塑封IC失效分析及對策

王立國，邵 剛

(天水華天科技股份有限公司，甘肅天水 741000)

現代激烈的市場競爭中，質量是企業的生命。當產品在使用中由于自身質的變化導致產品喪失了預定的工作能力或其性能已劣化成不合格的狀態時，我們通常稱產品失效。電子器件的失效隨著時間的變化可分為早期失效、正常失效和退化失效。失效符合浴缸曲線。早期失效多是由設計或工藝失誤造成的質量缺陷所致，可以通過常規電參數檢驗和篩選進行檢測，后兩者則是由器件中的潛在缺陷引起的，潛在缺陷的行為與時間和應力有關，像潮氣吸附、腐蝕和熱機械應力、過電應力、靜電放電等產生的失效占主導地位。

1 失效分析方法介紹

1.1 塑封IC常見失效機理

塑封IC是指以塑料等樹脂類聚合物材料封裝的集成電路。由于樹脂類材料具有吸附水汽的特性，故限制了其應用領域，特別是在軍事領域。其常見的失效機理有：芯片破裂、管芯鈍化層損傷、管芯金屬化腐蝕、金屬化變形、鍵合金絲彎曲、金絲鍵合焊盤凹陷、鍵合線損傷、鍵合線斷裂和脫落、鍵合引線和焊盤腐蝕、引線框架腐蝕、引線框架的低粘附性及脫層、包封料破裂、包封材料疲勞裂縫、封裝爆裂(“爆米花”)、電學過載和靜電放電、焊接點疲勞、粘片膠厚度不符、粘片膠沾污、壓區破損、不同材質界面的分層等。

1.2 塑封IC失效分析方法

常用的失效分析方法有：電學分析、化學分析、熱學分析、物理分析、電學分析。其中物理分析特點詳見表1。

1.3 分析技術

常用失效分析的方法有：AES-奧格（Auger）電子分光顯微鏡、ESCA——化學分析用的電子波譜學、SIMS-二次離子質譜測定法、SEM-掃描電子顯微鏡、EDX-能量分散X射線分析、WDX-波長分散X射線分析、RBS-盧瑟福背向散射光譜測定法、LIMS-激光離子化質譜測定法、EBIC-電子束感應電流、SLAM和C-SAM、俄歇電子能譜儀。

表1 物理分析特點

1.3.1 SEM分析

SEM使用電子束（300 eV～40 keV）彈出低能級二級電子，用這些彈出電子的電流對陰極射線管的z軸進行亮度調制，產生一個視頻圖像。此方法分析時樣品必須導電或表面覆蓋導電層（場發射電鏡不需要導電）。SEM將光學顯微鏡的放大倍數擴展到20～80萬倍。圖1為SEM電鏡發現在塑封料和引線框架之間有分層。

1.3.2 EDX-能量分散X射線分析

圖1 SEM電鏡下發現分層

EDX-能量分散X射線分析是當X射線檢測器加到SEM上時，在SEM的同時，可以得到組成成分的分析（見圖2）。從而可以在高倍下看到樣本并對其照相，此外，也可對選擇的區域進行分析，甚至可以轉換成與二次電子圖像相同的比例。

圖2 組成成分分析

1.3.3 紅外分析

紅外熱分析運用紅外顯微鏡、紅外掃描顯微鏡等，它的基本原理是，當器件加上電源后芯片上將有一定溫度，產生相應的紅外輻射，通過相應的紅外接收系統，可將芯片上的反常熱點顯示出來，發現不合理的設計及材料和工藝中的缺陷，如反偏P-N結上的發光點、針孔、尖端擴散及鋁膜臺階處的局部發熱等。圖3為紅外分析儀發現芯片局部不良的照片。

圖3 紅外分析儀發現芯片局部不良

1.3.4 SLAM和C-SAM分析

SLAM和C-SAM分析是利用掃描激光聲學顯微鏡（SLAM）和C型掃描激光聲學顯微鏡（C-SAM），都是使用高頻超聲對材料和元件中的不連續性進行檢查，可用于非破壞性的元器件貼裝的研究。SLAM使用的工作頻率為10～500 MHz的穿通發射技術，而C-SAM工作在脈沖回音模式，聲信號被聚焦在感興趣的界面深度上，一個電子控制門被用來選擇特定的深度。圖4是C-SAM掃描發現有裂片的圖片。

圖4 C-SAM掃描發現有裂片

1.4 塑封IC失效分析基本步驟

1.4.1 保存物理證據

在生產和使用過程中，對失效的樣品應妥善保管，并且溫度、濕度應受控，并避免振動及靜電等外力作用造成對失效樣品的二次作用，使原來的失效模式發生變化，破壞物理證據；在非破壞分析前，應避免對失效的樣品做電性分析。

1.4.2 失效產品信息及失效確認

（1）失效產品信息收集。接受上級或客戶不良品信息反饋及分析請求，并了解客戶相關信息（指失效模式、參數值、客戶抱怨內容、型號、批號、失效率、所占比例等，與正常品相比不同之處）；

（2）失效產品信息記錄。記錄各項信息內容，以在長期記錄中形成信息庫，為今后的分析工作提供經驗值；

（3）收集工藝信息。包括與此產品有關的生產過程中的人員、機臺、材料、方法、環鏡變動的情況。

1.4.3 物理分析

（1）外觀目檢及鏡檢：重點檢查器件的電鍍層質量、管腳根部和密封縫的機械損傷、密封質量的完好性。

（2）X-Ray透視及SAT檢查：透視和掃描器件內部，檢查失效器件內部鍵合絲的質量，如斷裂、燒熔、沖線率及布線是否正確，檢查軟焊料空洞及分層情況等。如圖5～7所示。

1.4.4 電性分析

檢查器件的電性能及參數是否正常、驗證失效現象、分析異常以及初步分析失效原因。

1.4.5 破壞性分析

圖5 X-Ray透視圖

圖6 SAT檢查軟焊料空洞

圖7 SAT檢查粘片膠空洞

破壞性分析目前主要采用化學開封、機械開封（激光開封）和切片分析（Cross-Section）。化學開封可采用手動開封和儀器開封，采用手動開封的方法為開帽鏡檢，用30～60倍顯微鏡檢查機械缺陷、內引線、芯片位置、鋁條好壞等，用400～1 000倍的鏡像顯微鏡觀察光刻、鋁引線、氧化層缺陷、芯片裂紋等，并對結果照相；進一步測試電參數，必要時可劃斷鋁條用探針測試管芯，檢查電路的有源和無源元件性能是否正常；除去鋁膜再對管芯進行測試，觀察性能變化，并檢查二氧化硅層的厚度與存在的針孔等；除去SiO2用探針測試管芯，分析表面是否有溝道、分析失效是否由表面效應引起。

如果分析未找到失效的真正原因，可對失效樣品做切片試驗，并進行SEM/EDX/FIB/TEM檢查，進一步確認失效機理。切片、SEM、FIB、TEM、EDX分析圖片見圖8～圖12。

1.5 根本失效原因確定

圖8 切片分析圖片

圖9 SEM分析圖片

圖10 FIB分析圖片

圖11 TEM分析圖片

圖12 EDX分析圖片

塑封IC失效的原因有：設計缺陷、原材料品質不良、制程問題、工藝問題、運輸中靜電擊穿或存儲環境中水汽吸附、使用時的過應力等，應針對失效分析樣品，確定導致失效的根本原因。工藝問題在塑封IC中占失效比例最大，問題主要集中在前工序上，典型代表如由于粘片后對芯片未做等離子清洗，致使塑封電路在塑封材料與引線框架和芯片間發生分層，導致在過回流焊時，發生爆裂效應(俗稱“爆米花”效應)，而拉斷鍵合絲，從而發生開路失效，還有壓焊造成的彈坑，損傷下層設計線路。

1.6 糾正措施及驗證

在查明失效原因的基礎上，通過分析、計算和必要的可靠性驗證，提出預防、糾正、改善措施，經評審通過后付諸實施，跟蹤驗證預防糾正措施的有效性，并按技術規范控制要求或圖樣管理制度對設計或工藝文件進行變更，制定永久改善措施，徹底解決問題。

2 提高塑封IC可靠性的措施

“可靠性”是指元件、產品、系統在一定時間內、在一定條件下無故障地執行指定功能的能力或可能性。可通過可靠度、失效率、平均無故障間隔時間來評定產品可靠性。

產品的可靠性取決于固有設計、制造過程、工作條件(確定產品使用時的環境溫度、濕度，產品工作的電流、電壓等)，以下從三方面介紹提高塑封IC可靠性的措施。

2.1 產品可靠性設計

產品可靠性設計應優先考慮使用環境的復雜性。它取決于用戶的類型以及產品的工作周期，可以通過仿真分析，來實現產品的可靠性，極大地縮短產品設計的時間及可靠性驗證時間，同時通過試驗或分析來驗證工藝是否已達到了滿足可靠性的目標。通過可靠性試驗，產品的設計可以得到證實。產品的可靠性試驗可以暴露出設計人員未想到的設計的薄弱環節或得到不令人滿意的結果，作為試驗人員，應向工程師反饋他們所需要的信息，以便工程師們改善設計，達到預期的效果。

在塑封IC設計時，為了提高可靠性，將零件最大允許應力限制到低于其最大額定應力值的某一規定值。并在產品中要考慮熱量的產生和擴散，避免出現由溫度造成的可靠性問題。

2.2 工藝及材料控制

在塑封IC整個生產過程，應加大工藝控制，其主要措施有：

(1)減少封裝體內水汽含量，避免分層效應。封裝體內的實際水汽含量是由密封材料、封裝體本身、密封環境釋放的水和通過密封處漏入的水汽組成。為防止水汽侵入，良好的鈍化覆蓋層(使用磷玻璃或氮化硅)是必要的，其次是減少包封料中的離子沾污物，在包封料中摻入雜質離子俘獲劑或離子清除劑，提高塑封料與引線框架間的粘接強度，在塑封料中加入填充物延長水汽滲透路徑，降低材料的吸水性等。

(2)嚴格控制產品在各站的加工等待時間和工藝條件要求。各站點的溫濕度應滿足工藝加工要求，流轉的半成品在各站應及時加工，不加工的產品應保持在氮氣柜中。各站點等待加工時間不能超過24 h，測試前產品要進行烘烤，去除濕氣。

(3)減少封裝體內部氣泡，避免塑封體裂紋的產生。在IC后道封裝的塑封過程中，環氧模塑料在熔融狀態下充填成型時，包入或卷進去的空氣以及餅料中原有的揮發性物質在成膜階段時不能完全排出，殘留在塑封體內部就形成氣泡。其對可靠性的影響有：在過回流焊時導致塑封體開裂、使樹脂的耐溫性能下降、影響電性能。通過對料餅預熱，使塑封料中的氣體在進入料筒之前就揮發出來，阻止氣體進入塑封體內部。

(4)減小金屬框架對封裝的影響。金屬框架是塑料封裝IC的基本材料，從上芯開始進入生產過程一直到結束，幾乎貫穿整個封裝過程，對上芯、壓焊、塑封、電鍍、切筋等工序質量均有影響，為提高塑封IC可靠性，對塑封用金屬框架的要求有：選銅質引線框架，達到良好的熱匹配，外引線腳增加鎖定孔，減少切筋成型時的應力。

2.3 包裝、運輸及使用

在塑封電路運輸、裝卸、存貯等過程中，必須采取一定的保護措施。包裝過程的保護措施有：必要的防潮保護(如：抽真空加干燥劑)、物理損傷保護(以免引線彎曲或斷裂)、防靜電放電保護等。器件使用單位應重視在元器件的測試、裝配和調試、試驗過程中嚴格執行有關操作程序，防止電學過載和靜電放電失效。

3 結束語

塑封IC的失效分析只是對封裝過程存在的異常進行分析，提供失效原因或潛在因素，用以采取措施改善塑料封裝過程的不足，提高產品封裝的良率。同時封裝技術不斷的趨于晶圓級，分析技術也在不斷的更新，塑封IC的失效分析將延伸到晶圓級分析，提出了新的挑戰。

[1] Tames J.Licari Leonard ard R.Enlow（美）著，朱瑞廉譯.混合微電路技術手冊：材料、工藝、設計、試驗和生產(第二版)[M].北京：電子工業出版社，2004.

[2] 李雙龍.塑封IC常見失效及對策[J].電子與封裝，2004(2):31-33.