微電子器件應(yīng)用中的幾個(gè)重要問(wèn)題

微電子器件應(yīng)用中的幾個(gè)重要問(wèn)題
西安微電子技術(shù)研究所李志鑫（710054）
摘?? 要??
本文報(bào)道了半導(dǎo)體分立器件和集成電路應(yīng)用尤其是航天型號(hào)產(chǎn)品應(yīng)用中暴露出的若干重要問(wèn)題，剖析了這些問(wèn)題的成因，提出了相應(yīng)的對(duì)策，供生產(chǎn)廠家和用戶參考。
關(guān)鍵詞
半導(dǎo)體器件集成電路
一、序言
　　隨著航空、航天和宇航技術(shù)的發(fā)展以及軍用、民用等復(fù)雜電子裝備的研制和大量生產(chǎn)，人們對(duì)電子元器件和微電子器件的質(zhì)量與可靠性提出愈來(lái)愈苛刻的要求。特別是對(duì)于可能導(dǎo)致飛行失敗或機(jī)毀人亡災(zāi)難性后果的關(guān)鍵件、重要件更加關(guān)注。雖然在電子產(chǎn)品中采用冗余設(shè)計(jì)和降額設(shè)計(jì)技術(shù)可以在一定范圍內(nèi)減小風(fēng)險(xiǎn)壓力，但在實(shí)際工作中這種方法并非都能實(shí)行得通。如容積的占用分配或功耗、效率要求存在難以克服的矛盾等，而且有的從技術(shù)上就難以實(shí)現(xiàn)冗余。所以只有提高微電子器件的設(shè)計(jì)和制造工藝水平以及各種原材料的質(zhì)量水平，強(qiáng)化各項(xiàng)質(zhì)量管理和質(zhì)量保證，才能從根本上找到解決可靠性問(wèn)題的途徑。
　　從近期航天型號(hào)產(chǎn)品元器件使用中和破壞性物理分析（DPA）中暴露出的半導(dǎo)體器件和集成電路（IC）的質(zhì)量與可靠性問(wèn)題來(lái)看，存在的問(wèn)題還是比較嚴(yán)重的。根據(jù)中國(guó)航天工業(yè)總公司質(zhì)量可靠性信息中心1998年2月提供的《故障和事故信息通報(bào)》，應(yīng)用于某重點(diǎn)工程型號(hào)的半導(dǎo)體器件和IC器件總共197種（批），在DPA檢查中不合格品高達(dá)46種（批），占被檢查批的23％。其問(wèn)題分布為：①內(nèi)引線鍵合力不合格的有20種,占不合格批的43.5％；②粘片剪切力不合格的有19種，占不合格批的41.3％；③粘片存在缺陷的（擦傷，劃傷，沾污，花斑，裂紋等）有20種，占不合格批的43.5％；④PIND試驗(yàn)有多余物的1種，占不合格批的2％（前3項(xiàng)中有重疊情況）。在不合格的46種（批）中，進(jìn)口器件為5種（批），其DPA不合格率為7.7％；國(guó)產(chǎn)器件為41種（批），其DPA不合格率為31.1％（檢查批數(shù)分別為65和132）。由此可以看出，與進(jìn)口器件相比較，國(guó)產(chǎn)器件在可靠性方面還存在著較大的差距。
　　現(xiàn)在，就生產(chǎn)和應(yīng)用中在可靠性存在方面的幾個(gè)重要問(wèn)題，根據(jù)我們的分析和認(rèn)識(shí)作一概略的介紹和討論。
二、鍵合強(qiáng)度問(wèn)題
　　目前，在國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體器件和IC的組裝工藝中，質(zhì)量等級(jí)較高的產(chǎn)品，如883B級(jí)、JANTX級(jí)、G級(jí)等，其內(nèi)引線連接仍以鋁絲—金層或金絲—鋁層超聲鍵合為主。長(zhǎng)期以來(lái)的實(shí)踐表明，相同金屬材料，Al－Al或Au－Au，鍵合強(qiáng)度較好，可靠性易于保證，但不同金屬材料間的鍵合，可靠性問(wèn)題較多。典型的鍵合失效是開路。人們對(duì)Au－Al系的可靠性問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，也發(fā)表了諸多的文章和見(jiàn)解。前些年，國(guó)外流行的說(shuō)法是由于金鋁鍵合時(shí)，生成了許多金鋁系化合物，即所謂白斑、紫斑效應(yīng)，易引起鍵合開路。后來(lái)，又發(fā)現(xiàn)這些色斑導(dǎo)電性不差，似乎并非開路元兇。接著，在羅馬分析中心出版的資料中，又轉(zhuǎn)而提出克肯達(dá)爾孔洞理論，認(rèn)為開路原因是由于在高溫應(yīng)力作用下，鍵合點(diǎn)周圍形成許多小的孔洞連成一線，導(dǎo)致開路和鍵合脫落。
　　我所可靠性分析工作多年的探討、大量的試驗(yàn)和解剖觀測(cè)表明，導(dǎo)致高溫下Au－Al系開路的原因，除了個(gè)別起因于沾污或設(shè)備、材料（底座鍵合面不平整）外，很重要的因素是可伐表面的鍍金層厚度不當(dāng)或不勻所致，應(yīng)當(dāng)對(duì)鍍金工藝實(shí)行強(qiáng)化控制。
　　良好器件的Au－Al鍵合的剖面磨片表明，經(jīng)各項(xiàng)高溫篩選后的鍵合力仍然高達(dá)15gf以上?？梢郧宄乜吹?，該鍵合處下面的Au－Al已充分化合，可伐柱表面已無(wú)純金存在，形似一個(gè)“光刻窗口”。與此相反，從已脫落的劣質(zhì)鍵合的剖面磨片，可以清晰地看到，該鍵合處可伐基體表面仍留有純金鍍層，直觀表明底部金鋁未形成化合的事實(shí)。由此可以推斷，在Au－Al系鍵合工藝中，因材料原子擴(kuò)散而充分生成各種成分的金鋁化合物才是正常現(xiàn)象，而劣質(zhì)鍵合的原因就在于未形成充分化合甚至未化合。
　　經(jīng)過(guò)反復(fù)比較和測(cè)量統(tǒng)計(jì)，在相同的鍵合環(huán)境下（人員、設(shè)備、溫度等），要保證良好的鍵合，鍍金層厚度應(yīng)嚴(yán)格控制在2～3微米。大于4微米的鍍金層，在高溫環(huán)境下就可能發(fā)生鍵合力明顯降低以至脫焊。值得注意的是，單靠控制外殼電鍍批的平均厚度還不足以解決問(wèn)題。由于電鍍工藝操作中的不均勻性，鍍槽中上下左右各處的被鍍?cè)嬖谥植疾町?，其鍍層厚度也就存在不均勻性。在一個(gè)多條引出線的外殼上，只要有局部引線鍍金層偏厚，該處內(nèi)引線鍵合就易開路。對(duì)此，曾作過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和分析，事實(shí)與人們的認(rèn)識(shí)相當(dāng)吻合。所謂克肯達(dá)爾孔洞線，實(shí)際上就是偏厚的鍍金層，壓焊時(shí)因表層下陷產(chǎn)生的微裂紋在高溫下的擴(kuò)大和劣化。