銅絲鍵合塑封器件的幾種不同失效模式和失效機理分析

摘要: 研究并總結(jié)了銅絲鍵合塑封器件在實際應(yīng)用環(huán)境中工作時發(fā)生的幾種不同失效模式和失效機理，包括常見封裝類型電路的失效，這些封裝類型占據(jù)絕大部分銅絲鍵合的市場比例。和傳統(tǒng)的實驗室可靠性測試相比，實際應(yīng)用中的銅絲失效能夠全面暴露潛在可靠性問題和薄弱點，因為實際應(yīng)用環(huán)境存在更多不可控因素。

實際應(yīng)用時的失效或退化機理主要包括:外鍵合點氯腐蝕、金屬間化合物氯腐蝕、電偶腐蝕、鍵合彈坑、封裝缺陷五種類型。對實際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)和分析為進(jìn)一步改善銅絲鍵合可靠性、提高器件穩(wěn)定性提供了依據(jù)。

0引言

近些年銅絲鍵合技術(shù)獲得了快速發(fā)展，在集成電路封裝中逐步取代金絲鍵合。與金絲相比，銅絲除了價格低之外，還具有機械強度高、電阻率低、銅鋁金屬間化合物(IMC)生長慢、熱導(dǎo)率高等優(yōu)勢，特別是低電阻率和高熱導(dǎo)率，使銅絲的直徑更小(通常為20μm)、鍵合密度更高。不過，銅絲鍵合的工藝窗口較小，鍵合力的控制較為嚴(yán)格，同時，銅絲容易氧化，需采用惰性氣體(如氮氣)或混合氣體進(jìn)行保護(hù)。

目前，覆鈀銅絲也得到廣泛應(yīng)用，比純銅引線更抗氧化。因為鍵合時力較大，鋁焊盤也相應(yīng)進(jìn)行了改進(jìn)，例如增加鋁的厚度、鋁上鍍鎳鈀、焊盤介質(zhì)增加通孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計等。為了更好地保護(hù)銅絲，封裝塑封料也有了相應(yīng)的改進(jìn)，如改進(jìn)pH值(pH值約為7.1)、減少氯離子含量、增加離子捕捉劑濃度。因此，在晶圓廠、封裝廠的合作下，這些工藝上的可靠性問題正在減少。

實驗室采用高溫貯存試驗、溫度循環(huán)試驗、高溫高濕試驗或高加速熱應(yīng)力試驗等對銅絲鍵合可靠性進(jìn)行評估，結(jié)果均顯示銅絲鍵合具有非常好的使用壽命。然而許多可靠性測試是在實驗室環(huán)境下進(jìn)行的，為了避免突發(fā)失效的產(chǎn)生，產(chǎn)品的濕度、溫度、電流、化學(xué)污染等因素均得到控制。在現(xiàn)實使用中有許多不可控的因素，如污染、水汽侵入、整機加電條件等，在這些綜合應(yīng)力作用下會加速退化并引起突發(fā)性或不穩(wěn)定性失效。

本文通過對近五年來典型的實際應(yīng)用樣品進(jìn)行失效分析，給出了銅絲鍵合在實際應(yīng)用中常見的失效模式、主要的退化機理或者失效機理，為提高銅絲鍵合的可靠性以及器件使用壽命提供依據(jù)。

1 試驗方法

1.1 用于失效分析的樣品制備方法

銅絲鍵合與傳統(tǒng)金絲鍵合相比，因材料差異，器件開封方法上有所不同，可以采用等離子開封方法、陽極保護(hù)法等，但這些方法需要昂貴的設(shè)備或者給器件加電。為了在傳統(tǒng)方法上直接改進(jìn)，經(jīng)過多次試驗，最后采用如下的方法:先用激光開封機減薄芯片表面塑封料直至露出銅絲，再采用質(zhì)量比為2∶3的濃硫酸和發(fā)煙硝酸(高溫120℃)進(jìn)行滴酸開封。

除了采用化學(xué)方法外，為觀察銅絲的腐蝕失效，采用了機械開封方法，該方法主要采用平面機械研磨技術(shù)。通過機械方式剝離塑封料進(jìn)而觀察芯片的表面形貌特征。

第三種方法為剖面制樣技術(shù)，首先通過固封環(huán)氧進(jìn)行剖面機械研磨，再通過氬離子束拋光技術(shù)進(jìn)行剖面減薄以降低金屬延展對結(jié)果判斷產(chǎn)生的干擾，目的是進(jìn)行界面形貌觀察和材料表征。

1.2 物理分析方法

銅絲鍵合失效為封裝級失效，首先采用高分辨率X射線成像系統(tǒng)對內(nèi)部結(jié)構(gòu)、鍵合絲材質(zhì)進(jìn)行初步判斷。一般情況下，銅絲的輪廓在X射線下較為模糊，而金絲則較為清晰。復(fù)雜封裝則需要采用CT斷層掃描進(jìn)行重構(gòu)。制樣完成后，采用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行圖像分析，采用能譜儀(EDS)、離子色譜儀或者二次離子質(zhì)譜儀進(jìn)行元素、離子等材料分析。

2 結(jié)果與討論

銅絲鍵合塑封器件實際應(yīng)用過程的常見失效模式和失效機理如下所述。這些失效發(fā)生的位置不同，具體的失效原因也不盡相同。

2.1 外鍵合點腐蝕

TI公司生產(chǎn)的超薄縮小型封裝(TSSOP)微處理器在現(xiàn)場使用幾個月后出現(xiàn)失效。銅絲鍵合在表面鍍鈀(或銀)的金屬框架上形成外鍵合點連接，激光開封可見氯腐蝕銅絲后，整個楔形鍵合消失(圖1(a))，切片分析可見外鍵合點銅絲變色形成了含氯的腐蝕產(chǎn)物(圖1(b))，其中氯元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)約為0.83%(如圖2所示，圖中x為原子數(shù)分?jǐn)?shù)，E為元素能量)。

對其塑封材料進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)一般塑封料中也可以檢測到少量的氯元素。一般認(rèn)為銅不能直接與氯離子產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，但銅的表面可以形成Cu2O，發(fā)生電化學(xué)的腐蝕作用，并且能夠和氯離子形成絡(luò)合離子產(chǎn)生進(jìn)一步反應(yīng)，整個腐蝕反應(yīng)的化學(xué)方程式為

因此，為預(yù)防此類失效，塑封材料的抗?jié)裥阅?、鹵素含量的控制都需要進(jìn)一步提高，并盡量減少環(huán)境污染、濕度等對器件的影響，減少印制板組件(PCBA)的離子殘留并涂覆三防漆防護(hù)。

2.2 封裝缺陷

封裝缺陷的產(chǎn)品可能不會立刻失效，只有在外場應(yīng)力下可能加速其失效。本文介紹兩種主要類型的封裝缺陷:①外鍵合點頸部裂紋;②鍵合絲間距過小。在外鍵合點頸部位置形成裂紋可能與鍵合工藝有關(guān)，也可能與注塑過程有關(guān)。以NXP品牌QFN16封裝的微處理器為例，該器件用于基站中的通信設(shè)備，外部環(huán)境為熱帶，溫度應(yīng)力較大，很快即發(fā)現(xiàn)失效。

塑封與引線框之間并沒有產(chǎn)生明顯的分層，但其外鍵合點頸部產(chǎn)生了局部裂紋甚至貫穿性裂紋，如圖3所示。這種失效在初次測試階段可能可以排查到，通過對初次測試失效的樣品進(jìn)行分析，就可以確定是否存在批次性缺陷，從而避免實際應(yīng)用時出現(xiàn)大規(guī)模失效。

鍵合絲間距過小的缺陷未必是銅絲獨有，鍵合引線間距過小導(dǎo)致兩線之間場強過大，在長期應(yīng)用時產(chǎn)生漏電、退化并發(fā)生突發(fā)失效。例如ST公司UFQFPN48封裝的AＲM處理器芯片，隨整機在現(xiàn)場使用一段時間后電源和地之間短路失效，通過CT斷層掃描重構(gòu)出內(nèi)部鍵合引線，鍵合引線間距非常小，懷疑失效與鍵合引線間距偏小有關(guān)，切片結(jié)果顯示，鍵合絲之間塑封料已過熱炭化，如圖4所示。

2.3
內(nèi)鍵合點鍵合彈坑

在銅絲鍵合工藝中，通常會調(diào)整工藝窗口以適合不同芯片的鍵合需要，但工藝調(diào)整不當(dāng)時仍然會發(fā)生批次性的鍵合彈坑現(xiàn)象。內(nèi)鍵合點的彈坑損傷失效也具有潛伏性，導(dǎo)致鍵合強度和介質(zhì)絕緣性下降等，在應(yīng)用時加電應(yīng)力或者溫度應(yīng)力下可以加速失效。 國產(chǎn)SOT23－6封裝的脈沖寬度調(diào)制控制芯片產(chǎn)品初測合格，焊接完成后即發(fā)現(xiàn)功能失效，失效率達(dá)1%，已通過測試產(chǎn)品投入使用后依然有很高的失效率。

實驗室測試其I-V特性曲線并無明顯異常，通過化學(xué)開封和鍵合拉力測試分析，部分鍵合絲拉力為0N，脫離界面伴隨著介質(zhì)層和硅層損傷，呈現(xiàn)典型的“彈坑”形貌，切片分析也確認(rèn)了這種失效現(xiàn)象，如圖5所示。銅絲鍵合周圍的鋁擠壓現(xiàn)象比較嚴(yán)重，表明鍵合的力較大。

2.4 內(nèi)鍵合點IMC的化學(xué)腐蝕

微電子器件有多種腐蝕機理，常見的三種形式為化學(xué)腐蝕、電偶腐蝕和電解腐蝕。在不加電情況下最常見的方式為化學(xué)腐蝕。

SOT23塑封封裝電壓基準(zhǔn)源用于電源適配器，使用一段時間后輸出電壓出現(xiàn)漂移。通過機械開封后目檢觀察，確認(rèn)芯片表面鋁焊盤被腐蝕，銅發(fā)生了遷移和再沉積，IMC界面存在含氯的化合物，具體結(jié)果如圖6所示。

銅鋁鍵合的IMC主要成分為CuAl2、CuAl和Cu9Al4，以CuAl2和Cu9Al4為主。銅絲內(nèi)鍵合點腐蝕主要是因Cu9Al4和CuAl2受到Cl－侵蝕導(dǎo)致，最終導(dǎo)致鍵合強度下降，可能的一系列反應(yīng)為



因此，針對IMC氯腐蝕失效，需要進(jìn)一步改進(jìn)器件封裝材料和表面防護(hù)材料。



2.5 電偶腐蝕

銅鋁鍵合界面鍵合強度的下降可能是一個長期的過程，一般情況下不會引起突發(fā)性失效，并且鍵合點位置過熱會形成塑封料的炭化現(xiàn)象。這種鍵合強度下降的失效在“雙85”高溫高濕試驗和實際使用中都得到了很好的驗證。失效表現(xiàn)為內(nèi)鍵合點沒有形成彈坑，沒有明顯的過電應(yīng)力和化學(xué)污染，鍵合點呈現(xiàn)過熱失效。

這是因為銅鋁界面在吸濕環(huán)境時會形成電偶(接觸)腐蝕，也稱之為原電池腐蝕，最終引起鋁層氧化，鍵合強度降低。分析過三起電磁爐風(fēng)扇不轉(zhuǎn)的失效原因，均為TO－94封裝的霍爾傳感器失效引起的，該類傳感器出現(xiàn)失效的鍵合點為地(GND)端口，失效形貌見圖7。

以上五種銅絲鍵合器件的失效模式、失效機理以及后續(xù)改進(jìn)措施見表1。

3 結(jié)論

研究了銅絲鍵合塑封電路在實際應(yīng)用時主要的失效模式和失效機理，主要包括:外鍵合點氯腐蝕、金屬間化合物氯腐蝕、電偶腐蝕、鍵合彈坑以及封裝缺陷。這些分析結(jié)果為銅絲鍵合封裝器件的制造、生產(chǎn)和使用提供了參考，同時給出預(yù)防銅絲器件的突發(fā)失效或者加速退化失效的思路，最終目標(biāo)是提高器件可靠性，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

審核編輯：劉清