良好的電氣連接（如圖8所示）。

圖7 失效樣品的鍵合點(diǎn)形貌

圖8 良品電路的鍵合點(diǎn)形貌

綜上所述，結(jié)合無(wú)損分析和掃描電鏡分析的結(jié)果，失效樣品的漏電失效是由于鍵合過(guò)程中芯片的鋁PAD金屬層被擊穿，造成下層硅層被破壞。在芯片工作時(shí)PAD與芯片內(nèi)部金屬化層之間的電阻降低，最終表現(xiàn)為電學(xué)測(cè)試時(shí)存在漏電流的失效現(xiàn)象。

4 改進(jìn)措施

根據(jù)對(duì)失效樣品的分析可知，樣品的失效原因主要與鍵合過(guò)程有關(guān)，因此，針對(duì)鍵合過(guò)程的工裝夾具、工藝參數(shù)和環(huán)境因素等提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施，以達(dá)到既滿足芯片鍵合強(qiáng)度的需求，又保證芯片不會(huì)出現(xiàn)鍵合脫鍵或者擊穿PAD的情況。

4.1 優(yōu)化鍵合劈刀的選擇

在鍵合工藝中存在多種鍵合方式，其中熱超聲鍵合技術(shù)占據(jù)鍵合方式的90%。該產(chǎn)品使用的鍵合方式為熱超聲焊，熱超聲焊同時(shí)具有熱壓焊接技術(shù)和超聲焊接技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)[11]。本產(chǎn)品采用熱超聲鍵合工藝，鍵合劈刀是鍵合工藝中最為重要的部件，根據(jù)芯片PAD的尺寸與形狀選擇合適的劈刀，優(yōu)化針孔直徑和內(nèi)倒角的劈刀的選擇。合適的劈刀在鍵合過(guò)程中，能夠保證第一鍵合點(diǎn)鍵合時(shí)產(chǎn)生一個(gè)合適形狀的金球，不至于在PAD尺寸較大時(shí)，由于劈刀內(nèi)倒角和內(nèi)徑過(guò)小而產(chǎn)生一個(gè)偏小的金球，造成第一鍵合點(diǎn)的焊接強(qiáng)度較低，或在鍵合劈刀受力面積較小時(shí)造成局部受力過(guò)大，造成PAD遭受應(yīng)力損傷。

4.2 優(yōu)化鍵合參數(shù)

鍵合工藝中鍵合參數(shù)的設(shè)定至關(guān)重要，鍵合參數(shù)在鍵合過(guò)程中通過(guò)影響FAB（Free Air Ball）的形成、劈刀下降速度和高度進(jìn)而影響金線鍵合的質(zhì)量。FAB的直徑大小直接影響第一焊點(diǎn)的直徑大小，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析金線鍵合FAB的直徑與第一焊點(diǎn)的直徑比例約為1∶2，由此可見(jiàn)，通過(guò)優(yōu)化來(lái)調(diào)整FAB的直徑可保證第一鍵合點(diǎn)的直徑滿足標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 保持鍵合環(huán)境的潔凈度

在鍵合過(guò)程中，如果潔凈度控制不當(dāng)，將會(huì)造成焊盤(pán)表面金屬或金屬線污染。當(dāng)這兩種金屬被污染時(shí)，會(huì)影響金屬的熔點(diǎn)、硬度和延展性等，導(dǎo)致用于將金屬線熔成焊球的電火花能量被污染物所利用，這會(huì)損耗打火能量向金屬線的傳遞，并且會(huì)改變相應(yīng)的鍵合應(yīng)力，從而導(dǎo)致焊盤(pán)內(nèi)部損傷。因此，保持鍵合環(huán)境的潔凈度對(duì)于避免器件的漏電失效也有積極的作用。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文采用無(wú)損和破壞性等測(cè)試手段，分析了發(fā)生漏電失效的塑封器件的漏電情況、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和微觀形貌，總結(jié)了一套針對(duì)器件漏電的有效分析流程，精準(zhǔn)地定位了漏電位置，獲得了以下結(jié)論:

1）漏電失效是一種較為復(fù)雜的失效模式，需要無(wú)損分析和破壞性測(cè)試手段兩種方式進(jìn)行定位分析，并且應(yīng)在充分使用無(wú)損分析手段的基礎(chǔ)上再進(jìn)行破壞性分析，兩者的順序不可顛倒；

2）本文中失效器件發(fā)生漏電的原因是芯片的鋁PAD金屬層被擊穿，造成下層硅層被破壞，在芯片工作時(shí)PAD與內(nèi)部金屬化層之間的電阻降低；

3）通過(guò)優(yōu)化鍵合過(guò)程的工裝夾具、工藝參數(shù)和環(huán)境因素，避免鍵合壓力過(guò)大，破壞芯片焊盤(pán)表面的PAD，降低器件發(fā)生漏電失效的風(fēng)險(xiǎn)。