進口塑封集成電路鍵合點分層現象的識別

劉思易

（合肥工業(yè)大學，安徽合肥，230000）

0 引言

電子元器件是電子產品中最基礎的單元，其安全性水平直接影響整個系統(tǒng)的安全性水平。目前，在軍用電子器件中仍大量采用進口元器件，尤其是在嵌入式集成電路領域。以塑封的嵌入式集成電路產品為例，盡管其空氣密封性大大遜色于傳統(tǒng)陶瓷和金屬氣封裝電子產品，但因為其材質相對的輕、體積較小、技術簡便、成本低，再加上氣封工藝技術和材料的先進性，在商業(yè)上一直面臨著絕對優(yōu)勢。不過，由于受到市場購買途徑的影響，工業(yè)產品大多經由代理商購買，所以可能會出現如下狀況：生產設備原因不明、大量進口的滯銷產品或質量不良商品等，更難找到的是由廠家在境外的子公司制造或包裝，部分工廠生產工序品質較差，且監(jiān)控執(zhí)法不嚴。因此，如何確定可用的配件數量，以確保安全生產是非常重要的。目前，主要的預防措施是完成產品質量檢驗和檢測，以消除不合格產品。然而，有時很難只使用篩選測試來識別內部缺陷。然而可通過破壞性物理分析保證產品的質量，破壞性物理分析（DPA）是保證質量的另一項重要措施[7]。

我們對試樣進行試驗，試驗包括：初始室溫試驗、溫度循環(huán)、中間溫度試驗、老化、最后溫度試驗、溫度試驗、高溫試驗和外觀檢查。然后根據GJB4027A的特性采集樣品，并進行DPA試驗。然而，在X射線檢查期間，發(fā)現可能會對銷的連接點進行去礦化。這一結果后來由金相顯微鏡和雙掃描電子顯微鏡（SEΜ）證實。連接點分為上層和下層。兩層之間的接口清晰，頂部連接點相同，并與連接線的圖像兼容。用電子能譜（EDS）分析了下層連接點與連接線成分之間的關系。本案也為以后識別此類電子產品提供了重要依據[8]。

1 集成電路鍵合點特點分析

從芯片的封裝設計到集成電路的成品，實際操作首先是通過熱壓，將超聲波傳感器和鍵合點集成在一起集成電路基座連接。然后采用沖壓工藝，最終形成完整的集成電路節(jié)點。而嵌入式集成電路鍵合點的主要特點還包括：首先，因為連接點通常圍繞芯片而不是集成電路的中心，因為集成電路通常是正方形或矩形的，所以連接點也通常是正方形或矩形的。其次，由于集成電路鍵合點的距離和尺寸不取決于整個制造工藝過程，而是集中在內部密封工藝過程以及后端加工工藝測試設備[4]。第三，集成電路的連接點通常不采用易于通過內部引線連接的布置方式。最后，聚合節(jié)點本身通常是正方形的，而且間距應該相同。

由于鍵合點在整個集成電路中不僅至關重要，而且也很重要，因此鍵合點會隨著工藝線的細微變化而變化。事實上，結合點的限制對先進的生產線是非常不利的。一旦達到鍵合點指定的面積，細線的優(yōu)勢就無法充分發(fā)揮，因為芯片的面積不會也不會減少，單位晶圓的產量無法提高，批量生產的效率也難以提高。

不過，對中小企業(yè)來說，對于結合點的規(guī)定實質上很可能被當作一種“保護線”。由于有很多的電源，所以內部電路就比較簡潔，但是有一些借口，所以在芯片上有許多接口。對設計者而言，如果不能充分考慮積體電路組裝點的因素，內部功耗就很可能會減少，而鍵合點的體積也較大，從而導致了體積的損失。雖然上述問題都已吸引了一些產品研發(fā)部門的目光，但因為沒有必要的理論指導，于是人們通常選擇布局調整方法來處理這些問題[2]。鍵合點并不僅僅是聯系外圍集成電路的橋梁，而是對整個嵌入式集成電路的設計選擇和工藝水平，起著關鍵性的指導作用。

2 塑封集成電路分層的現象

包裝樹脂的非氣體密封方式易引起設備濕腐蝕以及產生爆米花效應，不同的材料參數極易造成界面破壞或分層。而一旦分層問題嚴重時，會影響元件內部電路的特性，進而降低了元件的安全性。所以，怎樣處理裝備層次問題，以提升裝置的合格率，并不僅僅是一個亟待解決的問題，而且是將其向航空、軍事等高可靠性領域發(fā)展的關鍵[8]。

2.1 分層簡介

分層是指不同材料和相關包裝界面之間的輕微剝離甚至分離，這是一個潛在的內部負載問題，這將導致內部組件損壞，并顯著縮短產品的保質期。這種現象的發(fā)生通常是指由于不同材料之間的熱膨脹系數差異較大而導致的。

圖1 集成電路的構成及封裝形式

這是由兩個因素形成的：首先是電壓熱損失和水分損失。對于塑料框架的包裝部件，分層的現象發(fā)生在包裝樹脂和塑料之間的界面，包裝樹脂和載體之間的界面，貼片和導體黏合劑之間的界面之間。至于BGA的封裝，這主要是封裝樹脂和銅基板DAP（塑料）之間的界面。

分層現象也會導致電氣缺陷，但有時無法直接檢查電氣缺陷。目前主要通過超聲波顯微鏡和SAΜ技術對缺陷塑料層和結構進行快速定位。SAΜ可以分析設備中不同材料界面的夾層和裂紋，重點檢查樹脂材料和其他材料之間的中間層和內腔之間的連接。測試結果不會損壞塑料和絕緣材料，也不會影響對故障的進一步分析。

利用各種材料中不同聲脈沖的超聲特征，得到超聲波傳感器中在各種界面處形成的反射波，從而分析后波的強度和相位信號，進而得到在不同界面上的一系列信號特征。當使用超聲波技術傳播兩種材料的界面信息時，在界面上就會產生透射和反射。透射比與反射比由兩個材料間的聲阻抗大小決定[6]。氣體和固體材料一樣，對空氣中的聲阻抗都非常小。而超聲波技術，如果在任何介質中都注入了空氣，且界面上的聲強反照率以R為1，那么超聲波傳感器將永遠無法穿透空氣。在一般情形下，封裝樹脂、晶片和引線框架中的返波為上升波，而分層后的返波則為降低波。

2.2 分層分析

塑料包裝包含各種包裝材料，如樹脂包裝、金屬引線框架、膠粘劑、金線、芯片等。硅的熱膨脹系數為3.5 ×10-6/k，而大多數樹脂包裝材料的體積比硅片和電線的體積大一個數量級[2]。當設備受到高溫或低溫的沖擊時，由于這些材料與TE值之間的溫度差異，塑料包裝中的每個材料的連接部分都會產生高濃度電壓。因此，界面內應力的數字分析方法很多，包括精細單元技術、J積分法、虛擬裂紋技術、區(qū)域能量釋放理論等。

有限元分析在封裝失效分析中也具有很普遍的運用。它能夠預測封裝內部的應力分布情況，也能夠說明芯片、載體材料以及塑料封裝內部應力傳導的機制等。本文中對塑料薄膜封裝器件（TAB）進行了界面熱脫層分析。并通過ANSYS軟件，對四分之一模型進行了熱模擬研究。所使用材料模具中的溫度控制，依賴于線性熱彈性公式。在沒有外界應力影響的情況下，溫度控制的均勻降低將會導致元件變形，使封裝的四角面水平和垂直收縮[9]。

塑封材料的電磁輻射效應，也是影響塑膠材料分層性能的主要因素之一。而在目前，EΜC（環(huán)氧塑料封裝材料）的適用范圍已經相當廣闊，且玻璃化轉變溫度tg值也較低，通常為100℃。當器件環(huán)境溫度接近tg值時，環(huán)氧樹脂的CTE和彈性模量對環(huán)境溫度變化特別靈敏。但一旦環(huán)境溫度發(fā)生顯著變化，CTE和彈性模量就會引起較大的室溫改變，進而使封裝樹脂的粘接表面更易于破裂或分層。

圖2

3 補充篩選實驗及DPA實驗

對全部的試樣，均進行了下列補充檢查試驗的項目：常溫初測、高溫循環(huán)、常溫中測、老煉、常溫終測、溫度試驗、高溫檢測、外觀檢驗等[2]。在該批次選擇兩個樣本，進行了下列各項的測試：外觀目檢、X射線檢測、超聲波掃描檢測，開封，內部目檢，和掃描電子顯微學（SEΜ）的測定[9]。

4 結果與分析

4.1 補充篩選試驗結果與分析

樣品經測試后，外形和所有電訊技術指標均符合規(guī)定，測試結果為合格。

4.2 DPA 試驗結果與分析

（1）外部目檢

在立體顯微鏡下對試樣外形進行檢測，尚未發(fā)現不符合規(guī)定的外形和結構瑕疵[2]。

（2）X射線檢查

圖3 樣品Y方向上的X射線檢查圖

采用XD7500VR實時X射線微焦點檢測系統(tǒng)對樣品進行檢測。整機各部分輪廓清晰，無空洞、斷裂等缺陷。樣品的側面寬度可以清楚地分辨出鉛和鉛的結合區(qū)。然而，通過精確的觀察，對比度圖像在不同的焊接區(qū)域，層次分明，界面清晰。由于不同材料對X射線的穿透能力不同，圖像的對比度也不同。X射線Z向掃描樣品的分層表明，接頭區(qū)可能由不同的材料組成。

圖4 樣品Z方向上的X射線檢查圖

（3）SAΜ檢查

利用掃描超聲顯微鏡通過對四個樣品中的一個樣品的測試，在分層拼接區(qū)域引入局部插針法，發(fā)現了插針在分層拼接區(qū)域中的位置，表明在分層拼接區(qū)域，然后進行進一步的評估，如圖所示。在對塑料包裝裝置進行化學分類的基礎上，僅將該裝置的樣品作為一組樣品（2組）中的一個樣品進行單獨的篩選，以制備后續(xù)部分的樣品。

圖5 樣品典型SAM檢查形貌

（4）開封及內部檢查

對一組中的兩個裝置進行化學觀察。由于采用X射線定位+激光解封+掩模+化學腐蝕的綜合解封方法，器件解封效果良好，內部芯片、鍵合和鍵合結構也被完全保留。首先，觀察內部整體：主體結構基本完整，芯片焊盤采用32μΜ金絲球焊工藝，外部融合點采用楔焊工藝，均屬于較為完善的結合工序。內部融合點和引線框架齊全，與X射線結果相符。觀察芯片表面：芯片使用經典的CΜOS工藝制作，內部版圖完好，表面互連良好，無明顯版圖瑕疵和互連問題，表面鈍化層也無明顯裂痕和磨損。在開封過程中，焊盤表面沒有明顯銹蝕現象，并保持了相對完整性[2]。

（5）SEΜ檢查

掃描電子顯微鏡（SEΜ）對晶圓表面進行了測試，晶圓表面鈍化效果完全，金屬化附著力好，沒有明顯的縫隙、裂紋、分離、塌陷、溝槽、隧道等常見問題。

4.3 制樣鏡檢

將剩余的兩個樣品裝置（包括一個帶有引腳結合區(qū)的分層樣品裝置）分為兩類，然后依次沿樣品裝置得長邊和短邊檢測樣品內窺鏡。

通過金相顯微鏡和電子顯微鏡掃描進行試驗。結果是：銀矩陣的銀蓋結構位于芯片基板和引線框架之間，覆蓋均勻，平均厚度約為49微米。另外，采用銀漿將塑料與基材結合，結合形態(tài)良好，無明顯裂紋，在基底的底面上有許多分布溝槽，可以增強與封裝材料的結合力[6]。

5 銅絲鍵合點可靠性評價方法

根據銅絲鍵合器件損壞的模型和主要原理，塑料封裝銅絲鍵合器件的安全性評估技術主要可包括如下兩部分。

5.1 鍵合工藝質量評價

鍵合工藝質量評價檢測項目包括：

（1）使用聲學掃描顯微鏡檢測塑封材料的密封狀況，并觀察部件內各種材質間的界面有沒有分層。

（2）利用水平剖面觀察鍵合焊盤和下層構件的粘接狀況，來確定粘接品質的好壞。

（3）采用化學開封，察看芯片表層的破壞狀況，或在剝離鍵合區(qū)的金屬后察看鍵合區(qū)中是否出現了下層結構被破壞的情形[3]。

圖6 AI—Cu鍵合界面上金屬化合物的層狀分布

5.2 環(huán)境耐久性評價

根據銅絲鍵合的主要損傷機制，對銅絲及其鍵合部分開展了持續(xù)的高溫老化、快速高溫循環(huán)和穩(wěn)態(tài)熱濕平衡等環(huán)境耐久性實驗。長期高溫老化，主要是指由于長期高熱而產生的材料熱脹冷縮，引起的高開路電壓以及鍵合絲連接條件不足也會導致合金的熱氧化，從而增加了金屬石英砂對芯片的熱擠壓破壞[3]。

穩(wěn)態(tài)濕熱：使大量水蒸氣流入封裝，導致芯片表面離子層暴露，進而加速因鍵合或坑裂而造成的滲漏；快速高溫循環(huán)：由于材料內部一致的高溫膨脹系數（CTE）導致界面分層和切屑剪切應力，進而形成粘結拉脫，進而暴露銅線粘結和假釬焊等問題[1]。

6 結論

對進口的塑料密封電路，也進行了補充試驗和DPA試驗。經檢測結果，未得到不合格回路。但是，在DPA試驗過程中，通過X射線檢查可以發(fā)現在插針的粘合區(qū)中，還具有一層。經過用金相顯微技術與掃描電鏡的實驗結果證實了焊點還包括了上下兩層，下層間的界面也清晰可見，上焊點與下層在鉚合區(qū)中的圖像也均勻而一致。研究結論還表明，下鍵合點全由金屬材料組成，而上鍵合點和下鍵合絲全由合金組成。該實驗分析也為后來同類電子產品的鑒定工作提供了參考。