張宏飛，李丹

（1.陸軍裝備部駐洛陽(yáng)地區(qū)航空軍事代表室，河南 洛陽(yáng) 471009；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十四研究所，重慶 400060）

0 引言

集成電路發(fā)生失效往往伴隨著多種因素的綜合影響，其中原材料質(zhì)量問(wèn)題直接決定集成電路的使用可靠性[1]。

隨著器件尺寸的不斷縮小，對(duì)集成電路裝配的可靠性要求越來(lái)越高，封裝用外殼、粘接膠、鍵合絲、蓋板和封焊料等原材料的質(zhì)量可靠性，直接影響集成電路的成品可靠性。大多數(shù)封裝缺陷可以通過(guò)鏡檢、密封和PIND 等篩選試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并有效地剔除，該類缺陷對(duì)篩選合格產(chǎn)品使用可靠性基本無(wú)影響；但部分封裝缺陷需經(jīng)歷一定的機(jī)械或溫度應(yīng)力試驗(yàn)后，才逐步地激發(fā)，直至表現(xiàn)出失效，該類缺陷無(wú)法有效地篩選剔除，對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量影響顯著，嚴(yán)重時(shí)甚至關(guān)系到整機(jī)性能的好壞。

本文選取了由于半導(dǎo)體芯片裝配原因而導(dǎo)致的電性能失效的典型案例，對(duì)原材料質(zhì)量問(wèn)題引起集成電路失效的分析方法進(jìn)行了剖析，并提出了原材料貯存及裝配過(guò)程中的注意事項(xiàng)。

1 失效案例

失效樣品為某款低壓差大電流LDO，1 只產(chǎn)品經(jīng)歷恒定加速度、溫度循環(huán)和老煉等試驗(yàn)后進(jìn)行組件裝配，裝配后經(jīng)歷組件溫度循環(huán)、低溫測(cè)試、整機(jī)隨機(jī)振動(dòng)、整機(jī)溫度循環(huán)、高溫測(cè)試和低溫測(cè)試，發(fā)現(xiàn)故障，故障現(xiàn)象表現(xiàn)為功能異常，同批次其余產(chǎn)品無(wú)異常。

為了定位本次裝配隨整機(jī)試驗(yàn)后的異常產(chǎn)品故障點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行外觀目檢、X-RAY 定位、SEM 檢測(cè)、導(dǎo)電膠材質(zhì)分析和粘接表面分析等故障定位過(guò)程，定位故障點(diǎn)，分析排查故障原因，并從原材料源頭發(fā)現(xiàn)問(wèn)題根源，提出有效的糾正措施。

1.1 外觀目檢

采用低倍（10 倍）光學(xué)顯微鏡對(duì)失效樣品進(jìn)行外觀目檢，未發(fā)現(xiàn)明顯的異常。

1.2 X-RAY 檢測(cè)

為了避免開(kāi)封對(duì)器件造成的損傷，首先，采用X-RAY 方式在非破壞條件下，觀察封裝腔體內(nèi)部形貌。發(fā)現(xiàn)失效樣品基板存在翹起形貌，如圖1 所示；合格樣品X-RAY 形貌如圖2 所示；裝配結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。該款產(chǎn)品的主結(jié)構(gòu)由硅基板、芯片、金屬墊片和金屬底座組成，并由導(dǎo)電膠和鍵合絲進(jìn)行互聯(lián)。

圖1 失效樣品X-RAY 結(jié)果

圖2 合格樣品X-RAY 結(jié)果

圖3 該款低壓差大電流LDO 裝配結(jié)構(gòu)圖

1.3 內(nèi)部目檢

經(jīng)歷非破壞性X-RAY 試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)基板異常形貌，通過(guò)對(duì)失效樣品進(jìn)行開(kāi)封，采用高倍顯微鏡（20～100 倍）對(duì)其內(nèi)部基板、鍵合絲、芯片和粘接面形貌進(jìn)行檢查，進(jìn)一步地確定故障點(diǎn)。發(fā)現(xiàn)互聯(lián)硅基板與底座的細(xì)鍵合絲在靠近金屬墊片位置發(fā)生斷裂[1]，硅基板與金屬底座之間已經(jīng)發(fā)生導(dǎo)電膠的粘接脫離，在粗鍵合絲的拉伸作用下，硅基板呈一側(cè)上翹狀態(tài)[2]；觀察失效樣品的導(dǎo)電膠脫離位置，可見(jiàn)導(dǎo)電膠均勻地附著于金屬底座與導(dǎo)電膠的粘接界面，如圖4-6 所示。

圖4 失效樣品內(nèi)部形貌

1.4 SEM 檢測(cè)

由圖5 判斷鍵合絲斷裂導(dǎo)致本次樣品失效，為了分析鍵合絲斷裂的原因，需對(duì)其斷裂面形貌進(jìn)行檢測(cè)[3]。采用SEM 對(duì)斷裂鍵合絲斷口進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)失效樣品的鍵合絲斷裂于鍵合頸部位置（鍵合絲的結(jié)構(gòu)薄弱位置），鍵合絲斷口具有明顯的塑性形變，呈韌性斷裂形貌，如圖7 所示，表明該鍵合絲受過(guò)應(yīng)力作用的條件下發(fā)生斷裂。

圖5 斷裂鍵合絲處形貌

圖6 外殼導(dǎo)電膠粘接硅基板痕跡

圖7 鍵合絲斷口SEM 形貌

1.5 導(dǎo)電膠材質(zhì)分析

由上述分析定位可知，硅基板導(dǎo)電膠粘接面脫離金屬底座，引起鍵合絲頸部受過(guò)應(yīng)力發(fā)生斷裂。采用FT-IR/DSC/TGA 對(duì)試驗(yàn)樣品導(dǎo)電膠材質(zhì)進(jìn)行分析[4]，其主要成分為環(huán)氧樹(shù)脂；未見(jiàn)明顯的放熱焓，表面導(dǎo)電膠已完全固化；其分解溫度、終止分解溫度、分解峰值和殘留質(zhì)量等參數(shù)均無(wú)異常。表明失效樣品粘接用導(dǎo)電膠材料自身無(wú)異常。

1.6 粘接表面分析

通過(guò)SEM&EDS 與TOF-SIMS 可觀察出導(dǎo)電膠粘接面及金屬底座粘接面的形貌及組成元素的含量。

SEM&EDS 檢測(cè)結(jié)果顯示[5]，失效樣品導(dǎo)電膠粘接面顆粒均勻分布，呈具有一定粗糙度的平整形貌，導(dǎo)電膠的組成元素為C、O 和Ag，如圖8 所示，無(wú)異常。

圖8 導(dǎo)電膠粘接面積組成元素

TOF-SIMS 結(jié)果顯示失效樣品導(dǎo)電膠粘接面存在Si+、SiC3H9+、SiC5H13O2+等離子，表明導(dǎo)電膠粘接面存在有機(jī)硅沾污。

1.7 小結(jié)

由故障定位結(jié)果可知，本次故障樣品金屬底座與導(dǎo)電膠的界面存在有機(jī)沾污，導(dǎo)致金屬底座與硅基板粘接力下降，在試驗(yàn)應(yīng)力的作用下，硅基板與金屬底座發(fā)生脫離，對(duì)鍵合絲產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，拉斷鍵合絲。

2 原因分析

導(dǎo)電膠的粘接力主要來(lái)源于導(dǎo)電膠分析與金屬底座表面原子的相互吸引，當(dāng)粘接面受污染時(shí)，污染物會(huì)阻礙導(dǎo)電膠對(duì)金屬底座的吸附作用，從而降低導(dǎo)電膠與金屬底座之間的粘接力。在溫度試驗(yàn)過(guò)程中，導(dǎo)電膠由于粘接力不足而與金屬底座發(fā)生脫離，此時(shí)，基板在垂直方向的自由度明顯地增大，對(duì)鍵合絲造成較大的拉應(yīng)力作用，導(dǎo)致鍵合絲在鍵合薄弱位置（鍵合頸部）發(fā)生斷裂。

排查外殼貯存環(huán)境，原材料庫(kù)房的環(huán)境控制溫度為10～30 ℃，相對(duì)濕度為45%RH～75%RH。管殼包裝及存放方式為：外殼腔體朝下單獨(dú)放置在有獨(dú)立分格的透明塑料專用包裝盒中，包裝盒外使用防靜電袋密封，平放于塑料外包裝箱中，包裝箱平放于庫(kù)房貨架上，該過(guò)程穩(wěn)定受控，不存在異常。但復(fù)查發(fā)現(xiàn)部分外殼抽樣檢驗(yàn)后未進(jìn)行密封，長(zhǎng)時(shí)間貯存過(guò)程中，個(gè)別未密封外殼內(nèi)部受到沾污，引起硅基板與外殼粘接力不足。

采用正常外殼、等離子清洗后的外殼、機(jī)油沾污外殼粘接硅基板，對(duì)粘接后的樣品進(jìn)行基板剪切強(qiáng)度極限試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示機(jī)油沾污會(huì)引起表面性能降低，從而引起剪切強(qiáng)度降低。證實(shí)上述原因分析的正確性。

表1 沾污試驗(yàn)樣品剪切強(qiáng)度數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語(yǔ)

外殼沾污將影響導(dǎo)電膠與金屬底座間的粘接力，沾污嚴(yán)重的產(chǎn)品可通過(guò)元器件篩選試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并剔除[6]，但部分輕微沾污產(chǎn)品，其粘接力較合格產(chǎn)品存在降低，需經(jīng)歷一定的溫度、機(jī)械應(yīng)力試驗(yàn)激發(fā)后表現(xiàn)出失效，該類產(chǎn)品失效將直接影響組件功能。因此，針對(duì)貯存時(shí)間較長(zhǎng)的外殼，為避免外殼沾污帶來(lái)的粘接力隱患，建議使用前進(jìn)行等離子清洗，提高外殼的浸潤(rùn)性。