馬敏舒，王媛，侯晨琛

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第24研究所，重慶 400060）

引言

隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體電路集成度日益提高，設(shè)計(jì)工藝日益復(fù)雜，對(duì)產(chǎn)品可靠性要求也越來(lái)越高。半導(dǎo)體元器件在航空、航天等領(lǐng)域應(yīng)用過(guò)程中，隨機(jī)振動(dòng)引起元器件內(nèi)部產(chǎn)生劇烈的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，其產(chǎn)生的形變或者應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致電子元器件失效，呈現(xiàn)短路、斷路、焊點(diǎn)松動(dòng)或者開(kāi)裂等問(wèn)題，對(duì)電子元器件的使用穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生較大的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，振動(dòng)環(huán)境因素所引起的電子元器件失效所占的比重越來(lái)越高。

為了提高產(chǎn)品質(zhì)量，保持產(chǎn)品性能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠，更多設(shè)計(jì)制造單位通過(guò)工程應(yīng)用中失效分析來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，確定失效機(jī)理，改進(jìn)設(shè)計(jì)和工藝制造水平，提升產(chǎn)品核心競(jìng)爭(zhēng)力。

本文基于某波控專(zhuān)用芯片的失效現(xiàn)象，通過(guò)有限元仿真方法對(duì)該電子元器件隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)后的失效模式進(jìn)行仿真，分析得到隨機(jī)振動(dòng)對(duì)鍵合絲的影響在可控范圍之內(nèi)。同時(shí)，對(duì)在不同的隨機(jī)振動(dòng)條件及不同鍵合絲跨度下的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真，分析隨機(jī)振動(dòng)對(duì)鍵合絲變形情況及對(duì)產(chǎn)品可靠性的影響，用以指導(dǎo)產(chǎn)品鍵合。

1 失效模式確認(rèn)

失效樣品為某款TR組件波控電路芯片，陶瓷封裝，用于數(shù)字前級(jí)控制電路和后級(jí)波控芯片之間的專(zhuān)用集成電路。該電路由用戶安裝到整機(jī)PCB板，經(jīng)歷ESS試驗(yàn)的“隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力篩選”后，出現(xiàn)短路失效。

1.1 外部檢查

采用光學(xué)顯微鏡對(duì)失效樣品進(jìn)行外觀目檢，未發(fā)現(xiàn)裂紋等明顯異?，F(xiàn)象。

1.2 電性能測(cè)試

為了確定失效樣品的失效特性，鑒別失效模式，利用晶體管圖示儀對(duì)樣品進(jìn)行I-V特性曲線對(duì)比測(cè)試[1]。結(jié)果為：樣品B3引出端對(duì)A2引出端的I-V特性曲線為短路特性；樣品相同功能的引出端A4、B4間的I-V特性曲線為結(jié)特性。典型I-V特性曲線見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 A2、B3間的I-V特性

圖2 A4、B4間的I-V特性

1.3 X射線檢測(cè)

為檢測(cè)樣品封裝內(nèi)的缺陷和損傷，利用X射線檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)樣品進(jìn)行X射線檢測(cè)。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，樣品內(nèi)部A2、B3對(duì)應(yīng)的內(nèi)部鍵合絲橋連在一起，樣品其余位置未見(jiàn)異常形貌，典型形貌見(jiàn)圖3、圖4。

圖3 樣品鍵合絲透視

圖4 鍵合絲橋連透視圖

1.4 開(kāi)封后內(nèi)部目檢

為檢測(cè)樣品內(nèi)部的組裝、鍵合、芯片等結(jié)構(gòu)是否符合要求，采用機(jī)械方法對(duì)樣品進(jìn)行開(kāi)封，展現(xiàn)內(nèi)部全貌。

內(nèi)部觀察發(fā)現(xiàn)，樣品A2對(duì)應(yīng)鍵合絲向B3發(fā)生傾斜，鍵合絲橋連在一起；A2對(duì)應(yīng)的鍵合絲的弧度與其他同樣長(zhǎng)度鍵合絲相比未見(jiàn)明顯異常，B2對(duì)應(yīng)的鍵合絲未發(fā)生明顯的偏移、傾斜的現(xiàn)象。失效鍵合絲所在區(qū)域部分鍵合絲之間間距差異較大、高度不一致，且A2對(duì)應(yīng)的鍵合絲表面有刮蹭形貌，如圖5、圖6所示。

圖5 鍵合絲橋連區(qū)域形貌

圖6 樣品鍵合絲刮蹭形貌

為進(jìn)一步分析該電路鍵合絲橋連原因，建立有限元分析模型進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析，判定電路安全工作范圍。

2 隨機(jī)振動(dòng)有限元分析

2.1 隨機(jī)振動(dòng)

隨機(jī)振動(dòng)是工程應(yīng)用中普遍存在的一種振動(dòng)，它不能用確定的函數(shù)來(lái)描述，一般呈現(xiàn)統(tǒng)計(jì)規(guī)律。為有效分析其影響，一般通過(guò)振動(dòng)系統(tǒng)模型來(lái)模擬振動(dòng)環(huán)境。

在傳統(tǒng)機(jī)械強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法學(xué)中，使用安全系數(shù)法[2]來(lái)表征機(jī)械強(qiáng)度的影響，即認(rèn)為零部件的工作應(yīng)力S和其材料強(qiáng)度r為確定單值，定義安全系數(shù)為：

K=r/s （1）

以K值大小來(lái)判定是否安全工作。

而近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用，有限元分析成為固體結(jié)構(gòu)分析的強(qiáng)有力工具。

2.2 有限元分析方法及結(jié)果討論

針對(duì)失效樣品鍵合絲短路失效問(wèn)題，通過(guò)有限元分析方法重點(diǎn)分析鍵合絲（Au絲）在隨機(jī)振動(dòng)作用下的變形及應(yīng)力狀態(tài)[3]?；谟邢拊浖M(jìn)行計(jì)算，模型包含鍵合絲、芯片、焊盤(pán)、外殼等結(jié)構(gòu)，固定約束面為所有管腳柱面。各模型組件材料特性見(jiàn)表1所示。

表1 封裝材料特性

2.2.1 模型參數(shù)設(shè)置

失效樣品采用PGA176A外殼封裝，考慮到鍵合絲跨度對(duì)振動(dòng)狀態(tài)的影響，模型中最長(zhǎng)鍵合絲跨度分別取值為4 mm、4.3 mm、4.5 mm，拱高依據(jù)外殼內(nèi)腔尺寸取最大值，用于有限元分析的三維模型如圖7所示。

圖7 仿真三維模型

鍵合絲與鍵合指、芯片Pad之間的連接定義為“Bonded”類(lèi)型，不存在切向的移動(dòng)以及法相的相互分離。依據(jù)用戶提供的環(huán)境應(yīng)力篩選隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)條件，調(diào)用隨機(jī)振動(dòng)模塊的PSD單元進(jìn)行加載（作用于引腳圓柱面）。

2.2.2 鍵合絲變形情況計(jì)算

沿X方向施加隨機(jī)振動(dòng)載荷，得到1σ、2σ、3σ的X方向變形分別如圖8所示，其變形分別為0.210 8 μm（68.269 %）、0.421 6 μm（95.45 %）、0.632 4 μm（99.73 %）。

圖8 X方向變形情況

分別計(jì)算沿X、Y、Z三方向施加隨機(jī)振動(dòng)載荷條件下鍵合絲的變形，取置信度最高的3σ結(jié)果進(jìn)行分析。

1）沿X方向振動(dòng)

沿X方向隨機(jī)振動(dòng)載荷引起的鍵合絲沿X、Y、Z方向的變形分別如圖9所示。

圖9 沿X方向震動(dòng)變形情況

2）沿Y方向振動(dòng)

沿Y方向隨機(jī)振動(dòng)載荷引起的鍵合絲沿X、Y、Z方向的變形分別如圖10所示。

圖10 沿Y方向震動(dòng)變形情況

圖10 沿Y方向震動(dòng)變形情況

3） 沿Z方向振動(dòng)

沿Z方向隨機(jī)振動(dòng)載荷引起的鍵合絲沿X、Y、Z方向的變形分別如圖11所示。

圖11 沿Z方向震動(dòng)變形情況

由計(jì)算結(jié)果可得，沿著Z方向的隨機(jī)振動(dòng)載荷引起的鍵合絲沿Z方向的變形最大，達(dá)到0.720 2μm（99.73 %），變形量占鍵合絲直徑的比例為2.4 %，屬于小變形問(wèn)題。

2.2.3 最大變形情況下應(yīng)力水平

隨機(jī)振動(dòng)載荷沿Z方向加載時(shí)鍵合絲變形最大，該情況下的等效應(yīng)力為5.01 MPa（99.73 %），如圖12所示，最大應(yīng)力發(fā)生在鍵合點(diǎn)頸部應(yīng)力集中區(qū)域。金材料的屈服極限為110 MPa，取S=1.4的安全系數(shù)，許用應(yīng)力為78.57 MPa，鍵合絲應(yīng)力水平低于材料許用應(yīng)力，在該條件下99.73 %以上概率處于彈性狀態(tài)。

圖12 Mises應(yīng)力（3σ）

2.2.4 鍵合絲跨度及載荷條件變化的影響

進(jìn)一步考核鍵合絲變形隨載荷的變化，加大載荷的加速度總均方根值（Grms）至15.94 g，沿著Z方向的隨機(jī)振動(dòng)載荷引起的鍵合絲沿Z方向的變形最大，達(dá)到1.610 5 μm（99.73 %），該情況下的等效應(yīng)力為11.21 MPa（99.73 %），應(yīng)力水平仍低于材料許用應(yīng)力。

分析最長(zhǎng)鍵合絲跨度分別取值為4 mm、 4.3 mm、4.5 mm情況下的振動(dòng)狀態(tài)。依據(jù)用戶給定隨機(jī)振動(dòng)載荷條件計(jì)算，模態(tài)頻率、變形量與跨度的關(guān)系如表2所示。

表2 正常載荷條件計(jì)算結(jié)果

由分析結(jié)果可知，在用戶振動(dòng)條件下，4.5 mm跨度鍵合絲最大變形量級(jí)微小，等效應(yīng)力（7.46 MPa）低于材料許用應(yīng)力。即使加大振動(dòng)的加速度總均方根值（Grms）至15 g之后，該鍵合絲最大變形達(dá)到約2.9 μm，等效應(yīng)力（16.68 MPa）仍低于材料許用應(yīng)力。綜上所述，鍵合絲在該振動(dòng)條件下99.73 %（3σ）以上概率處于彈性狀態(tài)，變形、應(yīng)力較小，即發(fā)生彈性形變后會(huì)自動(dòng)恢復(fù)原貌。

3 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)

為驗(yàn)證分析結(jié)果，確定電路在用戶使用及更嚴(yán)苛振動(dòng)應(yīng)力條件下，電路內(nèi)鍵合絲是否會(huì)接觸短路，

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行6.06 g、10 g、15 g三種振動(dòng)應(yīng)力條件下的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)。振動(dòng)后電路X射線照片如圖13、圖14。

圖13 6.06 g應(yīng)力下振動(dòng)后電路

圖14 15 g應(yīng)力下振動(dòng)后電路

試驗(yàn)結(jié)果表明，電路在經(jīng)過(guò)三次振動(dòng)后，鍵合絲均無(wú)變形短路，該產(chǎn)品能經(jīng)受用戶的6.06 g、10 g、15 g振動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)力。

4 失效原因分析

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的分析及實(shí)測(cè)，證明該產(chǎn)品使用環(huán)境應(yīng)力低于材料許用應(yīng)力[4]，在使用中不會(huì)因隨機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致短路失效。對(duì)失效樣品分析中發(fā)現(xiàn)，A2對(duì)應(yīng)的鍵合絲弧度與其他同樣長(zhǎng)度鍵合絲相比未見(jiàn)明顯異常，B3對(duì)應(yīng)鍵合絲未發(fā)生明顯的偏移、傾斜現(xiàn)象，因此可以排除振動(dòng)應(yīng)力對(duì)該類(lèi)型鍵合絲的影響。

根據(jù)鍵合絲刮蹭情況及前期鍵合完成時(shí)鏡檢情況，推測(cè)失效樣品在人工封帽階段，可能輕微觸碰鍵合絲，使鍵合絲發(fā)生傾斜和偏移現(xiàn)象，導(dǎo)致與相鄰鍵合絲間距減小，在后續(xù)振動(dòng)應(yīng)力下，鍵合絲之間發(fā)生碰撞和橋連，導(dǎo)致失效。

5 結(jié)論

從產(chǎn)品可靠性角度分析，隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力是產(chǎn)品使用中必須考慮的失效因素[5]，通常作用于器件的應(yīng)力包括載荷（力、力矩、轉(zhuǎn)矩等）、位移、應(yīng)變、溫度、磨損量、電流、電壓等，在產(chǎn)品加工過(guò)程中，需要充分考慮鍵合絲的隨機(jī)振動(dòng)可靠性情況，保證產(chǎn)品在留有充分裕量的環(huán)境下工作。

隨機(jī)振動(dòng)有限元分析法是很有效的振動(dòng)環(huán)境及影響分析方法，通過(guò)不同的應(yīng)力條件及封裝條件設(shè)置，模擬產(chǎn)品在機(jī)械振動(dòng)環(huán)境下的各種應(yīng)力狀態(tài)，該分析方法被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品失效分析。