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(diǎn)，限制了塑封器件在衛(wèi)星、軍事等一些高可靠性場(chǎng)合的使用［1］。雖然自20世紀(jì)70年代以來(lái)，封裝材料、芯片鈍化和生產(chǎn)工藝得到了極大的改進(jìn)，塑封器件的可靠性也隨之提高，但仍存在許多可靠性問(wèn)題。這些可靠性問(wèn)題大致可以分為：塑封材料固有的密封問(wèn)題導(dǎo)致的腐蝕失效、爆米花失效等；生產(chǎn)工藝問(wèn)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(wèn)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(jī)理分析

　　通常由元器件生產(chǎn)廠商提供的塑封器件對(duì)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(duì)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(duì)芯片的應(yīng)力是主要機(jī)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(guò)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(huì)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(huì)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(huì)隨之增加（封裝經(jīng)過(guò)-55℃～+125℃的熱循環(huán)時(shí)，引線框尖銳邊緣處就會(huì)出現(xiàn)開

　　裂和分層）。另外，潮氣會(huì)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(duì)芯片的機(jī)械應(yīng)力

　　由于塑封料和硅的線性熱膨脹系數(shù)相差一個(gè)數(shù)量級(jí)（塑封料≈25×10-6℃-1，硅≈2．3×10-6℃-1，當(dāng)溫度變化時(shí)，它們的尺寸變化相差會(huì)較大。例如，對(duì)角線為1cm的芯片，溫度每變化1℃，芯片對(duì)角線的長(zhǎng)度可變化2．3×10-2μm；變化100℃，長(zhǎng)度可變化2．3μm。而同樣長(zhǎng)度的塑封料每變化1℃，其長(zhǎng)度將變化25×10-2μm；溫度變化100℃，其長(zhǎng)度將變化25μm。如果塑封料與芯片表面是分離的，塑封料將會(huì)在芯片表面移動(dòng)，它的最大位移量將會(huì)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(dòng)（但存在這種趨勢(shì)）。于是，在芯片和塑封料界面就會(huì)存在剪切應(yīng)力。這個(gè)力可能會(huì)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(huì)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(shí)，塑封料對(duì)芯片表面有一個(gè)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(méi)有經(jīng)過(guò)倒角處理，塑封料的壓應(yīng)力會(huì)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(hù)，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(shí)，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(gè)不可忽視的因素，雖然失效的幾率很小。

　　3 失效分析實(shí)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(guò)多次高低溫循環(huán)后在低溫工作時(shí)出現(xiàn)故障。分析過(guò)程分為開封前檢查和開封后觀察兩個(gè)階段。