塑封器件失效机理及其可靠性评估技术

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，能满足如下三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），这些范围比传统的军用温度范围（-55～125 ℃）要窄。但大量的失效案例表明，即使在这三种温度范围内，失效的塑封器件比例依然很高，对失效的器件失效分析表明，外界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。

（1）封装分层。在从室温到极端寒冷环境的热循环过程中，模压复合物与基片或引线框之间的热膨胀系数差异可造成分层和开裂。在极端低温下，由于贮存操作温度和密封温度之间的差异很大，因此导致分层和开裂的应力也非常大。并且，随着塑料在极端低温下耐开裂强度的下降，开裂的可能性也随之增加（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，潮湿对低温下关键基片，即封装材料界面上的分层还会产生加速效应。这种加速

效应可由封装内凝结水汽的冻结和解冻所引起。

（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，可使器件在温度变化的环境里，塑封料在芯片上移动。这种应力对芯片表面结构构成一种剪切力，它首先使芯片上附着力弱的金属化层向芯片中心滑移，造成金属化铝条间开路或短路；也可能造成钝化层或多晶硅层破裂，多层金属化上下层间短路。另外，塑封料在工作温度下会对芯片有一个压应力。温度越低，压应力越大。同时塑封料中加了石英砂填料，以其尖锐的角尖接触芯片，塑封料的压力传递到芯片上，刺破钝化层和金属层造成开路或短路，也会造成IC中的元器件参数变化。

2.4 闩锁或EOS/ESD

因电路闩锁或EOS/ESD损伤，会造成芯片上局部高温区塑料碳化的现象，这是因通过导电塑料的电流旁路过热而引起的。由于这种失效机理使封装剂退化，使其绝缘电阻受到损耗而导电。大电流沿着这条导电通道并通过塑料从电源输送到地线，不断使塑料发热，最终使塑封器件烧毁。 2.5 生产工艺缺陷

（1）芯片粘接缺陷。这些缺陷包括芯片与其基片粘接不良、粘接材料中有空洞，造成热分布不均（局部热点）、芯片剥离或裂纹，此外，空洞还可截留潮气和沾污物。这些缺陷可导致致命失效。

（2）封装缺陷。常见的封装缺陷包括气泡、粘接不良（剥离）、芯片的基片位移和引线弯曲不当。此外，模制化合物含有杂质或沾污物。这些缺陷可造成塑封开裂、金属化层变形、焊头翘起、互连线腐蚀断开、电气开路、短路或中断等等，因而使器件失效；粘接不良（剥离）是由于引线框架表面受到沾污或在键合温度下受到氧化而造成的。其他原因还包括应力消除不足和脱模剂过量等。 （3）钝化层缺陷。钝化层缺陷包括开裂、孔隙和粘接不良。这些缺陷会造成电气开路、中断或漏电流大。 3 塑封器件可靠性评价

对于塑封器件的可靠性评价主要方面是缺陷暴露技术，而缺陷在器件使用前很难通过常规的筛选来发现，一旦器件经过焊接或实际工作时就会显露出来，造成组件的故障。

3.1可靠性试验项目、试验目的及试验方法：

（1）高温反偏试验目的：评定二极管在长时间电应力（电压、电流）和温度应力（包括电负荷造成的温升）作用下的承受能力。质量差的原件在这种条件下较容易失效，以此可判定此批产品性能的优劣，一般二极管采用80%额定击穿电压，125℃环境温度试验判断。工作原理图如下：

（2）电耐久试验目的：评定三极管在长时间电应力（电压、电流）和温度应力（包括电负荷造成的温升）作用下的承受能力。质量差的原件在这种条件下较容易失效，以此可判定此批产品性能的优劣。工作原理图如下：

（3）高温储存试验目的：二、三极管或电路器件长时间高温储存，可通过热应力加快管体的化学、物理反应，使潜在的失效因素提早暴露，从而达到试验目的。 （4）低温储存试验目的：考核器件承受低温而不改变其特性的能力，由于各种材料的收缩率各有不同，如器件长时间处于低温状态会造成应力集中，可能会使其参数发生变化，低温储存试验便是用来考核器件的这些特性。

（5）稳态湿热试验目的：器件在高温高湿情况下，封装结构或材料缺陷处会有潮气和杂质侵入，从而影响器件的电性和结构性能，此试验主要考核器件的密封性能。潮气的入侵是与时间相关的，时间越长，湿度越大，则塑封器件内潮气达到饱和的时间越短。同时这种失效还会受到温度、湿度共同作用的影响，因此采取温度、湿度综合应力，开展加速试验。针对不同的塑封器件，可以制定相应的

试验方案，也可以采用经验值，即85℃，85%RH，500 h进行高温潮热试验。经过稳态湿热试验后的塑封器件经过焊接工艺后取下，进行声学扫描检查，分析其引线框架与封装材料、芯片与封装材料的分层情况，做出此批器件是否通过高温潮热试验的判断。

（6）温度循环试验目的：器件从二个不同温度的储存箱中交替存放很短的时间，考验器件对温度循环的承受能力和器件内部不同材料热膨胀系数的匹配情况。

（7）热冲击试验目的：为了确定器件经受突然暴露到剧烈变化的温度中的能力。

（8）正向浪涌试验目的：测试器件的抗大电流冲击能力。

（9）高压蒸煮试验目的：测试器件的耐热、耐潮湿特性以及其可靠性 （10）可焊性试验目的：测试器件的易焊性 试验方法：

a小球平衡法（适用于贴片封装器件）：

Ⅰ 将一定量的锡球放在测试台上加热熔化，产品置于测试探针的下方，调节产品管脚与锡球在同一垂直面上。

Ⅱ 测试时设备自动将产品压向熔化的锡球，当产品引脚与锡球接触时，测试仪器开始计时

Ⅲ 测量过程中，当引脚与锡球接触并继续插入时，样件会受到浮力作用，随着锡对引脚的逐渐润湿，浮力逐渐被表面张力低消，曲线有负向正变化，当合力为

将器件放入高温试验箱（100℃）中5min 将器件放入低温试验箱（0℃）中5min 将器件放入高温试验箱（150℃）中15min 常温中放置5min 将器件放入低温试验箱（-65℃）中15min 常温中放置5min

零时，记录的时间称为过零时间；测试继续进行，合力值增大，当合力不再随时间而变化时，此时刻的润湿力最大。

Ⅳ 设备继续自动将产品上移，此时样件同样受到向上的浮力及表面张力，合力慢慢减小，当合力减小到零时，记录时间为上升时间。

Ⅴ 过零时间和上升时间越短，说明润湿过程发生越迅速，Fmax越大，说明润湿过程中对引脚的润湿程度越大，沾锡量越多。

Ⅵ 标准：过零时间T0：＜1s 上升时间T：＜3s 安定度Sb：〉0.8 b润湿法：（适用于中大功率器件）： Ⅰ 将温度恒温在255℃±5℃；

Ⅱ 用镊子夹住一端管脚，将测量另一端浸入助焊剂中，浸至管脚与胶体相接处为止，浸泡3秒钟后取出；

Ⅲ 将浸泡过助焊剂的管脚以每秒1cm的速度浸入焊锡槽中，至引线与胶体相连处为止;

Ⅳ 3秒钟后，以每秒1cm之速度垂直取出；

Ⅴ 用酒精将管子清洗干净后，目视管脚，以胶体与管脚交接处1.27mm以外面积需有95%以上附有焊锡为合格，针孔面积≤3%。

（11）耐焊接热试验目的：测试器件在260℃左右的焊接高温下的承受能力。 试验方法：将器件固定夹具上，垂直插入锡槽，锡液面距塑封体1mm，保持10SEC后迅速取出。

（12）MSL湿度敏感性等级试验 试验目的：

鉴别非气密性固态表面贴装器件对潮气产生的应力的敏感度分级，使塑料封装产品可以被正确地包装、贮存和搬运，以免其在回流焊贴装和／或修理操作中引起损伤。 试验流程：

潮气敏感度级别分级表：

失效标准

在试验样品中，如一个或大于一个失效，这种封装形式将被认为预定的试验级别失效。若存在下例任一情况，则认为样品失效： 在40倍光学显微镜下看到外部开裂； ·电性能测试失效；

·贯穿一焊接的金丝、金球压点或楔形压点的内部开裂；

·内部开裂延伸从任意引线脚到其他内部的界面(引线脚、芯片、芯片托板)； ·内部开裂延伸从任意内部的界面到塑封体的外部大于2／3的长度； ·通过裸视，明显的看到塑封体平面的变化是由于翘曲、肿胀或膨胀，如样品仍然满足共平面和下沉尺寸的话，可认为通过。 4 结语

影响塑封器件可靠性的各种失效机理所对应的失效表征可以采用加速试验，使其在短期内的退化等效于长期累积的结果。元器件贮存可靠性的筛选和评价，要求以最充分暴露和检测其各种缺陷和潜在缺陷为目的。高加速应力试验正是缺陷评价、安全工作裕度评价和健壮设计评价的重要方法，在参考EIA和MIL标准的基础上，根据不同塑封器件的产品手册适当加速应力系数范围，采用对比试验可以很好地对缺陷品进行筛选。塑封器件的可靠性评价方法研究是一项长期的工作，本文所论述的可靠性评价方法适用于PEM缺陷的前期筛选，但对于 PEM的长期工作状态可靠性，要通过大量的鉴定试验才能做出判断。

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