空封集成電路封裝失效案例解析

范士海，馮慧

（航天科工防御技術(shù)研究試驗中心，北京 100854）

引言

集成電路是電子設(shè)備的核心和關(guān)鍵器件，是數(shù)據(jù)和信息處理的中樞。集成電路失效會造成整個電子設(shè)備致命失效。電子設(shè)備的可靠性在很大程度上取決于所用集成電路的可靠性。據(jù)統(tǒng)計，半導(dǎo)體器件（主要是集成電路）失效占整個元器件失效的一半以上[1]。而且隨著系統(tǒng)集成化、小型化程度的不斷提升，電子設(shè)備中所用的阻容感和分立器件所占的比例不斷降低，這一比例還有不斷上升的趨勢。鑒于此，關(guān)注集成電路的失效，通過失效分析找出集成電路的失效的根本原因，有針對性的采取改進措施，對提高集成電路的可靠性，進而提高整個電子設(shè)備的可靠性具有非常重要的意義。

集成電路按內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為單片集成電路和混合集成電路；按封裝材料又可分為陶瓷封裝、金屬封裝和塑料封裝等。其中陶瓷封裝和金屬封裝屬有腔體的封裝，即為空封器件；而塑料封裝屬無腔體封裝。作者在之前的文章中，對混合集成電路失效模式和機理進行過專門探討[2]，本文主要關(guān)注的是單片集成電路。另外塑封集成電路由于其封裝的特殊性，使得它具有了一些不同于常規(guī)空封集成電路的失效模式及失效機理，本文作者在之前的文章中也做過專門探討[3]，因此本文主要關(guān)注單片空封集成電路。

1 空封集成電路封裝失效案例

單片空封集成電路整體結(jié)構(gòu)可分為兩大部分：芯片和封裝。也就是說，除芯片外，其余部分都是封裝，包括鍵合、芯片焊接/粘接、管殼等。單片集成電路的封裝失效可能涉及的主體也就包括器件鍵合、芯片焊接/粘接、管殼等，下面通過具體的案例進行詳細討論。

1.1 管殼標記打反

某型穩(wěn)壓器是國內(nèi)某單位生產(chǎn)的產(chǎn)品。整機單位在完成焊接后進行組合級調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)2.5 V電源電平不正常，進而排查發(fā)現(xiàn)一只該型穩(wěn)壓器輸出異常。

對失效器件進行外觀檢查，器件外觀型號標識完整清晰，未見明顯異常。

利用微焦點X射線檢測儀對失效器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行檢查，未見明顯異常。失效器件PIND及密封檢測均為合格。

采用QT2晶體管圖示儀對失效器件管腳間I-V特性進行測試，測試各端口對地的I-V特性；與參考件相比存在明顯差異。但如果將器件管腳標記旋轉(zhuǎn)180 °（Pin 6-10變?yōu)镻in 1-5, Pin 1-5變?yōu)镻in 6-10），則失效件與參考件的I-V特性相同。

采用機械方法啟封器件，置于顯微鏡下觀察，器件內(nèi)部鍵合及芯片粘接未見明顯異常（如圖1所示）；采用金相顯微鏡對芯片進行微觀檢查，芯片表面未見明顯的擊穿燒毀及其它異?，F(xiàn)象，但與合格參考件比對（參考件內(nèi)部鍵合與器件手冊管腳定義相符），失效件外部標記與內(nèi)部芯片安裝方向相反（如圖1所示）；所以，該失效件裝機后輸出異常是由于器件打標記時方向標反所致。

圖1 器件內(nèi)部形貌

1.2 鍵合失效

鍵合起著芯片和外管腳的電連接作用，鍵合失效將導(dǎo)致器件的致命失效。所以鍵合工序在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過程中屬關(guān)鍵工序。由于鍵合起著電連接作用，鍵合失效模式即為開路（包括接觸電阻增大）和短路，下面介紹具體案例。

某型低壓差線性穩(wěn)壓器為國內(nèi)某廠生產(chǎn)產(chǎn)品。使用單位在整機篩選振動試驗中，發(fā)現(xiàn)整機功能異常，經(jīng)定位1只該型號器件失效，失效現(xiàn)象為輸出電壓異常。

采用體視顯微鏡對器件進行外觀觀察，可見：失效件外部標識完整清晰，未見其他明顯異常。對器件進行粒子碰撞噪聲檢測（PIND）及氣密性檢查，結(jié)果均為合格。

常溫下按照器件手冊對失效器件進行功能測試，結(jié)果為器件功能失效。采用X射線檢測儀對器件進行檢查，結(jié)果表明：輸入端一根鍵合絲疑似斷裂，其它未見明顯異常（如圖2所示）。

圖2 X射線檢查形貌

采用機械方法對器件開封，暴露器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)。經(jīng)體視顯微鏡觀察，可見輸入端（Pin2）一根鍵合引線自球形鍵合頸部斷裂，如圖3所示。采用掃描電子顯微鏡觀察斷口形貌，可見斷裂面呈圓形，有一定傾斜角度，斷口裂紋起源于鍵合絲外壁，有非軸向拉伸變形痕跡，如圖4所示。其它鍵合引線球形鍵合頸部未見明顯異常。采用金相顯微鏡對芯片進行觀察，芯片表面未見明顯擊穿燒毀現(xiàn)象。

圖3 輸入端（Pin2）鍵合絲斷裂形貌

圖4 失效鍵合引線斷口SEM形貌

斷裂鍵合絲兩鍵合點直線距離為5.83 mm，鍵合絲直徑為25 μm。鍵合絲長徑比以小于100倍為最佳，最大不宜超過200倍。該鍵合絲長徑比偏大；在振動應(yīng)力作用下自其薄弱部位（球形鍵合頸部）斷裂。

某型運算放大器是國內(nèi)某單位生產(chǎn)的“七專級”器件。器件電裝涂覆后，單板進行溫度沖擊試驗，之后進行常溫測試，隨后升級裝配為分組件后，再次進行常溫測試出現(xiàn)故障。

用體視顯微鏡對器件進行外觀檢查，未見明顯異常；PIND及密封檢查合格。用模擬電路綜合測試系統(tǒng)對器件進行常溫電性能測試，結(jié)果為第2路運放功能失效。用QT2晶體管圖示儀對器件管腳間電性能進行測試，明顯的異?，F(xiàn)象為：OUT2端口（Pin7）與其它端口間呈開路特性。

用機械方法啟封器件，置于顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)器件內(nèi)部對應(yīng)于OUT2端口（Pin7）的內(nèi)部鍵合在管腳鍵合點處斷開（如圖5所示）。斷開部位位于殘留鍵合的根部，鍵合絲斷開部位及下方鍵合焊盤存在明顯壓痕；鍵合絲也存在塌絲及偏移現(xiàn)象（如圖5所示）。芯片表面未見明顯的擊穿燒毀及其它異?，F(xiàn)象，器件內(nèi)部芯片粘接未發(fā)現(xiàn)存在明顯的工藝缺陷。

圖5 器件管腳7內(nèi)鍵合形貌

顯然器件失效是由于OUT2端口（Pin7）在外鍵合點處斷開，造成該端口開路所致。而鍵合點斷開與鍵合操作時該部位受到嚴重損傷有關(guān)。

某精密基準電路是國內(nèi)某廠生產(chǎn)的器件，整機所在進行試驗時，發(fā)現(xiàn)該器件輸出對地短路失效。

用體視顯微鏡對失效件外觀進行檢查，未見明顯異常，對器件進行PIND和密封檢測，結(jié)果為合格。對器件進行三溫電性能測試，結(jié)果為合格，未發(fā)現(xiàn)短路或參數(shù)退化等失效現(xiàn)象。

采用微焦點X射線顯微鏡對器件進行檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部鍵合絲形狀不規(guī)則，且存在跨接現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 器件X射線形貌

采用機械方法啟封器件，置于顯微鏡下觀察，結(jié)果為：器件內(nèi)部與輸出端（OUT）相連的鍵合絲與另外一根與管殼（GND）相連的鍵合絲有距離過近的現(xiàn)象，如圖7所示；對器件進行輕微振動，并采用萬用表對輸出端（OUT）與地端（GND）進行導(dǎo)通狀態(tài)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在振動條件下，器件的輸出端與地端存在短路現(xiàn)象。用顯微鏡對器件內(nèi)部芯片進行檢查，未見明顯異常。

圖7 器件內(nèi)部內(nèi)引線形貌

根據(jù)以上的檢測結(jié)果，分析得出：由于器件內(nèi)部兩根鍵合絲走向交叉，距離過近，導(dǎo)致在振動條件下，兩根鍵合絲搭接短路失效。

1.3 封裝失效

空封器件一般屬于氣密性封裝器件，若封裝管殼氣密性失效，或腔體內(nèi)部氣氛水汽含量高并有腐蝕性元素，就會造成鍵合點腐蝕、銹蝕而開路失效。

某視頻放大器電路是國內(nèi)某廠生產(chǎn)的“七專級”產(chǎn)品。整機研制單位在本所進行測試時，發(fā)現(xiàn)一只該型號集成電路失效。

對失效器件進行常溫測試，結(jié)果為器件功能失效。用晶體管圖示儀對失效器件進行測試，結(jié)果為VCC端口（管腳7）與其他端口間呈開路特性。

啟封器件后，置于體視顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)器件內(nèi)部VCC端口管腳鍵合點上有腐蝕物存在，在發(fā)生腐蝕的部位鍵合發(fā)生開路，如圖8所示。對腐蝕物進行掃描電鏡能譜分析，發(fā)現(xiàn)含有Al、Cl等元素，掃描電鏡能譜分析圖顯示該物質(zhì)含有腐蝕性的Cl元素。所以器件失效是由內(nèi)部VCC端口管腳鍵合點受到腐蝕而開路造成的。

圖8 外鍵合腐蝕部位形貌

某型三極管陣列器件是國外某公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。整機單位在進行試驗時，整機出現(xiàn)故障，故障定位于該器件失效。

對器件進行測試，結(jié)果為功能失效。用晶體管圖示儀測試，管腳15、管腳14和管腳6對地開路。

用體視鏡對失效器件外觀進行觀察，未發(fā)現(xiàn)明顯異常。啟封器件，置于顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)器件內(nèi)部多個內(nèi)外鍵合區(qū)域及芯片表面金屬化層有明顯的銹蝕現(xiàn)象。其中管腳14的內(nèi)、外鍵合區(qū)、管腳15內(nèi)鍵合區(qū)銹蝕嚴重；管腳6外鍵合區(qū)有腐蝕現(xiàn)象，如9圖所示。對管腳6外鍵合區(qū)域進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)有腐蝕性元素Cl。

器件失效由于器件內(nèi)部鍵合區(qū)及芯片表面金屬化層發(fā)生銹蝕或腐蝕，導(dǎo)致部分管腳與內(nèi)部芯片電路電連接失效所致。

1.4 芯片安裝失效

芯片一般是通過焊接或粘接方式與管殼固定在一起的。芯片焊接采用的是合金焊料，最常用的是錫鉛焊料。芯片粘接最常用的材料是銀漿，也有采用有機環(huán)氧材料粘接的。除以上兩種方式外，還有用低溫熔融玻璃料粘接芯片的。芯片安裝除了起到機械固定芯片的作用外，還有散熱和電連接的作用。芯片安裝失效情況包括，因芯片安裝應(yīng)力導(dǎo)致芯片碎裂，或者因芯片散熱不均勻引起的熱應(yīng)力造成芯片開裂，還有可能造成芯片因散熱不良出現(xiàn)熱保護。

某型總線接口電路是國外某公司產(chǎn)品。據(jù)委托方介紹，裝配完成后，整機進行試驗時，10臺機器使用30片該器件，有16片出現(xiàn)失效。委托方送樣2只失效件進行分析（編號為1#、2#）。

用體視顯微鏡對兩只失效器件進行外觀觀察，可見：器件外表面標識清楚，封裝殼體及引腳未見明顯異常。

圖9 失效器件內(nèi)部形貌

使用X射線檢查失效器件的內(nèi)部狀態(tài)，器件內(nèi)部芯片焊接區(qū)存在較多空洞，1#器件空洞集中于中間大部分區(qū)域，且焊料密度分布不均（圖中灰度差異明顯）；2#器件一側(cè)邊沒有焊料，其余焊接區(qū)存在較多空洞及焊料不均現(xiàn)象，如圖10所示。

圖10 失效器件X射線圖

為了確定器件的失效狀態(tài)，使用晶體管圖示儀測試各引腳對VDD及GND的I-V曲線，兩只器件的I-V曲線一致，未見明顯差異。

對失效器件進行PIND和密封性檢測，測試結(jié)果為合格。

采用機械法將失效器件進行開封，暴露出內(nèi)部結(jié)構(gòu)：內(nèi)部鍵合未見明顯異常，芯片表面未見明顯擊穿燒毀痕跡，但1#和2#器件芯片表面均可見細微的長裂紋，裂紋位置不固定，基本位于焊接缺陷區(qū)與正常區(qū)結(jié)合處，如圖11所示。

圖11 失效器件內(nèi)部及芯片表面形貌

選取1#器件從背面進行研磨，觀察芯片背面也存在裂紋，與正面裂紋位置一致，為貫穿性裂紋。

顯然，器件失效是由于內(nèi)部芯片焊接工藝不良，焊接區(qū)存在較多空洞及焊料不均勻現(xiàn)象，造成芯片應(yīng)力分布不均，早期可能產(chǎn)生微裂紋，使用過程中溫度應(yīng)力（如回流焊使器件芯片整體均勻加熱，熱應(yīng)力影響大于手工焊）誘發(fā)芯片裂紋擴展致功能失效。

某型穩(wěn)壓器是國內(nèi)某廠生產(chǎn)的器件，質(zhì)量等級為“G”級。整機所進行試驗時，發(fā)現(xiàn)1只該型號穩(wěn)壓器失效（帶載能力下降）。

對失效器件進行外觀檢查，未見明顯異常。X射線檢查器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)未見明顯異常。對失效器件進行PIND及氣密性檢測，結(jié)果為合格。

依據(jù)器件手冊，對失效器件進行三溫（-55 ℃、常溫、+125 ℃）電性能測試，結(jié)果為合格。對器件進行加電帶載試驗，器件輸入電壓為8 V，輸出帶電子負載，電子負載從0 A逐漸升高，低溫-55 ℃時，電子負載升至1.8 A，輸出電壓跳變至0 V；常溫下，電子負載升至1.4 A，輸出電壓跳變至0 V；高溫65 ℃時，電子負載升至0.8 A，輸出電壓跳變至0 V。而合格器件的帶載能力可達3 A。

采用機械方法啟封器件，置于顯微鏡下觀察，器件內(nèi)部鍵合未見明顯異常，芯片表面未見明顯的擊穿燒毀及其它異?，F(xiàn)象。但芯片與管殼間粘接分離，存在縫隙，如圖12所示。由此推斷，器件失效是由于芯片與管殼間粘接分離，導(dǎo)致芯片散熱不良，帶載試驗時發(fā)生熱保護而失效。

圖12 芯片與管殼間粘接分離形貌

某型比較器電路是國外某公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。該集成電路在進行篩選常溫初測時，發(fā)現(xiàn)5只該批次的器件功能失效。

采用機械方法啟封器件，置于顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)5只器件內(nèi)部芯片均采用低溫玻璃料粘接。芯片粘接材料脫落，芯片與底座脫粘；鍵合絲受損變形；芯片存在不同程度的開裂現(xiàn)象（如圖13）。顯然器件失效由于芯片粘接存在工藝缺陷，導(dǎo)致芯片承受較大應(yīng)力，造成芯片粘接失效、芯片碎裂造成的。鑒于5只器件失效均是工藝缺陷所致，故判為批次性問題。由于低溫玻璃料粘接容易對芯片產(chǎn)生較大應(yīng)力，目前采用此種粘接工藝的已經(jīng)越來越少了。

圖13 失效器件內(nèi)部形貌

2 結(jié)束語

集成電路的制造過程從大的方面講包括芯片的制造過程和器件封裝過程，即通常所謂的前道工序和后道工序。封裝過程包括劃片、芯片安裝、鍵合、封帽和打標記。封裝失效指與上述過程有關(guān)的器件失效。本文所介紹案例也都涉及到上述工藝過程。另一方面，由于集成電路前道工序的對生產(chǎn)設(shè)備和工藝環(huán)境要求較高，進入的門檻較高，生產(chǎn)廠家質(zhì)量控制較嚴，使得芯片本身出現(xiàn)質(zhì)量問題的概率較小。但后道工序?qū)ιa(chǎn)設(shè)備和工藝環(huán)境要求較低，進入的門檻較低，生產(chǎn)廠家的質(zhì)量控制效果良莠不齊，導(dǎo)致封裝失效在器件本質(zhì)失效中所占的比例非常高。關(guān)注集成電路的封裝失效，分析其失效機理，找到其失效原因，對提高集成電路的可靠性意義重大。