熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的塑封器件失效
1 引言
塑封器件是指用塑料等樹脂類聚合物材料封裝的半導(dǎo)體器件。由于樹脂類材料固有的特點,限制了塑封器件在衛(wèi)星、軍事等一些高可靠性場合的使用[1]。雖然自20世紀(jì)70年代以來,封裝材料、芯片鈍化和生產(chǎn)工藝得到了極大的改進,塑封器件的可靠性也隨之提高,但仍存在許多可靠性問題。這些可靠性問題大致可以分為:塑封材料固有的密封問題導(dǎo)致的腐蝕失效、爆米花失效等;生產(chǎn)工藝問題導(dǎo)致的芯片粘接缺陷、封裝缺陷以及鈍化層缺陷等[2];由于塑封材料與芯片之問的熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配導(dǎo)致的低溫/溫沖失效。本文主要討論最后一種缺陷。
2 CTE不匹配導(dǎo)致的失效及其機理分析
通常由元器件生產(chǎn)廠商提供的塑封器件對溫度的要求不高,能滿足如下3種溫度范圍的要求即可:0℃-70℃(商業(yè)溫度)、-40℃~+85℃(工業(yè)溫度)、-40℃~+125℃(汽車溫度)。大量的失效案例表明[3],在以上3種溫度范圍內(nèi),器件失效的比例很高。對失效器件的分析表明,外界的溫度沖擊或低溫環(huán)境造成的塑封材料對芯片的應(yīng)力是主要機理。
2.1封裝分層
在從室溫到極端寒冷環(huán)境的溫度循環(huán)過程中,模壓復(fù)合物與基片或引線框之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)差異會造成分層和開裂。在極端低溫下,由于與貯存溫度和包封溫度之間的差很大,可能會導(dǎo)致模壓復(fù)合物與基片或引線框之間分層和開裂。并且,隨著極端低溫的下降,開裂的可能性還會隨之增加(封裝經(jīng)過-55℃~+125℃的熱循環(huán)時,引線框尖銳邊緣處就會出現(xiàn)開
裂和分層)。另外,潮氣會使低溫下基片與封裝材料界面上的分層加速。這種加速是由封裝內(nèi)凝結(jié)水汽的凍結(jié)所引起。
2.2對芯片的機械應(yīng)力
由于塑封料和硅的線性熱膨脹系數(shù)相差一個數(shù)量級(塑封料≈25×10-6℃-1,硅≈2.3×10-6℃-1,當(dāng)溫度變化時,它們的尺寸變化相差會較大。例如,對角線為1cm的芯片,溫度每變化1℃,芯片對角線的長度可變化2.3×10-2μm;變化100℃,長度可變化2.3μm。而同樣長度的塑封料每變化1℃,其長度將變化25×10-2μm;溫度變化100℃,其長度將變化25μm。如果塑封料與芯片表面是分離的,塑封料將會在芯片表面移動,它的最大位移量將會大于11.35μm。然而在一般情況下,塑封料是黏附在芯片表面的,它不可能在芯片表面移動(但存在這種趨勢)。于是,在芯片和塑封料界面就會存在剪切應(yīng)力。這個力可能會使芯片上附著力弱的金屬化層產(chǎn)生滑移(溫度升高,向芯片邊緣滑移;溫度降低,向芯片中
心滑移),造成金屬條間短路或開路;也可能會使鈍化層或多晶硅層破裂,造成多層金屬化層間短路。
另外,在電路封裝中,塑封料的固化溫度通常都高于150℃。當(dāng)器件在0℃~70℃范圍時,塑封料對芯片表面有一個壓應(yīng)力。溫度越低,壓應(yīng)力越大。還有,在電路封裝使用的塑封料中都添加有一定量的石英砂(以減小塑封料的熱膨脹系數(shù))。如果使用的石英砂沒有經(jīng)過倒角處理,塑封料的壓應(yīng)力會使接觸到芯片表面的石英砂的尖角刺破鈍化層和金屬化層,造成開路或短路,或造成IC的參數(shù)變化。一般要求石英顆粒少于2μm或表面涂2μm厚的聚酰亞胺可緩沖這種失效。
然而即使芯片表面有聚酰亞胺膜的保護,可以減緩一定的熱膨脹應(yīng)力沖擊,但由于塑封料和硅的線性熱膨脹系數(shù)相差非常大,在器件經(jīng)受熱變應(yīng)力(再流焊、高低溫沖擊)時,塑封材料與芯片之間的熱不匹配所產(chǎn)生的應(yīng)力仍然是一個不可忽視的因素,雖然失效的幾率很小。
3 失效分析實例
3.1 塑封料與芯片間的剪切應(yīng)力導(dǎo)致層間介質(zhì)損傷
失效的樣品為QFP封裝的VLSI,經(jīng)歷過多次高低溫循環(huán)后在低溫工作時出現(xiàn)故障。分析過程分為開封前檢查和開封后觀察兩個階段。
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