半導體器件鍵合失效模式及機理分析

來(lái)源：航天科工防御技術(shù)研究試驗中心

摘要：
本文通過(guò)對典型案例的介紹，分析了鍵合工藝不當，以及器件封裝因素對器件鍵合失效造成的影響。通過(guò)對鍵合工藝參數以及封裝環(huán)境因素影響的分析，以及對各種失效模式總結，闡述了鍵合工藝不當及封裝不良，造成鍵合本質(zhì)失效的機理；并提出了控制有缺陷器件裝機使用的措施。引言
半導體封裝內部芯片和外部管腳以及芯片之間的連接起著(zhù)確立芯片和外部的電氣連接的重要作用。半導體器件的封裝中，多采用引線(xiàn)鍵合的方式實(shí)現內部芯片和外部管腳以及芯片之間的互聯(lián)技術(shù)；引線(xiàn)鍵合以工藝實(shí)現簡(jiǎn)單、成本低廉、適用多種封裝形式而在連接方式中占主導地位，目前所有封裝管腳的90 ％以上采用引線(xiàn)鍵合連接。鍵合是半導體器件生產(chǎn)過(guò)程中的關(guān)鍵工序，對半導體器件的產(chǎn)品合格率有很大影響。
在半導體器件的使用過(guò)程中，只要其中一個(gè)鍵合點(diǎn)損壞，將導致器件失效，輕者造成器件部分功能喪失，嚴重者則完全功能喪失。半導體器件的本質(zhì)失效約有1/3~1/4是由引線(xiàn)鍵合引起的，故其對半導體器件長(cháng)期使用的可靠性影響很大。
鍵合失效表現出來(lái)的失效模式主要為開(kāi)路（包括阻抗增大），個(gè)別情況為短路。分析其本質(zhì)失效的原因，有些是與器件鍵合工藝有關(guān)，有些與器件的封裝有關(guān)，下面結合具體案例分析介紹。
1 鍵合工藝不良造成失效
鍵合焊接時(shí)，劈刀壽命達到期限，磨損過(guò)多，以及焊接參數（時(shí)間、壓力）設置不當，都可能導致鍵合點(diǎn)在以后器件使用過(guò)程中產(chǎn)生失效。
1.1 鍵合壓力大造成鍵合點(diǎn)失效
某型號檢波二極管在隨組合完成振動(dòng)試驗后，發(fā)現兩只器件失效，失效模式均為開(kāi)路。用體視鏡對兩只失效器件外觀(guān)進(jìn)行觀(guān)察，未發(fā)現明顯異常。啟封器件，置于顯微鏡下觀(guān)察，發(fā)現兩只失效器件內部芯片鍵合點(diǎn)脫鍵（如圖1、2所示）。從開(kāi)路鍵合點(diǎn)的形貌看，鍵合點(diǎn)金絲變形非常嚴重，邊緣已經(jīng)變得非常薄且有明顯的開(kāi)裂現象，說(shuō)明鍵合焊接時(shí)，壓力過(guò)大。鍵合壓力大，鍵合點(diǎn)根部損傷嚴重，容易開(kāi)路，另外，由于鍵合點(diǎn)非常薄且很容易出現“壓裂”情況，受機械力的沖擊，很容易出現開(kāi)路失效。1.2 鍵合壓力小引發(fā)開(kāi)路
鍵合時(shí)壓力小，有可能造成鍵合點(diǎn)“未壓牢”，鍵合絲與焊盤(pán)之間“融合”面積較小，受到機械沖擊力作用，或者是溫度應力作用（尤其是被塑封材料包封的鍵合點(diǎn)），鍵合點(diǎn)很容易與焊盤(pán)分離而開(kāi)路失效。
某型號多絲發(fā)光二極管隨整機進(jìn)行試驗時(shí)失效。對失效二極管外引腳進(jìn)行測試，發(fā)現二極管開(kāi)路失效。對器件進(jìn)行X射線(xiàn)檢查，鍵合絲未見(jiàn)明顯斷絲現象（如圖3所示）。對發(fā)光二極管外殼進(jìn)行解剖，采用化學(xué)方法去除環(huán)氧樹(shù)脂包封料，并對暴露出來(lái)的8個(gè)二極管的各個(gè)連接端進(jìn)行測試，發(fā)現1#二極管開(kāi)路。采用體視顯微鏡和掃描電鏡進(jìn)行觀(guān)察，發(fā)現1#二極管內鍵合點(diǎn)與芯片焊盤(pán)脫鍵，與正常鍵合點(diǎn)比較，失效鍵合點(diǎn)變形較?。ㄈ鐖D4、5所示）。對器件內部所有鍵合絲進(jìn)行非破壞鍵合拉力試驗，1#二極管內鍵合點(diǎn)脫鍵，“零克力”失效，其它鍵合絲合格。使用掃描電鏡對1#鍵合脫鍵位置進(jìn)行觀(guān)察，發(fā)現1#鍵合焊接面積較?。ㄈ鐖D6、7所示）。
1.3 鍵合絲塌絲引發(fā)短路失效
鍵合絲塌絲觸及器件內部裸露的導體即造成短路失效。引起鍵合絲塌絲的原因很多，有些是因為鍵合絲的長(cháng)短控制不當引起的，有些是因為鍵合絲走向不合適導致的，還有些是因為鍵合之后人為失誤造成的。由于鍵合絲搭接處于一種不穩定狀態(tài)，有時(shí)器件的失效現象很難復現，給失效分析工作帶來(lái)困難，下面的案例充分說(shuō)明了這一點(diǎn)。
某型號隔離放大器隨整機進(jìn)行振動(dòng)試驗時(shí)，發(fā)生失效。常溫下，對失效器件進(jìn)行綜合電性能測試，結果為合格。之后，分別進(jìn)行低溫（-18 ℃，保溫0.5 h后持續加電20 min）、高溫（+60 ℃環(huán)境下，持續加電20 min）、常溫（持續加電20 min） 測試，器件功能正常。又對器件進(jìn)行5次溫沖試驗（-55 ℃，125 ℃，0.5 h保溫，轉換時(shí)間小于1 min）后，常溫持續加電20分鐘測試，高溫（+85 ℃環(huán)境下，持續加電50 min）測試，以及恒定加速度試驗（條件為：3 000 g、Y1方向，1 min）后，常溫持續加電20 min測試，結果均為合格。
將失效件返生產(chǎn)廠(chǎng)家進(jìn)行振動(dòng)試驗。首先進(jìn)行兩次不加電振動(dòng)試驗，X、Y、Z方向各5 min。在每個(gè)方向的振動(dòng)完成后，對器件加電5~10 min進(jìn)行測試，結果為合格。第二次振動(dòng)試驗功率譜密度（PSD）比第一次增加50 %，X、Y、Z方向各5 min。同樣在每個(gè)方向的振動(dòng)完成后，對器件加電5~10 min進(jìn)行測試，結果為合格。之后再對失效樣品按第二次振動(dòng)條件進(jìn)行加電振動(dòng)試驗。首先進(jìn)行Z向（器件最長(cháng)邊方向）振動(dòng)，剛剛起振，樣品的正負隔離電壓輸出異常。停止振動(dòng)并斷電，重新加電后測試也正常。以上試驗結果表明，振動(dòng)試驗可以激勵器件故障復現。將樣品從振動(dòng)臺上取下，再次進(jìn)行加電測試，樣品的正負隔離電壓不正常。說(shuō)明器件故障現象已處于穩定狀態(tài)。
接下來(lái)對器件進(jìn)行X射線(xiàn)檢查，發(fā)現器件內部管腳31鍵合金絲與附近獨石電容端頭間無(wú)明顯間隙（如圖8所示）。開(kāi)封器件，通過(guò)顯微鏡觀(guān)察發(fā)現，器件內部+15 V電源（Pin 31）鍵合金絲與附近獨石電容一端頭搭接（如圖9所示）。從圖中可以看出，該鍵合絲明顯過(guò)長(cháng)。隔離放大器失效機理為：器件內部管腳31（+15 V）鍵合金絲與附近獨石電容一端頭搭接，造成+15 V電源跳過(guò)限流電阻，直接加在內部振蕩器芯片的正電源，導致器件內部振蕩器不能正常供電，產(chǎn)品功耗增大，隔離電壓降低，最終導致器件無(wú)輸出。
以上介紹的是鍵合絲塌絲觸及電容端頭造成失效案例；有些案例是塌絲觸及芯片邊緣引起失效。
 2 封裝原因引起器件內部鍵合失效
因封裝原因引發(fā)器件鍵合失效的情況包括：器件腔體內水汽含量高并有腐蝕性元素，造成鍵合點(diǎn)腐蝕開(kāi)路失效，玻璃熔封DIP器件玻璃熔封料擠壓外鍵合點(diǎn)開(kāi)路失效，塑封器件分層造成內鍵合點(diǎn)脫鍵失效等。下面分別給予介紹：
2.1 內部鍵合點(diǎn)腐蝕開(kāi)路失效
某型號三極管隨組合進(jìn)行試驗過(guò)程中出現失效。對失效器件外部進(jìn)行觀(guān)察，發(fā)現：器件殼體表面存在熏黑跡象；底座管腳間藍色橡膠墊局部存在過(guò)熱、熔融現象（如圖10所示）。對失效器件管腳間V-I特性進(jìn)行測試，結果為：E、B及E、C極間正、反向均呈開(kāi)路，B、C極間呈二極管特性。
對失效器件進(jìn)行氣密封檢測，發(fā)現管殼與底座焊接區域存在微泄露，細檢不合格。對失效器件進(jìn)行粒子碰撞噪聲檢測，結果為合格。
啟封器件，置于顯微鏡下觀(guān)察，發(fā)現：****極E極外合區及鍵合絲表面嚴重腐蝕，存在一層白色絮狀腐蝕產(chǎn)物；E極外鍵合區附近鍵合絲熔斷；底座及芯片表面靠近E極鍵合區附近區域存在變色發(fā)黑現象；B極鍵合絲未發(fā)現明顯異常（如圖11所示）。用掃描電鏡觀(guān)察，發(fā)現E極外鍵合區及鍵合絲表面腐蝕嚴重，存在一層白色絮狀、似松球狀腐蝕產(chǎn)物；E極外鍵合區附近鍵合絲已熔斷（如圖12、13所示）。對E極外鍵合區附近進(jìn)行能譜分析，發(fā)現除含有Al、Si、Fe、Ni等主元素外，還含有O、P等元素；對鍵合絲表面腐蝕物進(jìn)行能譜分析，發(fā)現除有Al、Si、Fe、Ni等元素外，還有O、P、Cl等元素；對B極外鍵合區進(jìn)行能譜分析，只有Ni元素。因此得出：失效器件由于密封不合格，導致使用過(guò)程中水汽進(jìn)入器件內部，同時(shí)E極鍵合區殘存P等腐蝕元素，使鍵合區及鍵合絲外表面形成腐蝕產(chǎn)物堆積，在電應力的作用下，進(jìn)一步過(guò)流燒毀、熔斷。2.2 玻璃熔封料擠壓外鍵合點(diǎn)開(kāi)路失效
某型號玻璃熔封DIP器件在隨整機進(jìn)行溫度沖擊試驗時(shí)，發(fā)現輸出異常。對器件進(jìn)行X射線(xiàn)檢查，發(fā)現管腳11~14一側玻璃熔封料較多，如圖14所示。對器件管腳間V-I特性進(jìn)行測試，發(fā)現1Cext端口（管腳14）與地間開(kāi)路，而正常器件則呈低阻特性。
啟封器件，置于顯微鏡下觀(guān)察，芯片表面未見(jiàn)明顯的擊穿燒毀及其它異?，F象，但管腳11~14一側玻璃熔封料較多，致使管腳11~14外鍵合焊盤(pán)已完全被玻璃熔封料覆蓋（如圖15所示）。器件封蓋與基座分開(kāi)后，測****腳14與焊盤(pán)間電連接無(wú)異常，管腳14焊盤(pán)上鍵合絲下面有一明顯玻璃熔封料凸起部位（如圖15所示）。封蓋上殘留的玻璃熔封料粘連部分與管腳3~5、管腳11~14相連鍵合絲（如圖16所示）。管腳14內鍵合絲出現兩個(gè)斷點(diǎn)，一個(gè)斷點(diǎn)位于外鍵合頸縮部位，另一斷點(diǎn)位于鍵合絲中部，芯片一側仍殘留一段管腳14的內鍵合絲（如圖17所示）。用萬(wàn)用表測試該段鍵合絲與地間電阻，呈低電阻特性。

用掃描電鏡及EDX對芯片一側1Cext端口殘留鍵合絲進(jìn)行形貌觀(guān)察與檢測，發(fā)現斷口為斜斷口，斷裂部位有明顯的頸縮現象（如圖17所示），具有明顯的受力塑性斷裂特征。EDX檢測發(fā)現含有Al、Si、C、O等元素，未發(fā)現腐蝕性元素。此處斷裂為開(kāi)封過(guò)程造成的。用掃描電鏡及EDX對封蓋上殘留的1Cext端口外鍵合頸縮斷裂部位進(jìn)行形貌觀(guān)察與檢測，并與1Q端口（管腳13）外鍵合頸縮斷裂部位進(jìn)行比較，發(fā)現1Cext端口外鍵合斷裂部位存在玻璃熔封料（如圖18、19所示），而1Q端口外鍵合頸縮斷裂部位呈明顯的受力斷裂特征（如圖20所示），能譜分析顯示主要為Al元素。因此得出：器件失效是由于1Cext端口在管腳鍵合點(diǎn)頸縮部位開(kāi)路造成的。導致該部位開(kāi)路的原因為：封蓋時(shí)1Cext端口管腳鍵合根部下面滲入了玻璃熔封料，對鍵合絲形成了“翹起”作用，并造成應力集中部位-外鍵合頸縮處-損傷。器件裝機使用后，在各種環(huán)境應力試驗過(guò)程中，受到熱應力和機械應力的作用，造成該部位損傷程度進(jìn)一步惡化，最終開(kāi)路失效。
2.3 塑封器件分層造成內鍵合點(diǎn)脫鍵失效
塑封器件膜塑材料與芯片的熱膨脹系數不同，如果塑封包封料與芯片間存在分層，溫度變化將在塑封材料與芯片表面產(chǎn)生熱機械剪切應力，芯片中心處的應力可以忽略，向外角或邊緣延伸時(shí)應力成指數級增加；由于鍵合部位一般位于芯片邊緣，很容易產(chǎn)生鍵合點(diǎn)脫鍵失效。
某型號集成電路在隨整機進(jìn)行試驗時(shí)出現失效。對失效器件進(jìn)行掃描超聲顯微鏡檢查，芯片表面及部分外鍵合部位呈現分層現象（如圖21淺灰色區域所示）。采用化學(xué)方法啟封失效器件，置于顯微鏡下觀(guān)察，發(fā)現器件內部部分與芯片基座相連的內鍵合絲已經(jīng)脫落；多根內鍵合絲在芯片上的鍵合發(fā)生移位（如圖22所示），說(shuō)明鍵合與焊盤(pán)已經(jīng)脫鍵。器件封裝后，金絲球被塑封材料包裹，而塑封包封料與芯片間存在分層，芯片與塑封材料熱漲系數差別較大，溫度變化（如溫度循環(huán)試驗）將在塑封材料與芯片表面產(chǎn)生熱機械剪切應力，加之鍵合點(diǎn)部位應力集中，造成部分鍵合點(diǎn)脫鍵失效。3 預防措施
對于上述因制作工藝不當引起的鍵合失效，除了采取加強工藝控制的措施外，還可以通過(guò)相關(guān)的DPA試驗項目或者篩選試驗項目予以發(fā)現并剔除。下面詳細介紹。
對于因鍵合壓力大或壓力小造成的鍵合缺陷，DPA試驗中的內部目檢可以發(fā)現鍵合點(diǎn)的異常形貌，DPA鍵合拉力試驗也可以檢測出鍵合力偏?。ㄉ踔痢傲憧肆Α保┑逆I合點(diǎn)。對于鍵合絲偏移、塌絲等缺陷，通過(guò)DPA試驗中X射線(xiàn)檢查（對Au絲），以及內部目檢可以及早發(fā)現。對于鍵合點(diǎn)腐蝕缺陷，DPA試驗中氣密性檢測可以發(fā)現器件密封問(wèn)題，內部氣體成份分析可以檢測出器件內部水汽含量是否超標，內部目檢可以及早發(fā)現腐蝕缺陷。恒定加速度的篩選試驗也可以一定程度地暴露及剔除上述缺陷。通過(guò)DPA試驗中X射線(xiàn)檢查，以及內部目檢可以及早發(fā)現玻璃熔封料擠壓外鍵合點(diǎn)缺陷。通過(guò)DPA試驗中超聲掃描檢查，可以及早發(fā)現塑封器件分層缺陷。另外，溫度循環(huán)試驗也可以一定程度地暴露及剔除上述缺陷。
4 結束語(yǔ)
前面通過(guò)典型案例介紹，分析了鍵合工藝不當，以及器件封裝因素對器件鍵合本質(zhì)失效造成的影響。對以上分析進(jìn)行總結，得出鍵合工藝不當，對元器件失效產(chǎn)生的影響主要體現在以下幾方面：鍵合壓力大造成鍵合點(diǎn)損傷，導致鍵合開(kāi)路失效。鍵合時(shí)壓力小，鍵合絲與焊盤(pán)之間“融合”面積較小，導致鍵合開(kāi)路失效。鍵合絲的長(cháng)短控制不當，或者走向不合適，導致短路失效。因封裝原因引發(fā)器件鍵合失效的情況包括：空封器件腔體內氣氛不良，造成鍵合點(diǎn)腐蝕開(kāi)路失效，陶瓷玻璃熔封料擠壓外鍵合點(diǎn)開(kāi)路失效，以及塑封器件分層造成內鍵合點(diǎn)開(kāi)路失效等。通過(guò)相關(guān)的DPA試驗項目或者篩選試驗項目可以及早暴露缺陷并予以剔除。

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