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,多采用引線鍵合的方式實現內部芯片和外部管腳以及芯片之間的互聯技術;引線鍵合以工藝實現簡單、成本低廉、適用多種封裝形式而在連接方式中占主要地位,目前所有封裝管腳的90 %以上采用引線鍵合連接。鍵合是半導體器件生產過程中的關鍵工序,對半導體器件的產品合格率有很大影響。
在半導體器件的使用過程中,只要其中一個鍵合點損壞,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。半導體器件的本質失效約有1/3~1/4是由引線鍵合引起的,故其對半導體器件長期使用的可靠性影響很大。
鍵合工藝不良造成失效
鍵合焊接時,劈刀壽命達到期限,磨損過多,以及焊接參數(時間、壓力)設置不當,都可能導致鍵合點在以后器件使用過程中產生失效。
1、 鍵合壓力大造成鍵合點失效
某型號檢波二極管在隨組合完成振動試驗后,發現兩只器件失效,失效模式均為開路。用體視鏡對兩只失效器件外觀進行觀察,未發現明顯異常。啟封器件,置于顯微鏡下觀察,發現兩只失效器件內部芯片鍵合點脫鍵(如圖1、2所示)。
從開路鍵合點的形貌看,鍵合點金絲變形非常嚴重,邊緣已經變得非常薄且有明顯的開裂現象,說明鍵合焊接時,壓力過大。鍵合壓力大,鍵合點根部損傷嚴重,容易開路,另外,由于鍵合點非常薄且很容易出現“壓裂”情況,受機械力的沖擊,很容易出現開路失效。
2、 鍵合壓力小引發開路
鍵合時壓力小,有可能造成鍵合點“未壓牢”,鍵合絲與焊盤之間“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),鍵合點很容易與焊盤分離而開路失效。
某型號多絲發光二極管隨整機進行試驗時失效。對失效二極管外引腳進行測試,發現二極管開路失效。對器件進行X射線檢查,鍵合絲未見明顯斷絲現象(如圖3所示)。
對發光二極管外殼進行解剖,采用化學方法去除環氧樹脂包封料,并對暴露出來的8個二極管的各個連接端進行測試,發現1#二極管開路。采用體視顯微鏡和掃描電鏡進行觀察,發現1#二極管內鍵合點與芯片焊盤脫鍵,與正常鍵合點比較,失效鍵合點變形較小(如圖4、5所示)。
對器件內部所有鍵合絲進行非破壞鍵合拉力試驗,1#二極管內鍵合點脫鍵,“零克力”失效,其它鍵合絲合格。使用掃描電鏡對1#鍵合脫鍵位置進行觀察,發現1#鍵合焊接面積較小(如圖6、7所示)。
3、 鍵合絲塌絲引發短路失效
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,有時器件的失效現象很難復現,給失效分析工作帶來困難,下面的案例充分說明了這一點。
某型號隔離放大器隨整機進行振動試驗時,發生失效。常溫下,對失效器件進行綜合電性能測試,結果為合格。
之后,分別進行低溫(-18 ℃,保溫0.5 h后持續加電20 min)、高溫(+60 ℃環境下,持續加電20 min)、常溫(持續加電20 min) 測試,器件功能正常。
又對器件進行5次溫沖試驗(-55 ℃,125 ℃,0.5 h保溫,轉換時間小于1 min)后,常溫持續加電20分鐘測試,高溫(+85 ℃環境下,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。
將失效件返生產廠家進行振動試驗。進行兩次不加電振動試驗,X、Y、Z方向各5 min。在每個方向的振動完成后,對器件加電5~10 min進行測試,結果為合格。
第二次振動試驗功率譜密度(PSD)比第一次增加50 %,X、Y、Z方向各5 min。同樣在每個方向的振動完成后,對器件加電5~10 min進行測試,結果為合格。
之后再對失效樣品按第二次振動條件進行加電振動試驗。進行Z向(器件較長邊方向)振動,剛剛起振,樣品的正負隔離電壓輸出異常。停止振動并斷電,重新加電后測試也正常。
以上試驗結果表明,振動試驗可以激勵器件故障復現。將樣品從振動臺上取下,再次進行加電測試,樣品的正負隔離電壓不正常。說明器件故障現象已處于穩定狀態。
接下來對器件進行X射線檢查,發現器件內部管腳31鍵合金絲與附近獨石電容端頭間無明顯間隙(如圖8所示)。開封器件,通過顯微鏡觀察發現,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,該鍵合絲明顯過長。
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,產品功耗變大,隔離電壓降低,導致器件無輸出。
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