塑封器件失效机理及其可靠性评估技术.pdfVIP

塑封器件失效机理及其可靠性评估技术 1 引言 塑封器件是指以树脂类聚合物为材料封装的半导体器件，其固有的特点限制 了塑封器件在卫星、军事等一些高可靠性场合的使用。虽然自 70 年代以来，大 大改进了封装材料、 芯片钝化和生产工艺， 使塑封器件的可靠性得到很大的提高， 但仍存在着许多问题。 这些潜在的问题无法通过普通的筛选来剔除， 因此，要研 究合适的方法对塑封器件的可靠性加以评定。 2 失效模式及其机理分析 塑封器件在没有安装到电路板上使用前，潮气很容易入侵，这是由于水汽渗 透进树脂而产生的， 而且水汽渗透的速度与温度有关。 塑封器件的许多失效机理， 如腐蚀、爆米花效应等都可归结为潮气入侵。 2.1 腐蚀 潮气主要是通过塑封料与外引线框架界面进入加工好的塑封器件管壳，然后 再沿着内引线与塑封料的封接界面进入器件芯片表面。 同时由于树脂本身的透湿 率与吸水性， 也会导致水汽直接通过塑封料扩散到芯片表面。 吸入的潮气中， 如 果带有较多的离子沾污物， 就会使芯片的键合区发生腐蚀。 如果芯片表面的钝化 层存在缺陷， 则潮气会侵入到芯片的金属化层。 无论是键合区的腐蚀还是金属化 层的腐蚀， 其机理均可归结为铝与离子沾污物的化学反应： 由于水汽的浸入， 加 速了水解物质（ Cl - ，Na+）从树脂中的离解，同时也加速了芯片表面钝化膜磷 硅玻璃离解出 (PO4)3- 。 （1）在有氯离子的酸性环境中反应 2Al ±6HCl→2AlCl3 ±3H 2 Al+3Cl →AlCl3+3e- AlCl3 →Al(OH)2 +HCl （2）在有钠离子的碱性环境中反应 2Al+2NaOH+2H2O→2NaAlO 2+3H2 Al+3(OH)- →Al(OH)3+3e- 2Al(OH)3 →Al2 O3+3H2O 腐蚀过程中离解出的物质由于其物理特性改变， 例如脆性增加、 接触电阻值增 .. 加、热膨胀系数发生变化等， 在器件使用或贮存过程中随着温度及加载电压的变 化，会表现出电参数漂移、漏电流过大，甚至短路或开路等失效模式，且有些失 效模式不稳定，在一定条件下有可能恢复部分器件功能，但是只要发生了腐蚀， 对器件的长期使用可靠性将埋下隐患。 2.2 爆米花效应 塑封器件在焊接期间传导到器件上的热有三种来源： 红外回流焊加热、 气相回流 焊加热和波峰焊加热。红外加热的峰值温度是 235～240 ℃，时间 10 s ；气相加 热温度 215±5 ℃，40 s ；波峰焊加热温度 260 ±5 ℃，5 s 。在器件受热过程中， 由于管壳中所吸附的水分快速汽化，内部水汽压力过大，使模制材料 ( 环氧树脂 化合物 ) 膨胀，出现分层剥离和开裂现象，俗称“爆米花”效应。管壳开裂既可 在膨胀过程中出现， 也可在冷却和收缩到其正常尺寸过程中发生。 这些裂缝会给 水分和污染物的侵入提供通道， 从而影响长期可靠性， 而且在模制材料膨胀过程 中，内部产生的剪切应力会影响焊线的完好性， 特别是在芯片角应力最大时， 会 导致键合线翘起、 键合接头开裂和键合引线断开， 引起电失效。 这一现象与焊接 过程的温度变化范围、 封装水分含量、 封装尺寸和模压材料粘合力有关。 这种效 应在大管脚数的塑封器件上更为强烈。 2.3 低温 / 温冲失效 通常由元器件生产厂商提供的塑封器件对温度要求不高，