塑封集成電路結構分析技術研究*

鄺栗山 王 坦

（航天科工防御技術研究試驗中心 北京 100854）

1 引言

由于航天產品對元器件小型化、輕型化的迫切需求，以及國外高質量等級元器件的可獲得性日益艱難等因素，促進了國產替代和新研器件的發(fā)展。然而這些器件的內部的結構、材料或工藝能否完全滿足軍用環(huán)境的使用要求，僅通過現有的檢測篩選手段是難以進行全面的評估。

半導體器件的結構分析就是針對器件內部結構、材料與工藝，甚至是內部管芯各層結構的工藝質量情況進行檢查，發(fā)現其不適應軍用環(huán)境要求的內部及外部因素，并針對所發(fā)現的問題，提出改進建議［1～5]。從技術角度上講，主要是對國產化替代或者新研元器件開展相關驗證分析，剔除不適用于特殊環(huán)境的結構或設計，降低元器件應用風險。

2 結構分析流程

結構分析的目的是解決元器件是否適用于特殊環(huán)境的要求，因此結構驗證必須將元器件和使用環(huán)境要求結合起來，在方案制定時充分考慮已知的各種結構，并結合廠家提供的相關信息資料進行。結構分析初步流程如圖1所示。

圖1 結構分析試驗程序

3 結構單元分解

結構單元分解是對元器件的整體結構按照功能單元和物理單元進行二級或三級層次分解，獲得結構要素，以此作為確定分析試驗項目、策劃試驗流程的依據。

圖2 塑封器件典型封裝結構圖

以MAXIM生產的型號為MAX1270AEAI的塑封集成電路為例，其典型結構組成如圖2所示，針對塑封集成電路的結構，進行結構單元分解和結構要素識別，如圖3所示。

4 結構要素識別

塑封器件中不同的結構會出現不同的失效機理，通過對塑封器件常見的失效模式和失效機理進行調研分析［6～13]，并找出其對應的結構單元，根據結構單元制定相應的試驗項目，如表1所示。

對識別不同結構單元的試驗項目進行合并，以塑封器件結構為對象形成結構要素識別方法，如表2所示；并按照先非破壞性后破壞性的原則，編制結構分析試驗程序和樣品分組，如表3所示。

圖3 塑封器件結構單元分解圖

表1 塑封器件失效機理的試驗項目

表2 結構要素組成和識別方法

表3 塑封單片電路結構分析程序

5 結構分析試驗

5.1 外觀檢查

MAX1270AEAI塑封集成電路采用典型的塑封SOP表貼封裝形式，標識采用激光打標后涂覆漆料的方式。4只器件樣品整體外觀完好，表面標識清晰，塑封體完整，無針孔、空洞等缺陷；器件引腳結構完好，表面鍍層均勻，無銹蝕、沾污、變形、裂痕等缺陷，如圖4所示。

圖4 樣品典型外觀形貌

5.2 X射線檢查

通過X射線檢查及三維CT掃描檢查發(fā)現，4只樣品內部結構一致性較好，芯片粘接良好，無空洞、裂痕等缺陷形貌；內部引線框架無變形、斷裂、損傷等工藝缺陷；鍵合絲無沖絲、頸縮損傷等異常現象，如圖5所示。

圖5 樣品典型X射線及CT掃描結構形貌

5.3 SAM檢查

通過超聲掃描顯微鏡（SAM）檢查，發(fā)現4只樣品中有1只樣品局部引腳出現了鍵合區(qū)域的引腳分層，表明該只器件引腳外鍵合點區(qū)域屬于薄弱環(huán)節(jié)，后續(xù)應進行進一步的評價考核，如圖6所示。基于該器件發(fā)生了塑封體的分層，該只器件樣品被單獨挑選了出來，作為后續(xù)剖面制樣分組（2分組）的樣品之一。

圖6 樣品典型SAM檢查形貌

5.4 耐溶劑試驗

選取2只樣品（1分組）進行樣品表面標識耐溶劑試驗，試驗后對器件表面進行觀察，塑封體表面未見出現涂覆層脫落、褪色、起皮、抹掉現象，表面標識依然可辨識，該項試驗結果證明器件標識涂覆質量良好。

5.5 開封及內部檢查

對1分組2只器件進行化學開封，并進行觀察。由于采用了X射線定位+激光開封+掩膜+化學腐蝕的綜合開封方法，器件開封效果良好，內部芯片及鍵合、粘接結構得到了完整保留。

首先對內部整體進行觀察：內部結構完好，芯片焊盤采用32μm金絲球形焊工藝，外鍵合點采用楔形焊工藝，均為較為成熟的鍵合工藝。內外鍵合點和引線框架完整，這與X射線結果一致。對芯片表面進行觀察：芯片采用較為典型的CMOS工藝制造，版圖完整，表面互聯良好，未見明顯的版圖缺陷和互聯缺陷，鈍化層也未見明顯的裂紋、破損等現象。鍵合焊盤在開封過程中未受明顯腐蝕，保留較為完整。器件內部芯片形貌見圖7。

圖7 開封后器件內部形貌

5.6 SEM檢查

采用掃描電子顯微鏡對芯片表面進行SEM檢查，試驗過程中，芯片表面鈍化完好，金屬化附著良好，未發(fā)現明顯的空洞、裂紋、分隔、凹陷、凹槽、隧道或其組合缺陷。芯片最壞情況下的金屬化形貌如圖8所示。

圖8 芯片最壞情況下的金屬化SEM形貌

5.7 鍵合強度試驗

對1分組的2只樣品進行鍵合拉力試驗，試驗方法參照GJB548B-2005方法2011.1進行，器件采用32μm Au鍵合工藝，試驗結果如表4所示。

表4 1分組樣品破壞性鍵合拉力試驗結果

可以看到，在化學開封后鍵合點不可避免受到一定程度損傷的情況下，1分組兩只樣品鍵合強度依然合格，證明器件鍵合工藝良好，但因器件外鍵合點存在分層擴展風險，建議對器件外鍵合點鍵合強度進行考核試驗。

5.8 鈍化層完整性檢查

參照GJB548B-2005方法2021程序B條件，對鍵合強度試驗后的1分組2只器件內部芯片進行鈍化層完整性檢查，可見芯片表面未作鈍化處理的部分（鍵合焊盤）出現了鋁腐蝕現象，其余區(qū)域為觀察到明顯的鋁金屬化結構的腐蝕。該項試驗進一步證明器件芯片表面鈍化層完整，無針孔、破損等缺陷。試驗前后焊盤附近區(qū)域顯微鏡形貌如圖9所示。

圖9 腐蝕前后鋁焊盤附近區(qū)域顯微形貌

5.9 制樣鏡檢

將剩余的2只器件（包括出現引腳鍵合區(qū)分層的1只樣品）作為2分組分別沿器件長邊和短邊方向進行制樣鏡檢，可見塑封集成電路典型剖面結構如圖10所示。

圖10 塑封集成電路剖面結構

利用金相顯微鏡和掃描電鏡進行檢查，結果為：芯片基板及引線框架采用銅基體鍍銀結構，鍍層均勻，平均厚度為4.9μm，芯片與基板之間采用銀漿料粘接，粘接形貌良好，粘接料內無明顯的裂紋、空洞等缺陷，基板下表面有多個梯形凹槽，可以增強與包封料之間的結合力，如圖11所示。

圖11 基板結構、鍍層厚度及粘接厚度剖面形貌

外引腳表面鍍有錫助焊層，平均厚度為30.6μm，鍍層形貌良好，無腐蝕現象，如圖12所示。

圖12 器件引腳鍍層剖面形貌

芯片焊盤處鍵合點對準良好，內鍵合點Au-Al鍵合和外鍵合點Au-Ag鍵合界面結合良好，為典型集成電路鍵合材料組合，無明顯的互擴散導致的金屬空洞或金屬間化合物（如紫斑）形成，如圖13所示，說明鍵合工藝控制良好，但Au-Al鍵合存在發(fā)生柯肯德爾效應的可能，建議對其可靠性進行評估。

圖13 鍵合點剖面形貌

對于引腳鍵合區(qū)分層的樣品，從其外鍵合點剖面可見，塑封料和引線框架的界面處存在縫隙，在使用過程中，縫隙可能逐漸變大、擴展，降低外鍵合點的強度，屬于薄弱環(huán)節(jié)，如圖14所示。

圖14 外鍵合點與塑封料的界面剖面形貌

6 結語

經過檢查與分析，該批器件采用典型的塑封SOP結構和工藝，工藝控制成熟，未見明顯材料與結構設計缺陷，但器件芯片采用Au-Al鍵合的結構，該種結構應嚴控工藝參數，盡量降低發(fā)生柯肯德爾效應的可能，建議對其工藝進行針對性評估。另外，該器件局部存在外鍵合區(qū)域分層，微觀下可見有明顯的縫隙，如應用于高可靠領域仍需對分層缺陷擴展趨勢及鍵合強度進行考核評價。