內(nèi)部氣氛對(duì)元器件可靠性影響的機(jī)理研究

趙昊，劉沛江，彭澤亞，趙振博

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 511370）

0 引言

電子元器件內(nèi)部氣氛[1]含量過高會(huì)給元器件的性能、壽命和可靠性造成嚴(yán)重的影響，異常的內(nèi)部氣氛容易造成元器件性能降低或不穩(wěn)定，甚至失效[2]。氣氛導(dǎo)致的失效難以通過無損檢測(cè)或者初期使用被發(fā)現(xiàn)，這主要是因?yàn)檫@種失效要在元器件儲(chǔ)存或使用過一段時(shí)間后才會(huì)被察覺。一旦被發(fā)現(xiàn)，一般是批次性的，往往會(huì)給研發(fā)生產(chǎn)造成進(jìn)度拖后、成本提升等后果。因此，研究?jī)?nèi)部氣氛對(duì)元器件失效的影響在很大程度上能夠降低使用成本和提高元器件運(yùn)行壽命。基于對(duì)我所大量元器件失效報(bào)告的跟蹤分析，本文總結(jié)和研究了元器件受內(nèi)部氣氛影響而發(fā)生失效的主要機(jī)理。

1 水汽導(dǎo)致漏電

在內(nèi)部氣氛引發(fā)的失效中，漏電是比較常見的失效原因，它往往容易造成元器件絕緣性能下降、輸出頻率低于規(guī)格要求的下限或參數(shù)波動(dòng)。內(nèi)部氣氛引發(fā)漏電的主要原因是水蒸氣達(dá)到飽和后會(huì)在元件器件內(nèi)部凝結(jié)成液體，當(dāng)液體中的各種離子含量滿足導(dǎo)電要求時(shí)，該液體能夠?qū)щ娦纬蓪?dǎo)體，在元器件內(nèi)部表面形成漏電通道，從而導(dǎo)致漏電流增大，引起元器件的絕緣性能下降[3]。

某諧振器的輸出頻率為40 MHz，低于規(guī)格要求的下限。經(jīng)失效分析，其內(nèi)部氣氛中水汽含量達(dá)到6.114×10-3。同時(shí)，密封性能良好，內(nèi)部晶片未見開裂、劃痕和起泡等可能導(dǎo)致輸出頻率發(fā)生變化的缺陷或損傷，如圖1所示。綜上，其輸出頻率降低的失效機(jī)理是當(dāng)使用環(huán)境溫度降低時(shí)，腔體內(nèi)部水汽凝結(jié)在石英晶片上，改變石英晶片的荷質(zhì)比，形成漏電，導(dǎo)致晶片頻率偏低、甚至不起振。

圖1 樣品開封后的形貌

2 水汽及其他氣氛引發(fā)電化學(xué)遷移

電化學(xué)遷移（ECM:Electrochemical Migration）是造成元器件失效最常見的原因之一，它常發(fā)生在用于連接焊絲、焊點(diǎn)和包層的金屬材料中，像Ag、Ni、Sn、Pb、Cu和Au等[4]。在這些金屬材料中，Au產(chǎn)生電化學(xué)遷移的模型是比較成熟的。在水氣環(huán)境中，Au容易與鹵素原子發(fā)生反應(yīng)，在陽極溶解然后遷移到陰極，從而形成樹枝晶狀沉積物，反應(yīng)式如下所示。

1）陽極:

2）陰極:

電化學(xué)遷移一般與元器件的工作電場(chǎng)、周圍氣氛、溫度和時(shí)間有關(guān)，其中，最容易受到氣氛和溫度的影響，本文將從內(nèi)部氣氛引發(fā)電化學(xué)遷移的角度來分析元器件失效機(jī)理。

某諧振器的引腳焊點(diǎn)與端頭焊點(diǎn)之間生成枝晶狀、呈金屬光澤的異常物，如圖2中的A和B區(qū)域所示。該異常物質(zhì)地疏松，主要元素成分為Pb和Sn，呈現(xiàn)典型的遷移形貌，如圖3所示。經(jīng)對(duì)其機(jī)理進(jìn)行研究，該樣品內(nèi)部由于水汽含量較高，焊料在潮氣和電場(chǎng)的作用下發(fā)生電化學(xué)遷移，使得器件引腳的焊點(diǎn)之間發(fā)生漏電，最終導(dǎo)致樣品失效。

圖2 某諧振器背面形貌

圖3 異常物的典型形貌

除了水汽引起焊料的電化學(xué)遷移外，其他內(nèi)部氣氛冷凝的液體也能引起其他金屬成分的電化學(xué)遷移。某MOSFET的內(nèi)部腔體中含有大量的氣氛凝結(jié)而成的透明液體，其被液體覆蓋的邊緣位置可見黑色物質(zhì)從芯片側(cè)面延伸至S極金屬化邊緣（如圖4所示）。該黑色物質(zhì)的微觀形貌呈枝晶狀，主要成分為Ag，與芯片粘接銀漿的主要成分相同。該MOSFET的失效機(jī)理是粘接銀漿中的Ag在不明液體和電場(chǎng)的共同作用下發(fā)生電化學(xué)遷移，遷移到S極金屬化邊緣導(dǎo)致漏電。

圖4 某MOSFET形貌圖

3 水汽和氧氣引發(fā)金屬氧化

活潑金屬在氧氣和水分存在的環(huán)境中，容易發(fā)生氧化反應(yīng)，生成金屬氧化物[5]。相比于具有良好導(dǎo)電能力的金屬成分，金屬氧化物表現(xiàn)出絕緣或半導(dǎo)體性質(zhì)，導(dǎo)致元器件不能正常運(yùn)作。某石英晶片銀電極表面多處氧化沾污，并且還存在一定程度的變色，經(jīng)分析，異物的主要元素成分包括碳（C）、氧（O）和鐵（Fe），如圖5所示。該石英晶片失效的機(jī)理是由于樣品內(nèi)部水汽和氧氣含量超標(biāo)，共同導(dǎo)致銀電極表面被氧化污染，從而造成樣品的輸出頻率不連續(xù)，不穩(wěn)定。

圖5 銀電極表面沾污形貌和沾污異物的EDS分析結(jié)果

4 內(nèi)部氣氛引發(fā)材料腐蝕

由于元器件內(nèi)引線和鍵合點(diǎn)直接暴露在內(nèi)部氣氛中，在腐蝕介質(zhì)作用下容易發(fā)生腐蝕，被腐蝕部位的電阻會(huì)增大、電容和機(jī)械強(qiáng)度會(huì)降低，發(fā)生失效。比較常見的有吸氧腐蝕，在潮濕的空氣環(huán)境中，活潑金屬表面在氧氣和水分的共同作用下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生腐蝕[6]，其反應(yīng)式為2M+2H2O+O2=2M（OH）2。此外，酸性氣氛、堿性氣氛和臭氧氣氛等也能夠引起金屬材料腐蝕。其中，銅在酸性氣氛和氧氣的共同作用下易發(fā)生析氫腐蝕；金箔暴露于SO2、NO2等酸性氣氛中，會(huì)因?yàn)槔浼庸ぷ冃螌?dǎo)致的高缺陷密度而產(chǎn)生腐蝕；臭氧會(huì)造成金屬和高分子材料的氧化腐蝕。

某光模塊T3端的鍵合點(diǎn)發(fā)生了脫離，脫離后的鍵合焊盤有膨松灰色異物，呈現(xiàn)腐蝕的形貌特征，如圖6a和6b所示。該灰色異物區(qū)域的主要元素組成為C、O、F、Al，同時(shí)O元素的比例很高（如圖6c所示）。其中，Al為鋁焊盤的元素，由此判斷鍵合鋁焊盤被含有C、O、F元素成分的異物所腐蝕，導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度下降，直至鍵合點(diǎn)脫離而開路。經(jīng)紅外光譜分析（如圖6d所示），灰色異物中含有大量的有機(jī)酸鹽成分。該光模塊的失效機(jī)理是塑封料釋放出有機(jī)酸腐蝕內(nèi)部鍵合鋁焊盤，生成有機(jī)酸鹽，導(dǎo)致鍵合點(diǎn)開路失效。

圖6 光模塊T3腐蝕形貌及分析結(jié)果

5 結(jié)束語

綜上所述，元器件因內(nèi)部氣氛導(dǎo)致失效等質(zhì)量問題嚴(yán)重地影響元器件產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性。為了杜絕內(nèi)部氣氛失效的發(fā)生，可以采取以下措施加以防范:首先，根據(jù)氣氛超標(biāo)原因協(xié)調(diào)元器件生產(chǎn)單位加強(qiáng)生產(chǎn)過程控制；其次，檢驗(yàn)過程嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，推薦使用MIL-STD-883K。因此，為了提高器件可靠性，需要從研究?jī)?nèi)部氣氛對(duì)元器件的影響機(jī)理出發(fā)，不斷地優(yōu)化、控制封裝工藝，嚴(yán)格地限制器件內(nèi)部氣氛含量，降低器件的失效概率，以保證電子元器件長期使用的質(zhì)量與可靠性。