塑封半導體器件的可靠性保證措施

摘 要:為了降低塑封半導體器應用于高可靠性產品領域中的質量風險，采用質量細化分析方法，針對塑封半導體器件本身在材料、結構等方面的特點，做了塑封半導體器件失效模式與機理的原理探討。得出器件應用于產品前，應該進行溫度適應性評估、二次篩選以及破壞性物理分析等先期工作。關鍵詞:塑封半導體器件; 可靠性; 溫度適應性評估; 二次篩選; 破壞性物理分析

中圖分類號:TN304.05-34文獻標識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)16-0164-02

Assurance Measures for Reliability of Plastic Semiconductor Components

ZHANG Zhen-jian， LIU Wen-yuan

(China Aeronautical Computing Technique Research Institute，Xi’an 710068，China)

Abstract:In order to reduce the application risk of the plastic semiconductor components used in the field of high-reliability products， the method of detailed analysis of quality is adopted， aiming at the material and structure characteristics of semiconductor components， somefailure modes and principles of plastic semiconductor components are discussed. The conclusion is as follows: before the semiconductor components areapplied to products， the temperature adaptability evaluation， the secondary screening and destructive physical analysis should be conducted.Keywords:plastic semiconductor component; reliability; temperature adaptability evaluation; secondaryscreening;destructive physical analysis

收稿日期:2010-03-19

由于塑封半導體器件的體積、重量、價格等方面的優勢，近年來廣泛應用于國民生產的各個方面[1]。受這種趨勢推動，生產廠家加大了塑封半導體器件研制生產的投入，塑封半導體器件逐漸具備了種類全面、高性能、高精度、高集成度等特點，并且通過使用新型的環氧材料，進行更為嚴謹的工藝控制等措施，塑封半導體器件的可靠性也有所提高。但是由于塑封半導體器件本身是一種非氣密性封裝形式，當將其應用在對可靠性要求較高的領域時，仍要謹慎對待，必須針對塑封半導體器件的固有失效模式，確定嚴格的質量保證方案[2-5] 。

1 塑封半導體器件的失效模式及機理分析

引起塑封半導體器件失效的主要誘因包括封裝材料固有的吸潮性，封裝材料與芯片熱膨脹系數的差異和生產工藝控制不當造成的芯片粘接缺陷、封裝缺陷等。主要的失效機理有爆米花效應、腐蝕、熱膨脹系數不匹配導致的失效等[6]。

1.1 爆米花效應以及腐蝕

爆米花效應以及腐蝕這兩種失效機理主要是由水汽的入侵引起。空氣中的水汽可能通過塑封材料本體、塑封材料和引線框架界面侵入芯片。入侵的水汽與封裝材料中的氯離子等結合產生酸性液體，會使芯片的鍵合區發生腐蝕，當芯片表面鈍化層存在缺陷，還會腐蝕到芯片的金屬化層，導致器件漏電流增大，甚至造成諸如短路、開路的失效現象。另一個方面，當器件所處的環境溫度升高，例如在回流焊過程中，器件內部的水汽受熱，體積急劇膨脹，就會在器件內部產生爆米花裂痕，這樣的裂痕通常從芯片焊接面處向下方延伸。由于器件底部幾乎不存在引線，向下方延伸的裂痕很少會造成器件的“即時失效”，通過電學測試不能剔除，但是卻為器件的使用帶來嚴重的問題:裂痕為水汽的進一步入侵提供大的通路，并且可能進一步延伸破壞器件的內部結構。

1.2 熱膨脹系數不匹配導致的失效

由于塑封半導體器件使用材料的多樣性，引線框架、塑封材料、粘接材料、芯片等的熱膨脹系數都存在差異，因此當溫度變化時，會在不同材料的接觸面上產生應力作用，使得界面處的兩種材料產生分離傾向，導致不同材料間出現分層，從而造成器件的短路、開路等，而且分層的出現更利于水汽的侵入。

1.3 生產工藝控制不當引入的缺陷

在塑封半導體器件的生產過程中產生的缺陷，比如芯片粘接缺陷、鈍化層缺陷、封裝中引入雜質或多余物等，可能造成芯片的剝離、器件的漏電流增加、開路或短路。

2 塑封半導體器件的溫度適應性評估

生產廠家為塑封半導體器件定義溫度范圍一般有:0～70 ℃(商業級)、-40～+85 ℃(工業級)、-40～+125 ℃(汽車級)，這些范圍小于高可靠性領域通常要求的范圍-55～+125 ℃。因此若將其應用于靠可靠性領域，必須考察其在-55～+125 ℃范圍內的溫度適應性。

2.1 塑封半導體器件的參數再定義

使用類似于元器件生產廠初始定義元器件參數的方法，對塑封半導體器件在-55～+125 ℃范圍內工作的參數進行定義。基于測試結果，器件參數可延用手冊中的數值，若測試值有所變化可對其參數做相應調整。如圖1所示。

圖1 參數再定義流程圖

2.2 應力平衡

應力補償是指作為補償而降低至少一個工作參數，例如:功率、速度，以保證結溫相比允許的最高溫度存在可接受的冗余。如圖2所示。

圖2 應力平衡實施流程圖

2.3 參數一致性評估

在-55～+125 ℃范圍內的目標溫度點測試塑封半導體器件，測試中采用的測試條件、極限值等參數均沿用廠家手冊中額定溫度范圍內的定義。

3 塑封半導體器件的二次篩選

為了盡量剔除存在缺陷及可能早期失效的塑封半導體器件，需要對其進行100%的二次篩選，篩選方法目前尚不統一，比較有代表性的是文獻[7]提出的篩選方法，如圖3所示。

圖3 二次篩選流程圖

4 破壞性物理分析

塑封半導體器件存在的設計、材料、工藝方面缺陷，可能在溫度適應性考察和二次篩選中暴露不出來，但是在實際應用中會引起產品參數的變化甚至性能失效。破壞性物理分析(DPA)技術的發展為甄別這些缺陷提供了有力支撐。可以分別在溫度適應性考察和二次篩選前后進行兩次DPA。第一次DPA目的在于探查產品存在設計、材料、工藝方面的缺陷，第二次DPA目的在于通過比較篩選前后DPA 的結果，進行可靠性分析，進一步減少使用塑封半導體器件的風險[8-9]。

5 結 語

由于塑封半導體器件本身在材料、結構等方面的特點，將塑封半導體器件使用在高可靠性領域件具有一定風險，需要進行包括溫度適應性評估、二次篩選、破壞性物理分析等在內的先期工作。通過這一系列必要的可靠性保證措施達到降低風險，提高其使用可靠性的目的。

參考文獻

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