摘要：集成電路塑封器件的早期失效一般由設(shè)計或工藝失誤所致，通過常規(guī)電性能檢測和篩選可判別這些失效的器件。而使用期失效則是由于器件的潛在缺陷引起，潛在缺陷的行為與時間和應(yīng)力有關(guān)。分析塑封器件常見失效模式及其機(jī)理，有助工程師在設(shè)計時充分考慮使用環(huán)境的特性，提高塑封器件的可靠性。
自1962年開始出現(xiàn)塑封半導(dǎo)體器件，因其在封裝尺寸、重量和成本等方面的優(yōu)勢性，用戶愈來愈多的采用塑封器件代替原先的金屬、陶瓷封裝器件。但塑封器件在發(fā)展初、中期可靠性水平較低，在80年代之后，隨著高純度、低應(yīng)力的塑封材料的使用，高質(zhì)量的芯片鈍化、芯片粘接、內(nèi)涂覆材料、引線鍵合、加速篩選工藝及自動模制等新工藝技術(shù)的發(fā)展，使得塑封器件的可靠性逐步趕上金屬封裝與陶瓷封裝的器件。
一般塑封器件的失效可分為早期失效和使用期失效，前者多是由設(shè)計或工藝失誤造成的質(zhì)量缺陷所致，可通過常規(guī)電性能檢測和篩選來判別。后者則是由器件的潛在缺陷引起的，潛在缺陷的行為與時間和應(yīng)力有關(guān)，經(jīng)驗表明，受潮、腐蝕、機(jī)械應(yīng)力、電過應(yīng)力和靜電放電等產(chǎn)生的失效占主導(dǎo)地位。
1 失效模式及其機(jī)理分析
塑封器件，就是用塑封料把支撐集成芯片的引線框架、集成芯片和鍵合引線包封起來，從而為集成芯片提供保護(hù)。塑封器件封裝材料主要是環(huán)氧模塑料。環(huán)氧模塑料是以環(huán)氧樹脂為基體樹脂，以酚醛樹脂為固化劑，再加上一些填料，如填充劑、阻燃劑、著色劑、偶聯(lián)劑等微量組分，在熱和固化劑的作用下環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基開環(huán)與酚醛樹脂發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生交聯(lián)固化作用使之成為熱固性塑料。塑封材料不同于陶瓷材料和金屬材料，它是一種高分子復(fù)合材料，其固有的有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)，使其本身存在較高的吸濕性，是一種非氣密性封裝。塑封材料主要失效模式為：開路，短路，參數(shù)漂移，燒毀。由于塑封器件是非氣密性封裝，在封裝方面就存在一些缺點(diǎn)，最主要的缺點(diǎn)就是對潮氣比較敏感。
受潮。塑封材料會從環(huán)境中吸收或吸附水氣，特別是當(dāng)塑封器件處于潮濕環(huán)境時，會吸收或吸附較多的水氣，并且在表面形成一層水膜。受潮是塑封器件的很多失效機(jī)理如腐蝕、爆米花效應(yīng)等的誘因。
腐蝕。對塑封器件而言，濕氣滲入是影響其氣密性導(dǎo)致失效的重要原因之一。濕氣滲入器件主要有兩條途徑：（1）由于樹脂本身的透濕率與吸水性，水氣會直接通過塑封料包封層本體擴(kuò)散到芯片表面；（2）通過塑封料包封層與金屬框架間的間隙，然后再沿著內(nèi)引線與塑封料的封接界面進(jìn)入器件芯片表面。
當(dāng)濕氣通過這兩條途徑到達(dá)芯片表面時，在表面形成一層導(dǎo)電水膜，并將塑封料中的Na+、CL－離子也隨之帶入，在電位差的作為下，會加速對芯片表面鋁布線的電化學(xué)腐蝕，最終導(dǎo)致電路內(nèi)引線開路。隨著電路集成度的不斷提高，鋁布線越來越細(xì)，因此，鋁布線腐蝕對器件壽命的影響就越發(fā)嚴(yán)重。
其腐蝕機(jī)理均可歸結(jié)為鋁與離子沾污物的化學(xué)反應(yīng)：由于水汽的浸入，加速了水解物質(zhì)（Na+、CL－）從樹脂中的離解，同時也加速芯片表面鈍化膜磷硅玻璃離解出(PO4)3－。腐蝕過程中離解出的物質(zhì)由于其物理特性改變，例如脆性增加、接觸電阻值增加、熱膨脹系數(shù)發(fā)生變化等，在器件使用或貯存過程中隨著溫度及加載電壓的變化，會表現(xiàn)出電參數(shù)漂移、漏電流過大，甚至短路或開路等失效模式，且有些失效模式不穩(wěn)定，在一定條件下有可能恢復(fù)部分器件功能，但是只要發(fā)生了腐蝕，對器件的長期可靠性將埋下隱患。
爆米花效應(yīng)。隨著SOP、PLCC、PQFP、BGA等表面安裝封裝技術(shù)的發(fā)展，由于塑封體吸濕性引起的開裂問題已越來越突出。塑封體通過擴(kuò)散吸收水分最終會使封裝體與周圍環(huán)境在一定的溫度和濕度條件下達(dá)到一種平衡狀態(tài)。此時，該塑封體放入回流爐內(nèi)加熱回流焊，塑封體內(nèi)的水分在高溫下變成氣體，形成飽和水蒸氣，隨著蒸氣量的增加，在封裝體內(nèi)產(chǎn)生蒸氣壓，當(dāng)壓力達(dá)到一定的程度，為釋放壓力，在應(yīng)力集中薄弱處就產(chǎn)生裂紋，塑封體從內(nèi)部開始產(chǎn)生裂紋，引起分層剝離和開裂現(xiàn)象，俗稱“爆米花”效應(yīng)。如圖1所示為一過回流焊后表面出現(xiàn)鼓起的芯片。
在塑封器件中，塑封層與芯片、塑封層與基板（功率器件的散熱器、單片IC 的芯片支架、多心芯片或BGA 封裝形式的PCB 板等）之間的界面容易出現(xiàn)分層的現(xiàn)象(圖2)。因為塑封層與其他材料之間的界面屬于粘合結(jié)構(gòu)，界面的兩種材料通過分子之間的作用力結(jié)合在一起，而不是兩種材料互溶、互擴(kuò)散、形成化合物的過程。
塑料封裝器件塑封層與其他材料之間的界面出現(xiàn)分層現(xiàn)象，可引起器件性能下降、甚至失效。如：分層發(fā)生在塑封層與芯片的界面，一方面，可引起芯片的鍵合引線由于機(jī)械拉伸，鍵合引線（包括內(nèi)、外鍵合點(diǎn)）翹起、鍵合接頭開裂和鍵合引線斷開等機(jī)械損傷而導(dǎo)致連接電阻增大或開路；另一方面，可引起芯片表面鈍化層損傷，導(dǎo)致芯片漏電增加、擊穿電壓下降、金屬化條斷裂等；再者，塑封層與芯片界面的分層，會給水分和污染物的侵入提供通道，從而影響長期可靠性。
塑封器件塑封層與其他材料界面一旦發(fā)生分層現(xiàn)象，即使分層面積小，但在器件使用過程中，由于熱變應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力的作用，分層不斷擴(kuò)展，隨著分層面積的增大，最終導(dǎo)致器件失效。
2 EOS/ESD
過電應(yīng)力（Electrical Over Stress，EOS）是指元器件承受的電流或電壓應(yīng)力超過其允許的最大范圍。EOS來源于對器件引腳施加持續(xù)的較大電壓或電流應(yīng)力，時間長短和電流大小決定著對器件施加能量的高低。通常情況下使EOS 發(fā)生的電應(yīng)力要持續(xù)1ms以上，但 μｓ量級的電應(yīng)力也能造成過電力現(xiàn)象的產(chǎn)生。EOS造成的損傷主要表現(xiàn)為元器件性能嚴(yán)重劣化或功能失效。器件受EOS損傷會在局部形成熱點(diǎn)，當(dāng)局部熱點(diǎn)溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)時使材料熔化，形成開路或短路，導(dǎo)致器件燒毀。
靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD）是指處于不同靜電電位的兩個物體間的靜電電荷的轉(zhuǎn)移。這種轉(zhuǎn)移的方式有多種，如接觸放電、空氣放電。靜電放電（ESD）引發(fā)的失效(圖3)可分為突發(fā)性失效和潛在性失效兩種，突發(fā)性失效是指器件受到靜電放電損傷后，突然完全喪失其規(guī)定的功能，主要表現(xiàn)為開路、短路或參數(shù)嚴(yán)重漂移；潛在性失效是指靜電放電能量較低，僅在器件內(nèi)部造成輕微損傷，電參數(shù)仍然合格或略微變化，但其抗過電應(yīng)力能力已明顯削弱，這樣隨著它的繼續(xù)使用將逐步導(dǎo)致失效。
由ESD導(dǎo)致器件的失效通常情況下被認(rèn)為是EOS失效的一個分支。因為兩者具有相似的電性失效模式和物理失效特征。關(guān)鍵是區(qū)分對于導(dǎo)致ESD和EOS失效所施加應(yīng)力的臨界點(diǎn)。對于塑封器件，電路EOS/ESD損傷, 通過導(dǎo)電塑料的電流旁路過熱，從而造成芯片上局部高溫區(qū)塑料碳化的現(xiàn)象。這種失效機(jī)理使封裝劑退化，使其絕緣電阻受到損耗而導(dǎo)電。大電流沿著這條導(dǎo)電通道并通過塑料從電源輸送到地線，不斷使塑料發(fā)熱，最終使塑封器件燒毀。
3 機(jī)械應(yīng)力作用
由于模塑料、芯片、金屬框架的線膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，對器件密封性有著不可忽視的影響。因為模塑料膨脹系數(shù)（20-26E-6/℃）較芯片、框架（-16E-6/℃）大，在注模成型冷卻或在器件使用環(huán)境的溫差較大時，有可能導(dǎo)致塑封料在芯片上移動。這種應(yīng)力對芯片表面結(jié)構(gòu)構(gòu)成一種剪切力，它首先使芯片上附著力弱的金屬化層向芯片中心滑移，造成金屬化鋁條間開路或短路；也可能造成鈍化層或多晶硅層破裂，多層金屬化上下層間短路。另外，塑封料在工作溫度下會對芯片有一個壓應(yīng)力。溫度越低，壓應(yīng)力越大。同時塑封料中加了石英砂填料，以其尖銳的角尖接觸芯片，塑封料的壓力傳遞到芯片上，刺破鈍化層和金屬層造成開路或短路，也會造成器件參數(shù)變化。
4 生產(chǎn)工藝缺陷
塑封成形缺陷。造成塑封器件失效的原因有許多，許多都是與封裝工藝、封裝材料等有關(guān)。塑料成形缺陷主要有：塑封材料未充填完整、氣孔、麻點(diǎn)(表面多孔)、沖絲、小島移動、開裂、溢料等。塑封料在注塑成形時呈熔融狀態(tài)，是有黏度的運(yùn)動流體，因此具有一定的沖力。沖力作用在金絲上，使金絲產(chǎn)生偏移，極端情況下金絲沖斷，就是所謂的沖絲。沖絲缺陷涉及到鍵合和塑封兩個工序，產(chǎn)生的原因有很多，如塑料黏度過大、金絲過長、塑封料桶中氣體過多等。
芯片粘接缺陷。這些缺陷包括芯片與其基片粘接不良、粘接材料中有空洞，芯片表面有沾污（圖4），造成熱分布不均（局部熱點(diǎn)）、芯片剝離或裂紋，此外，空洞還可截留潮氣和沾污物。這些缺陷可導(dǎo)致致命失效。
鈍化層缺陷。鈍化層缺陷包括開裂、孔隙和粘接不良。這些缺陷會造成電氣開路、中斷或漏電流大。在設(shè)計芯片焊盤鈍化層時，一方面要考慮到不影響鍵合的質(zhì)量，另一方面也要注意提高集成電路焊盤抗水氣腐蝕的能力。
封裝缺陷。常見的封裝缺陷包括氣泡、粘接不良（剝離）、芯片的基片位移和引線彎曲不當(dāng)。此外，模制化合物含有雜質(zhì)或沾污物。這些缺陷可造成塑封開裂、金屬化層變形、焊頭翹起、互連線腐蝕斷開、電氣開路、短路或中斷等等，因而使器件失效；粘接不良（剝離）是由于引線框架表面受到沾污或在鍵合溫度下受到氧化而造成的。其他原因還包括應(yīng)力消除不足和脫模劑過量等。
5 結(jié)語
提高塑封器件的可靠性是一項系統(tǒng)工程，其取決于固有設(shè)計、制造過程、工作條件。在設(shè)計時應(yīng)當(dāng)充分考慮使用環(huán)境的特性。在封裝過程中，除了應(yīng)加大工藝控制，如減少封裝體內(nèi)水汽含量，減小金屬框架對封裝的影響外，對塑封料的選擇也是非常關(guān)鍵的。同時在塑封器件運(yùn)輸、裝卸、存貯等過程中，必須采取一定的保護(hù)措施，如必要的防潮保護(hù)(防潮氣侵入)、物理損傷保護(hù)(以免引線彎曲或斷裂)、防靜電放電保護(hù)等。
