熱濕存儲(chǔ)環(huán)境下須狀晶體的生長(zhǎng)機(jī)理與影響因素

Juergen Barthelmes ,Paolo Crema ,林建樂，Peter Kuehlkamp

(1.Atotech 公司；2.安美特化學(xué)有限公司；3.ST Microelectronics)

iNEMI/JEDEC 推薦的熱濕存儲(chǔ)環(huán)境(55℃，85%RH 條件下4 000 h)，已經(jīng)被認(rèn)為是最易引起須狀晶體生長(zhǎng)的條件。另外，對(duì)于存儲(chǔ)在較高溫度和濕度的開放式環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)室樣品而言，即使沒有經(jīng)過通常的退火工藝，也幾乎不會(huì)形成須狀晶體。而實(shí)際加工組裝后的IC 在經(jīng)過大約半年存儲(chǔ)周期后就可以生長(zhǎng)出大于100 μm的須狀晶體。這種明顯區(qū)別的原因被認(rèn)為是須狀晶體形成的另一個(gè)主要條件，即鍍錫表面的腐蝕。

1 電偶腐蝕引起須狀晶體生長(zhǎng)的模式

晶須現(xiàn)象可以用以下模式描述:當(dāng)較高溫度下存在一定濕度時(shí)，錫表面會(huì)形成低密度的氧化層。這個(gè)附加的氧化層密度要比原來的錫金屬低很多，這樣就在錫沉淀層表面施加了一個(gè)額外的壓力(圖1)。

圖1 電偶腐蝕(Galvanic Corrosion)引起須狀晶體生長(zhǎng)的模型

另外，相鄰的銅金屬還會(huì)加劇金屬錫的氧化,這是由于存在大約500 mV的標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)差引起電偶腐蝕。這也解釋了為什么IC 封裝里的須狀物腐蝕都發(fā)生在靠近暴露的銅區(qū)域的地方。

濕度特別高的地方甚至還會(huì)在陰陽級(jí)之間提供一個(gè)導(dǎo)電的通路，同時(shí)也活躍了無處不在的、促進(jìn)腐蝕發(fā)生的離子例如氯化物和硫酸鹽。圖2 是經(jīng)過4 000 h 濕熱環(huán)境存儲(chǔ)后靠近槽底區(qū)域的腐蝕產(chǎn)生須狀物的SEM照片。

圖2 經(jīng)過4 000 h 熱濕存儲(chǔ)后靠近IC 引腳截?cái)嗝鎱^(qū)域的腐蝕性須狀晶體

2 產(chǎn)生晶須因素的研究

對(duì)于熱濕環(huán)境下影響須狀晶體生長(zhǎng)的各個(gè)因素評(píng)估以及如何減輕這種現(xiàn)象，這里給出了一系列的研究。評(píng)估和研究的流程包括以下幾步，即鍍錫、后續(xù)處理、保護(hù)處理、加工組裝、污染和存儲(chǔ)。

這些步驟中，鍍錫之后IC 首先要經(jīng)過中和后續(xù)處理，然后再經(jīng)過后烘(150℃、1h)和一個(gè)特殊的保護(hù)措施,芯片最后被切筋和引腳成形。為了模擬最差的操作情形,每塊IC 還可以先經(jīng)過人為的污染后再進(jìn)入熱濕存儲(chǔ)環(huán)境。

在這個(gè)流程中，后續(xù)處理、保護(hù)措施以及污染源都選擇了不同的形式。其中后續(xù)處理分為形式A和B；保護(hù)措施分為無保護(hù)、BTA 處理和重鉻酸鹽保護(hù)、陰極重鉻酸鹽保護(hù)以及回流；污染源的選擇分為無污染、氯化鈉污染和硫酸鈉污染。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菫榱伺袆e是否采取不同的保護(hù)措施或者后續(xù)處理方法來減少須狀晶體生長(zhǎng)的長(zhǎng)度和密度。既然離子污染被懷疑會(huì)加劇腐蝕,因此，單個(gè)IC 人為引入的污染選擇了氯化物和硫酸鹽。

實(shí)驗(yàn)采用的測(cè)試樣品是基于C194 引腳材料的PW PSO 20。純啞錫鍍層厚度大約10 μm.芯片被放置于一個(gè)固定的位置,在60℃/87% RH 條件下存儲(chǔ)4 000 h。

3 污染的影響和如何防范

經(jīng)過4 000 h 存儲(chǔ)之后,用電子掃描顯微鏡(SEM)檢查須狀晶體的生長(zhǎng)情況。檢查每種實(shí)驗(yàn)條件下的20個(gè)引腳。由于采用不同的觀測(cè)角度，每個(gè)實(shí)驗(yàn)總共有40個(gè)檢測(cè)區(qū)域，即每一個(gè)暴露的外引腳的截?cái)嗝婧筒鄣變蓚€(gè)區(qū)域，每個(gè)實(shí)驗(yàn)記錄兩個(gè)結(jié)果：須狀晶體生長(zhǎng)區(qū)域的比例和最大長(zhǎng)度(NWL)。根據(jù)以上不同的實(shí)驗(yàn)條件,總共實(shí)施30個(gè)不同的實(shí)驗(yàn),分析數(shù)據(jù)和結(jié)果，最終可以研究出各項(xiàng)防護(hù)措施的效用。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，回流后須狀晶體平均長(zhǎng)度為21 μm，采取保護(hù)措施后的是25 μm。無保護(hù)的樣品晶須平均長(zhǎng)度是35 μm。但是所有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都發(fā)現(xiàn)最長(zhǎng)的須狀晶體長(zhǎng)度可以達(dá)到40 μm(圖3)。

圖3 各項(xiàng)保護(hù)措施對(duì)于減少須狀晶體的最大長(zhǎng)度的有效性對(duì)比

當(dāng)樣品經(jīng)過氯化物和硫酸鹽污染后，這些晶須現(xiàn)象始終會(huì)出現(xiàn)。數(shù)據(jù)清楚地表明，離子與無機(jī)物污染對(duì)于腐蝕狀態(tài)的須狀物的產(chǎn)生有著強(qiáng)烈的推動(dòng)作用(圖4)，而且氯化物的影響比硫酸鹽更加嚴(yán)重。結(jié)果非常符合圖1所描述的腐蝕模型。

圖4 熱濕存儲(chǔ)中表面離子污染對(duì)于須狀晶體的最大長(zhǎng)度的影響對(duì)比

最有趣的結(jié)果是不同后續(xù)處理的影響可以被量化.后續(xù)處理方法A和方法B 相比，前者須狀晶體的生長(zhǎng)范圍小了很多，而且須狀晶體的長(zhǎng)度也是所有實(shí)驗(yàn)中最短的(圖6)。

圖5 所有實(shí)驗(yàn)中引腳截?cái)嗝婧筒鄣變蓚€(gè)區(qū)域的須狀晶體平均最大長(zhǎng)度的對(duì)比

圖6 所有實(shí)驗(yàn)中后浸方式A和方式B的須狀晶體平均最大長(zhǎng)度的對(duì)比

這個(gè)研究結(jié)果清楚地解釋了在熱濕存儲(chǔ)環(huán)境下，須狀晶體的生長(zhǎng)可以由鍍錫之后的中和處理來減輕，這個(gè)中和處理甚至可以用在加工組裝之后.通過恰當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)方式,把須狀晶體的長(zhǎng)度控制在40 μm 臨界極限內(nèi)。

4 貴金屬的影響

從電偶腐蝕的模型可以看出，靠近銅區(qū)域處的錫表面氧化應(yīng)該是最嚴(yán)重的,因?yàn)橘F金屬本身會(huì)施加一個(gè)額外的催化作用。相反，沒有用貴金屬材料封裝的引腳應(yīng)該不會(huì)產(chǎn)生(或者生長(zhǎng)很短)須狀晶體。

為了說明這點(diǎn)，這里采用了A42 材料封裝的SOIC 44L 來作研究。A42的主要成分包括42%的Ni(Ni2+/Ni-0,23V vs NHE)和大約58%的Fe(Fe2+/Fe-0,41V vs NHE)，加上微量的Co和Mn.熱濕存儲(chǔ)之后，沒有一個(gè)樣品出現(xiàn)須狀晶體生長(zhǎng)。經(jīng)過預(yù)處理的樣品與僅僅經(jīng)過后烘的樣品幾乎沒有區(qū)別。在引腳的表面僅僅出現(xiàn)非常少量的腐蝕點(diǎn)(圖8)。

圖7 后浸方式A(藍(lán)色)和方式B(紅色)的須狀晶體生長(zhǎng)長(zhǎng)度與時(shí)間關(guān)系

圖8 基于A42 材料的SOIC 44L 封裝在經(jīng)過4 000/h 熱濕存儲(chǔ)后，僅有很小的腐蝕點(diǎn),沒有須狀晶體的生長(zhǎng)

其中，A42的引腳上鍍錫厚度是7～20 μm，熱濕存儲(chǔ)條件55℃/85%RH 下4 000 h。所有的芯片都要經(jīng)過150℃一個(gè)小時(shí)的后烘。沒有經(jīng)過預(yù)處理的樣品與經(jīng)過預(yù)處理的樣品相比較，一個(gè)回流的溫度為215℃(在空氣中)，另一個(gè)回流的溫度設(shè)在245～250℃(在空氣中)。

5 回流預(yù)處理的作用

回流的次數(shù)對(duì)以后存儲(chǔ)中表面腐蝕起著抑制作用。實(shí)驗(yàn)采用了不同的回流溫度曲線，主要的不同在于回流過程中的最高溫度點(diǎn)?；亓髯罡邷囟确謩e為215℃和247℃以及沒有任何預(yù)處理3 種情況相比較。實(shí)驗(yàn)中采取的封裝形式是基于PDIP32L的C194，鍍錫層厚度在7～20 μm。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)回流溫度越高，引腳越少即會(huì)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。

由于回流抑制了腐蝕，因此須狀晶體的長(zhǎng)度也大大減少。但是沒有經(jīng)過預(yù)處理的樣品就產(chǎn)生了長(zhǎng)度大于100 μm的須狀晶體，而247℃回流溫度下的MWL 封裝產(chǎn)生的須狀晶體長(zhǎng)度不會(huì)超過70 μm。圖9 比較了兩種不同處理過程的引腳末端的光鏡照片。

6 總結(jié)

在熱濕存儲(chǔ)環(huán)境下，無機(jī)物和離子污染大大促進(jìn)了腐蝕性須狀晶體的生長(zhǎng),并且氯化物比硫酸鹽更加有害。有好幾種方法可以保護(hù)加工組裝后的IC 封裝，其中回流和重鉻酸鹽處理目前看起來是最有效的。但是在有離子污染情況下,最長(zhǎng)的須狀晶體也超過了40 μm的界限。

對(duì)于引腳截?cái)嗝婧筒鄣讌^(qū)域的須狀晶體產(chǎn)生情況并沒有發(fā)現(xiàn)顯著區(qū)別，鍍錫后的后續(xù)處理對(duì)于減輕熱濕存儲(chǔ)下的須狀晶體產(chǎn)生起了重要作用。不同的后浸處理，須狀晶體生長(zhǎng)的長(zhǎng)度有所區(qū)別，并且開始生長(zhǎng)的時(shí)間也不同。一個(gè)合適的后續(xù)處理可以保護(hù)錫表面不受腐蝕，并且有效地減輕所謂的腐蝕性須狀晶體。

圖9 經(jīng)過預(yù)處理的基于C194 材料的Pdip32L 封裝經(jīng)過4 000 h 熱濕存儲(chǔ)后須狀晶體長(zhǎng)度減少(<50μm,右圖)