塑封集成電路結(jié)構(gòu)分析技術(shù)研究*

鄺栗山 王 坦

（航天科工防御技術(shù)研究試驗中心 北京 100854）

1 引言

由于航天產(chǎn)品對元器件小型化、輕型化的迫切需求，以及國外高質(zhì)量等級元器件的可獲得性日益艱難等因素，促進(jìn)了國產(chǎn)替代和新研器件的發(fā)展。然而這些器件的內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、材料或工藝能否完全滿足軍用環(huán)境的使用要求，僅通過現(xiàn)有的檢測篩選手段是難以進(jìn)行全面的評估。

半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)分析就是針對器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料與工藝，甚至是內(nèi)部管芯各層結(jié)構(gòu)的工藝質(zhì)量情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)其不適應(yīng)軍用環(huán)境要求的內(nèi)部及外部因素，并針對所發(fā)現(xiàn)的問題，提出改進(jìn)建議［1～5]。從技術(shù)角度上講，主要是對國產(chǎn)化替代或者新研元器件開展相關(guān)驗證分析，剔除不適用于特殊環(huán)境的結(jié)構(gòu)或設(shè)計，降低元器件應(yīng)用風(fēng)險。

2 結(jié)構(gòu)分析流程

結(jié)構(gòu)分析的目的是解決元器件是否適用于特殊環(huán)境的要求，因此結(jié)構(gòu)驗證必須將元器件和使用環(huán)境要求結(jié)合起來，在方案制定時充分考慮已知的各種結(jié)構(gòu)，并結(jié)合廠家提供的相關(guān)信息資料進(jìn)行。結(jié)構(gòu)分析初步流程如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)分析試驗程序

3 結(jié)構(gòu)單元分解

結(jié)構(gòu)單元分解是對元器件的整體結(jié)構(gòu)按照功能單元和物理單元進(jìn)行二級或三級層次分解，獲得結(jié)構(gòu)要素，以此作為確定分析試驗項目、策劃試驗流程的依據(jù)。

圖2 塑封器件典型封裝結(jié)構(gòu)圖

以MAXIM生產(chǎn)的型號為MAX1270AEAI的塑封集成電路為例，其典型結(jié)構(gòu)組成如圖2所示，針對塑封集成電路的結(jié)構(gòu)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)單元分解和結(jié)構(gòu)要素識別，如圖3所示。

4 結(jié)構(gòu)要素識別

塑封器件中不同的結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)不同的失效機(jī)理，通過對塑封器件常見的失效模式和失效機(jī)理進(jìn)行調(diào)研分析［6～13]，并找出其對應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元，根據(jù)結(jié)構(gòu)單元制定相應(yīng)的試驗項目，如表1所示。

對識別不同結(jié)構(gòu)單元的試驗項目進(jìn)行合并，以塑封器件結(jié)構(gòu)為對象形成結(jié)構(gòu)要素識別方法，如表2所示；并按照先非破壞性后破壞性的原則，編制結(jié)構(gòu)分析試驗程序和樣品分組，如表3所示。

圖3 塑封器件結(jié)構(gòu)單元分解圖

表1 塑封器件失效機(jī)理的試驗項目

表2 結(jié)構(gòu)要素組成和識別方法

表3 塑封單片電路結(jié)構(gòu)分析程序

5 結(jié)構(gòu)分析試驗

5.1 外觀檢查

MAX1270AEAI塑封集成電路采用典型的塑封SOP表貼封裝形式，標(biāo)識采用激光打標(biāo)后涂覆漆料的方式。4只器件樣品整體外觀完好，表面標(biāo)識清晰，塑封體完整，無針孔、空洞等缺陷；器件引腳結(jié)構(gòu)完好，表面鍍層均勻，無銹蝕、沾污、變形、裂痕等缺陷，如圖4所示。

圖4 樣品典型外觀形貌

5.2 X射線檢查

通過X射線檢查及三維CT掃描檢查發(fā)現(xiàn)，4只樣品內(nèi)部結(jié)構(gòu)一致性較好，芯片粘接良好，無空洞、裂痕等缺陷形貌；內(nèi)部引線框架無變形、斷裂、損傷等工藝缺陷；鍵合絲無沖絲、頸縮損傷等異常現(xiàn)象，如圖5所示。

圖5 樣品典型X射線及CT掃描結(jié)構(gòu)形貌

5.3 SAM檢查

通過超聲掃描顯微鏡（SAM）檢查，發(fā)現(xiàn)4只樣品中有1只樣品局部引腳出現(xiàn)了鍵合區(qū)域的引腳分層，表明該只器件引腳外鍵合點區(qū)域?qū)儆诒∪醐h(huán)節(jié)，后續(xù)應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的評價考核，如圖6所示。基于該器件發(fā)生了塑封體的分層，該只器件樣品被單獨挑選了出來，作為后續(xù)剖面制樣分組（2分組）的樣品之一。

圖6 樣品典型SAM檢查形貌

5.4 耐溶劑試驗

選取2只樣品（1分組）進(jìn)行樣品表面標(biāo)識耐溶劑試驗，試驗后對器件表面進(jìn)行觀察，塑封體表面未見出現(xiàn)涂覆層脫落、褪色、起皮、抹掉現(xiàn)象，表面標(biāo)識依然可辨識，該項試驗結(jié)果證明器件標(biāo)識涂覆質(zhì)量良好。

5.5 開封及內(nèi)部檢查

對1分組2只器件進(jìn)行化學(xué)開封，并進(jìn)行觀察。由于采用了X射線定位+激光開封+掩膜+化學(xué)腐蝕的綜合開封方法，器件開封效果良好，內(nèi)部芯片及鍵合、粘接結(jié)構(gòu)得到了完整保留。

首先對內(nèi)部整體進(jìn)行觀察：內(nèi)部結(jié)構(gòu)完好，芯片焊盤采用32μm金絲球形焊工藝，外鍵合點采用楔形焊工藝，均為較為成熟的鍵合工藝。內(nèi)外鍵合點和引線框架完整，這與X射線結(jié)果一致。對芯片表面進(jìn)行觀察：芯片采用較為典型的CMOS工藝制造，版圖完整，表面互聯(lián)良好，未見明顯的版圖缺陷和互聯(lián)缺陷，鈍化層也未見明顯的裂紋、破損等現(xiàn)象。鍵合焊盤在開封過程中未受明顯腐蝕，保留較為完整。器件內(nèi)部芯片形貌見圖7。

圖7 開封后器件內(nèi)部形貌

5.6 SEM檢查

采用掃描電子顯微鏡對芯片表面進(jìn)行SEM檢查，試驗過程中，芯片表面鈍化完好，金屬化附著良好，未發(fā)現(xiàn)明顯的空洞、裂紋、分隔、凹陷、凹槽、隧道或其組合缺陷。芯片最壞情況下的金屬化形貌如圖8所示。

圖8 芯片最壞情況下的金屬化SEM形貌

5.7 鍵合強(qiáng)度試驗

對1分組的2只樣品進(jìn)行鍵合拉力試驗，試驗方法參照GJB548B-2005方法2011.1進(jìn)行，器件采用32μm Au鍵合工藝，試驗結(jié)果如表4所示。

表4 1分組樣品破壞性鍵合拉力試驗結(jié)果

可以看到，在化學(xué)開封后鍵合點不可避免受到一定程度損傷的情況下，1分組兩只樣品鍵合強(qiáng)度依然合格，證明器件鍵合工藝良好，但因器件外鍵合點存在分層擴(kuò)展風(fēng)險，建議對器件外鍵合點鍵合強(qiáng)度進(jìn)行考核試驗。

5.8 鈍化層完整性檢查

參照GJB548B-2005方法2021程序B條件，對鍵合強(qiáng)度試驗后的1分組2只器件內(nèi)部芯片進(jìn)行鈍化層完整性檢查，可見芯片表面未作鈍化處理的部分（鍵合焊盤）出現(xiàn)了鋁腐蝕現(xiàn)象，其余區(qū)域為觀察到明顯的鋁金屬化結(jié)構(gòu)的腐蝕。該項試驗進(jìn)一步證明器件芯片表面鈍化層完整，無針孔、破損等缺陷。試驗前后焊盤附近區(qū)域顯微鏡形貌如圖9所示。

圖9 腐蝕前后鋁焊盤附近區(qū)域顯微形貌

5.9 制樣鏡檢

將剩余的2只器件（包括出現(xiàn)引腳鍵合區(qū)分層的1只樣品）作為2分組分別沿器件長邊和短邊方向進(jìn)行制樣鏡檢，可見塑封集成電路典型剖面結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 塑封集成電路剖面結(jié)構(gòu)

利用金相顯微鏡和掃描電鏡進(jìn)行檢查，結(jié)果為：芯片基板及引線框架采用銅基體鍍銀結(jié)構(gòu)，鍍層均勻，平均厚度為4.9μm，芯片與基板之間采用銀漿料粘接，粘接形貌良好，粘接料內(nèi)無明顯的裂紋、空洞等缺陷，基板下表面有多個梯形凹槽，可以增強(qiáng)與包封料之間的結(jié)合力，如圖11所示。

圖11 基板結(jié)構(gòu)、鍍層厚度及粘接厚度剖面形貌

外引腳表面鍍有錫助焊層，平均厚度為30.6μm，鍍層形貌良好，無腐蝕現(xiàn)象，如圖12所示。

圖12 器件引腳鍍層剖面形貌

芯片焊盤處鍵合點對準(zhǔn)良好，內(nèi)鍵合點Au-Al鍵合和外鍵合點Au-Ag鍵合界面結(jié)合良好，為典型集成電路鍵合材料組合，無明顯的互擴(kuò)散導(dǎo)致的金屬空洞或金屬間化合物（如紫斑）形成，如圖13所示，說明鍵合工藝控制良好，但Au-Al鍵合存在發(fā)生柯肯德爾效應(yīng)的可能，建議對其可靠性進(jìn)行評估。

圖13 鍵合點剖面形貌

對于引腳鍵合區(qū)分層的樣品，從其外鍵合點剖面可見，塑封料和引線框架的界面處存在縫隙，在使用過程中，縫隙可能逐漸變大、擴(kuò)展，降低外鍵合點的強(qiáng)度，屬于薄弱環(huán)節(jié)，如圖14所示。

圖14 外鍵合點與塑封料的界面剖面形貌

6 結(jié)語

經(jīng)過檢查與分析，該批器件采用典型的塑封SOP結(jié)構(gòu)和工藝，工藝控制成熟，未見明顯材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計缺陷，但器件芯片采用Au-Al鍵合的結(jié)構(gòu)，該種結(jié)構(gòu)應(yīng)嚴(yán)控工藝參數(shù)，盡量降低發(fā)生柯肯德爾效應(yīng)的可能，建議對其工藝進(jìn)行針對性評估。另外，該器件局部存在外鍵合區(qū)域分層，微觀下可見有明顯的縫隙，如應(yīng)用于高可靠領(lǐng)域仍需對分層缺陷擴(kuò)展趨勢及鍵合強(qiáng)度進(jìn)行考核評價。