溫度循環對鍵合及芯片燒結性能的影響分析

張 鋒，譚驍洪

（中國電子科技集團公司第24 研究所，重慶 400060）

引言

半導體器件在貯存、運輸和使用過程中時刻要遇到溫度環境，溫度環境應力對元器件性能的影響時刻存在。例如，高溫往往引起熱老化、氧化、結構變化、化學反應、軟化、熔化及升華、物理膨脹；低溫使材料脆化，物理收縮；溫度沖擊造成反復熱脹冷縮，產生機械應力等。溫度環境應力對半導體器件作用更加突出和復雜，導致元器件出現各種形式的失效，嚴重影響武器裝備的可靠性和安全性。本文通過溫度循環試驗對一種封裝結構的半導體器件封裝進行了試驗，測定了該封裝結構的退化情況，測試結果表明該封裝對溫度有較好的耐受性。

1 實驗

1.1 設備

兩廂法溫度循環試驗箱；X射線焊點檢測儀；推拉力剪切力測試。

1.2 試驗方法及判定標準

溫度循環按GJB 548B 方法1010.1，條件C（-65℃～150℃）的要求進行進行；X光檢測按GJB 548B方法2012.1的要求進行；鍵合拉力試驗按GJB 548B方法2011.1條件D的要求進行；芯片剪切強度按GJB 548B方法2019.2的要求進行。

1.3 樣品結構及試驗安排

選擇一種CQFP16陶瓷封裝電路，該電路采用芯片背金燒結工藝，內引線采用為硅鋁絲超聲楔形焊。試驗使用樣品100只，分為10組，每組10電路。溫度循環共進行1000次，每100次抽取1組進行芯片剪切力、鍵合拉力、X光檢查測試。

1.4 樣品的預先處理

在進行該試驗前，該電路按照產品詳細規范的要求進行了篩選，對早期失效的電路進行了淘汰。在篩選合格電路中選取100只芯片燒結空洞率小于15%的產品作為本次試驗的樣品。

2 結果與討論

2.1 芯片剪切強度結果

該電路共進行了溫度循環試驗1000次，每100次溫度循環試驗后對電路進行鍵合拉力測試，測試電路為試驗電路中隨機抽取的10只電路，對10電路的全部芯片剪切力試驗，對比試驗數據，得到溫度循環試驗過程后芯片剪切強度的變化規律，表1為試驗后拉力測試的數據統計。

芯片通過燒結材料與管殼進行固定。芯片、管殼、粘接材料間具有不同的膨脹系數，在受熱或者遇冷的情況下會不同程度的發生形態上的變化。溫度循環試驗將不斷變化的溫度應力施加到產品上，使芯片、管殼、粘接材料不斷產生形態上的變化，從而在各接觸面間產生機械應力。當使用的芯片、管殼、粘接材料的膨脹系數非常接近時，所產生的機械應力較小，粘接性能退化慢，反之會造成粘接性能的急劇退化。

從圖1中的統計數據可以看到，各階段試驗后芯片剪切測試值均滿足GJB 548B的要求，芯片剪切強度在有限區間內上下波動。但在經過700次溫度循環試驗后，雖然芯片剪切強度均滿足GJB 548B的要求，但測試值全部處于區間的下半部，而不是以上下波動的形式出現。該測試結果反映出，芯片粘接性能可能在700次溫度循環試驗后逐步出現了退化現象，雖然退化的情況并不明顯。

表1 試驗后芯片剪切強度測試結果

2.2 內引線拉力強度結果

該電路共進行了溫度循環試驗1000次，每100次溫度循環試驗后對電路進行鍵合拉力測試，測試電路為試驗電路中隨機抽取的10只電路，對10電路的全部引線進行試驗，對比試驗數據，得到溫度循環試驗過程中引線拉力強度的變化規律，表2為試驗后拉力測試的數據統計。

溫度循環核試驗對內引線的作用原理同樣是基于材料的熱脹冷縮特性而產生的機械應力作用。從圖2可以看到，雖然在1000次試驗過程中的引線拉力測試值均滿足GJB 548B的合格判別要求，但引線拉力測試值在500次溫度循環中出現了快速的退化，而后直到1000次溫度循環試驗中的測試值處于一個相對比較溫度的范圍，引線拉力測試值沒有出現持續的退化。

圖1 剪切強度變化曲線

表2 試驗后鍵合強度測試結果

圖2 鍵合強度變化曲線

2.3 芯片粘接空洞結果

該電路共進行了溫度循環試驗1000次，每100次溫度循環試驗后對電路進行X射線檢查，其中10只電路完成了全部的1000次溫循試驗，其他電路由于要進行破壞性的鍵合拉力和芯片剪切力試驗，溫循次數依次遞減。X射線檢測按照GJB 548B的相關要求進行，由于該電路采用平行封焊工藝，因此在X射線檢測中僅針對芯片的空洞缺陷進行檢查。見圖3。

溫度循環試驗過程中由于封裝材料間的熱膨脹系數不一樣，在溫度變化過程中材料間的接觸面可以因熱膨脹系數的差異產生剪切應力，當剪切應力作用試驗足夠長、應力足夠大時，可以對產品的結構產生影響。溫度循環試驗可能造成芯片粘接空洞的擴大，造成產品芯片粘接強度的降低，影響產品的使用可靠性。

從試驗前后X射線檢測圖片對比可以看到，該電路在1000次溫度循環試驗前后的空洞缺陷沒有出現擴大、惡化的情況，試驗前后的空洞面積基本一致。參考芯片剪切強度測試結果，芯片剪切強度未出現明顯的退化。說明在經過1000次溫度循環后，產品的結構和可靠性沒有出現異變，測試結果均滿足標準的要求。

圖3 試驗前后空洞的X 射線檢測的對比

3 結論

溫度循環試驗造成了芯片粘接可靠性的退化，并且具備累計效應，在溫度劇烈變化時，會加快芯片粘接性能退化速度。但該結構電路的芯片、管殼、粘接材料間的熱匹配較好，抗溫度變化的性能較高，在1000次溫度循環試驗后，沒有出現剪切強度不合格的情況，粘接強度的退化比較輕微，在正常使用情況下可以保證長期的粘接可靠性。

溫度循環試驗對引線拉力強度有一定的影響，溫度循環試驗次數少的電路引線拉力強度優于溫度循環試驗次數多的電路。在1000次溫度循環試驗中引線拉力強度至少出現了一次拉力強度退化的過程，這個結果與GJB 548B中試驗前合格拉力判別值高于試驗后合格拉力判別值的規定值相符合的。但隨著溫度循環試驗的持續進行，引線拉力強度是否會出現二次退化，由于試驗次數的限制，不能進行進一步的驗證。

該封裝結構所使用的封裝材料間熱匹配比較好，在經過1000次溫度循環試驗后，產品在結構和封裝可靠性方面沒有出現不滿足標準的情況，并且芯片粘接空洞沒有出現明顯的變化，在芯片粘接性能方面還具有較高的可靠性。

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