热膨胀系数不匹配导致的塑封器件失效

1 引言

　　塑封器件是指用塑料等树脂类聚合物材料封装的半导体器件。由于树脂类材料固有的特点，限制了塑封器件在卫星、军事等一些高可靠性场合的使用［1］。虽然自20世纪70年代以来，封装材料、芯片钝化和生产工艺得到了极大的改进，塑封器件的可靠性也随之提高，但仍存在许多可靠性问题。这些可靠性问题大致可以分为：塑封材料固有的密封问题导致的腐蚀失效、爆米花失效等；生产工艺问题导致的芯片粘接缺陷、封装缺陷以及钝化层缺陷等［2］；由于塑封材料与芯片之问的热膨胀系数（CTE）不匹配导致的低温/温冲失效。本文主要讨论最后一种缺陷。

　　2 CTE不匹配导致的失效及其机理分析

　　通常由元器件生产厂商提供的塑封器件对温度的要求不高，能满足如下3种温度范围的要求即可：0℃-70℃（商业温度）、-40℃～+85℃（工业温度）、-40℃～+125℃（汽车温度）。大量的失效案例表明［3］，在以上3种温度范围内，器件失效的比例很高。对失效器件的分析表明，外界的温度冲击或低温环境造成的塑封材料对芯片的应力是主要机理。

　　2．1封装分层

　　在从室温到极端寒冷环境的温度循环过程中，模压复合物与基片或引线框之间的热膨胀系数（CTE）差异会造成分层和开裂。在极端低温下，由于与贮存温度和包封温度之间的差很大，可能会导致模压复合物与基片或引线框之间分层和开裂。并且，随着极端低温的下降，开裂的可能性还会随之增加（封装经过-55℃～+125℃的热循环时，引线框尖锐边缘处就会出现开

　　裂和分层）。另外，潮气会使低温下基片与封装材料界面上的分层加速。这种加速是由封装内凝结水汽的冻结所引起。

　　2．2对芯片的机械应力

　　由于塑封料和硅的线性热膨胀系数相差一个数量级（塑封料≈25×10-6℃-1，硅≈2．3×10-6℃-1，当温度变化时，它们的尺寸变化相差会较大。例如，对角线为1cm的芯片，温度每变化1℃，芯片对角线的长度可变化2．3×10-2μm；变化100℃，长度可变化2．3μm。而同样长度的塑封料每变化1℃，其长度将变化25×10-2μm；温度变化100℃，其长度将变化25μm。如果塑封料与芯片表面是分离的，塑封料将会在芯片表面移动，它的最大位移量将会大于11．35μm。然而在一般情况下，塑封料是黏附在芯片表面的，它不可能在芯片表面移动（但存在这种趋势）。于是，在芯片和塑封料界面就会存在剪切应力。这个力可能会使芯片上附着力弱的金属化层产生滑移（温度升高，向芯片边缘滑移；温度降低，向芯片中

　　心滑移），造成金属条间短路或开路；也可能会使钝化层或多晶硅层破裂，造成多层金属化层间短路。

　　另外，在电路封装中，塑封料的固化温度通常都高于150℃。当器件在0℃～70℃范围时，塑封料对芯片表面有一个压应力。温度越低，压应力越大。还有，在电路封装使用的塑封料中都添加有一定量的石英砂（以减小塑封料的热膨胀系数）。如果使用的石英砂没有经过倒角处理，塑封料的压应力会使接触到芯片表面的石英砂的尖角刺破钝化层和金属化层，造成开路或短路，或造成IC的参数变化。一般要求石英颗粒少于2μm或表面涂2μm厚的聚酰亚胺可缓冲这种失效。

　　然而即使芯片表面有聚酰亚胺膜的保护，可以减缓一定的热膨胀应力冲击，但由于塑封料和硅的线性热膨胀系数相差非常大，在器件经受热变应力（再流焊、高低温冲击）时，塑封材料与芯片之间的热不匹配所产生的应力仍然是一个不可忽视的因素，虽然失效的几率很小。

　　3 失效分析实例

　　3．1 塑封料与芯片间的剪切应力导致层间介质损伤

　　失效的样品为QFP封装的VLSI，经历过多次高低温循环后在低温工作时出现故障。分析过程分为开封前检查和开封后观察两个阶段。

　　开封前，对样品进行了外目检、X射线、声学扫描等项同的检查，没有发现器件外封装破损，内引线断裂，内部结构分层等现象。开封后，用金相显微镜观察芯片表面，芯片表面有多处损伤，去除掉芯片表面的钝化层后再观察，在芯片的角部区域发现有损伤，如图1、图2所示。这种损伤会导致芯片的多层布线层间介质损伤而漏电，造成器件失效。

　　3.2石英砂填充料使芯片表面破损

　　分析的样品在低温和高温工作时各有器件失效，开封前的检查仍然没有发现问题。开封后失效的样品芯片表面都发现有大量凹坑，判断为塑封材料中尖锐的石英砂压迫芯片表面形成。

　　低温下，塑封料对芯片的压应力会通过石英砂传递到芯片表面。如果塑封料中填充的石英砂棱角圆滑，就不会刺伤芯片表面。但此批样品的失效分析表明，正是由于石英砂存在尖锐的尖角，在压应力过程中刺伤金属化布线和钝化层，导致金属化布线间短路或开路。

　　4 评价方法

　　对于塑封器件的可靠性评价主要是缺陷暴露技术，而缺陷在器件使用前是很难通过常规的筛选来发现的。一旦器件经过焊接或实际工作时就会显露出来。采用高加速应力试验可以暴露各种缺陷，从而可剔除早期失效产品。

　　Hughes公司指出温度冲击和随机振动是考核元器件非T作状态可靠性的最有效的高加速应力方法。统计分析表明，温度冲击能够暴露元器件2／3的潜在缺陷。而对于温变应力敏感的塑封器件，可以通过选择合适的温变参数（参照产品的使用等级）进行评价［4］。参考MIL883E以及结合经验参数，可以采用负温3 0 m i n，正温30min，大于1 00个冲击的试验方案。

　　温度冲击试验后，除了进行声学扫描检查界面分层情况外，还要进行X射线检查外引脚与芯片键合区的金线完整情况；最后要将器件开封，观察芯片表面是否有裂纹、钝化层表面是否有较多的划伤，做出此批器件是否通过温度冲击试验的判断。