進口塑封集成電路鍵合點分層現象的識別

李悰　許彥鑫　何宏平

【摘 要】進口塑封集成電路在軍用電子設備中普遍使用，但由于采購渠道的限制，產品質量參差不齊，如何甄別有潛在風險的產品尤為重要。在本文中，我們報道了一起案例：通過補充篩選試驗無法鑒別產品的潛在缺陷，但在進行破壞性物理分析時，通過X射線檢查、金相顯微和掃描電子顯微檢查發現引腳處鍵合點存在分層，分為上、下兩層。進一步的我們通過電子能譜對分層的鍵合點和鍵合絲分別進行了成分分析，發現下層鍵合點材料成分為Au，而上層鍵合點和鍵合絲均為Cu。該案例可為同類產品的鑒別工作提供參考。

【關鍵詞】篩選；破壞性物理分析；分層；鍵合點；鍵合絲

0 引言

電子元器件是電子設備最基本的組成單元，其可靠性水平直接影響到整機的可靠性水平[1-2]。當前軍用電子設備中仍在不可避免地使用進口元器件，尤其是集成電路。以塑封電路為例，盡管其氣密性不如陶瓷和金屬封裝，但其質量輕、體積小，工序簡單，成本低，加之封裝技術和材料的改進，在商業中仍占有絕對優勢[2]。但由于采購渠道的限制，當前主要通過代理商訂購工業級產品，因而可能遇到以下情形：器件來歷不明、進口滯銷品或殘次品、更難以察覺的是生產商在國外的子公司生產或封裝，部分產品工藝質量較差、監控不嚴[3-4]。因此，如何甄別出可用的元器件，對于保障產品的可靠性變得尤為重要。當前主要的措施是對產品進行補充篩選試驗，剔除不合格產品。但僅通過篩選試驗有時仍難以甄別出內部缺陷，進行破壞性物理分析（DPA）是另一重要的質量保證措施。

在本文中，我們便遇到了這樣一起案例。我們首先對Micrel公司的塑封集成電路進行了補充篩選，試驗項目包括：常溫初測、溫度循環、常溫中測、老煉、常溫終測、低溫測試、高溫測試、外觀檢查，試驗結果顯示均為合格。隨后我們按GJB4027A要求抽取樣品開展了DPA試驗。在進行X射線檢查時發現引腳處鍵合點存在疑似分層現象。隨后又通過金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）確認了這一結果，鍵合點分為上下兩層，兩層之間界面清晰，且上層鍵合點與鍵合絲圖像均勻、一致。進一步地，借助電子能譜（EDS）對鍵合點、鍵合絲的成分進行了分析，發現下層鍵合點材質為Au，而上層鍵合點和鍵合絲則由Cu構成。該案例可為同類電子產品的鑒別工作提供參考。

1 試驗

1.1 補充篩選試驗

對全部樣品開展了如下補充篩選試驗項：常溫初測、溫度循環（-55℃～125℃）、常溫中測、老煉（125℃，48h，5V）、常溫終測、低溫測試（-40℃） 、高溫測試（125℃）、外觀檢查（10倍放大鏡）。

1.2 DPA試驗

按照GJB4027A《軍用電子元器件破壞性物理分析》的要求，從該批次抽取2只樣品開展了以下項目的試驗：外部目檢、X射線檢查、超聲掃描檢查，開封，內部目檢，和掃描電子顯微鏡（SEM）檢查。

2 結果與分析

2.1 補充篩選試驗結果與分析

樣品經1.1中試驗后，外觀及各項電訊指標均滿足要求，試驗結論為合格。

2.2 DPA試驗結果與分析

2.2.1 外部目檢

在立體顯微鏡下對樣品外觀進行檢查，未發現不符合要求的外觀及結構缺陷。

2.2.2 X射線檢查

采用X光微焦點實時檢查系統XD7500VR對樣品進行了檢查，圖1為樣品的俯視（Y方向）圖。由圖可見，器件各部分輪廓清晰，未見空洞、斷裂等缺陷。圖2為樣品的側視（Z方向）圖，由圖可以清晰的分辨出引腳處的鍵合絲a和鍵合點區域（如圖中紅色虛線框所示）。但仔細觀察發現焊接點區域圖像襯度不同，出現明顯分層（圖中標為b、c），且界面清晰。由于不同材料對X射線的穿透能力不一樣，因而形成的圖像的襯度也不同。圖2中b、c處的分層說明鍵合點區域可能由不同材料構成。

2.2.3 超聲掃描

利用SAM300系列聲掃設備對樣品進行檢查，發現無明顯空洞、裂紋等不符合要求的缺陷。

2.2.4 內部目檢

樣品研磨制樣后，采用SZX系列立體顯微鏡和BX51金相顯微鏡對樣品內部進行檢查。圖3為樣品焊接區域的顯微圖像。其中白色虛線框為鍵合區，可以看出鍵合區出現明顯的分層，分為上鍵合點b和下鍵合點c，且界面清晰，這與X射線觀察得到的結果一致。但上層鍵合點b與鍵合絲a圖像均勻，且無明顯界面，說明鍵合絲和上層鍵合點可能為同種材料。

2.2.5 SEM與電子色散能譜（EDS）分析

為進一步對鍵合絲和上層鍵合點進行檢查，并驗證上面的猜測，我們利用SEM對該區域的斷面進行了觀察，結果如圖4所示。由圖可以看出，上鍵合點b與下鍵合點c界面清晰，而與鍵合絲a之間無分層界面，且二者圖像均勻。這與前面X光檢查和內部顯微圖像結果相吻合。進一步地利用EDS對鍵合絲和鍵合點區域（圖4種虛線所圍成的區域）材料進行成分分析，結果見圖5。其中圖5（a）為鍵合絲a的結果，由圖可以清晰的觀測到大量Cu的特征峰（圖中的主峰），其質量百分比為94.06%。另外還觀測到了鍵合絲表面吸附的少量的C（質量百分比5.94%），這表明了鍵合絲為Cu絲。對應的Cu和C的元素質量比例見表1。圖5（b）為對上層鍵合點b分析的圖像，其結果與圖5（a）類似，含92.29%的Cu，這表明上層鍵合點和鍵合絲的主要成分均是Cu。圖5（c）對應下層鍵合點的成分分析結果。由圖可以看出，除了觀察到C、Cu外，還觀察到了大量的Au的特征峰，其質量分數占到了89.27%。這表明下層鍵合點與上層鍵合點不同，其主要成分是Au而不是Cu。Cu的存在可能是從上層鍵合點中的Cu擴散到了下層鍵合點，亦可能是Au中摻雜的Cu。另外還觀測到了少量的N（3.17%）和W（0.18%），前者為樣品吸附的N，W則來源于Au中摻雜的雜質元素。表1列出了a、b、c各區域的成分分析結果。前面X射線檢查、金相顯微圖像和SEM圖片均證明了鍵合點出現分層，結合EDS結果可以得出上、下層鍵合點分別為Cu、Au。本批次產品與該公司長期以來提供的產品不同——鍵合點不存在分層，鍵合絲與鍵合點均為同種材質。

3 結論

本文對進口塑封電路進行了補充篩選和DPA試驗。篩選結果未發現存在不合格的電路。但在進行DPA試驗時，X射線檢查發現引腳處鍵合區域存在分層，進一步地通過金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡確認了焊點分為上下兩層，兩層之間界面清晰，且上層鍵合點與鍵合絲圖像均勻、一致。借助電子能譜儀對成分進行了分析，發現下層鍵合點材質為Au，而上層鍵合點和鍵合絲則由Cu構成。該案例可為同類電子產品的識別提供參考和借鑒。

【參考文獻】

[1]王守國.電子元器件可靠性[M].北京：機械電子工業出版社，2014：1-9.

[2]付桂翠，陳穎，張素娟，高成，孫宇鋒.電子元器件可靠性技術教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010：43-45，126.

[3]單聰，田寶杰，張甲林.淺議裝備元器件采購的管理工作[J].中國軍轉民，2015，2：59-60.

[4]聶國健，周軍連，任艷.進口偽劣電子元器件的防范及應對措施[J].質量與可靠性，2011，4：44-48.

[責任編輯：田吉捷]