半导体封装内部芯片和外部管脚以及芯片之间的连接起着确立芯片和外部的电气连接的重要作用。半导体器件的封装中,多采用引线键合的方式实现内部芯片和外部管脚以及芯片之间的互联技术;引线键合以工艺实现简单、成本低廉、适用多种封装形式而在连接方式中占主要地位,目前所有封装管脚的90 %以上采用引线键合连接。键合是半导体器件生产过程中的关键工序,对半导体器件的产品合格率有很大影响。
在半导体器件的使用过程中,只要其中一个键合点损坏,将导致器件失效,轻者造成器件部分功能丧失,严重者则完全功能丧失。半导体器件的本质失效约有1/3~1/4是由引线键合引起的,故其对半导体器件长期使用的可靠性影响很大。
键合工艺不良造成失效
键合焊接时,劈刀寿命达到期限,磨损过多,以及焊接参数(时间、压力)设置不当,都可能导致键合点在以后器件使用过程中产生失效。
1、 键合压力大造成键合点失效
某型号检波二极管在随组合完成振动试验后,发现两只器件失效,失效模式均为开路。用体视镜对两只失效器件外观进行观察,未发现明显异常。启封器件,置于显微镜下观察,发现两只失效器件内部芯片键合点脱键(如图1、2所示)。
从开路键合点的形貌看,键合点金丝变形非常严重,边缘已经变得非常薄且有明显的开裂现象,说明键合焊接时,压力过大。键合压力大,键合点根部损伤严重,容易开路,另外,由于键合点非常薄且很容易出现“压裂”情况,受机械力的冲击,很容易出现开路失效。
2、 键合压力小引发开路
键合时压力小,有可能造成键合点“未压牢”,键合丝与焊盘之间“融合”面积较小,受到机械冲击力作用,或者是温度应力作用(尤其是被塑封材料包封的键合点),键合点很容易与焊盘分离而开路失效。
某型号多丝发光二极管随整机进行试验时失效。对失效二极管外引脚进行测试,发现二极管开路失效。对器件进行X射线检查,键合丝未见明显断丝现象(如图3所示)。
对发光二极管外壳进行解剖,采用化学方法去除环氧树脂包封料,并对暴露出来的8个二极管的各个连接端进行测试,发现1#二极管开路。采用体视显微镜和扫描电镜进行观察,发现1#二极管内键合点与芯片焊盘脱键,与正常键合点比较,失效键合点变形较小(如图4、5所示)。
对器件内部所有键合丝进行非破坏键合拉力试验,1#二极管内键合点脱键,“零克力”失效,其它键合丝合格。使用扫描电镜对1#键合脱键位置进行观察,发现1#键合焊接面积较小(如图6、7所示)。
3、 键合丝塌丝引发短路失效
键合丝塌丝触及器件内部裸露的导体即造成短路失效。引起键合丝塌丝的原因很多,有些是因为键合丝的长短控制不当引起的,有些是因为键合丝走向不合适导致的,还有些是因为键合之后人为失误造成的。由于键合丝搭接处于一种不稳定状态,有时器件的失效现象很难复现,给失效分析工作带来困难,下面的案例充分说明了这一点。
某型号隔离放大器随整机进行振动试验时,发生失效。常温下,对失效器件进行综合电性能测试,结果为合格。
之后,分别进行低温(-18 ℃,保温0.5 h后持续加电20 min)、高温(+60 ℃环境下,持续加电20 min)、常温(持续加电20 min) 测试,器件功能正常。
又对器件进行5次温冲试验(-55 ℃,125 ℃,0.5 h保温,转换时间小于1 min)后,常温持续加电20分钟测试,高温(+85 ℃环境下,持续加电50 min)测试,以及恒定加速度试验(条件为:3 000 g、Y1方向,1 min)后,常温持续加电20 min测试,结果均为合格。
将失效件返生产厂家进行振动试验。进行两次不加电振动试验,X、Y、Z方向各5 min。在每个方向的振动完成后,对器件加电5~10 min进行测试,结果为合格。
第二次振动试验功率谱密度(PSD)比第一次增加50 %,X、Y、Z方向各5 min。同样在每个方向的振动完成后,对器件加电5~10 min进行测试,结果为合格。
之后再对失效样品按第二次振动条件进行加电振动试验。进行Z向(器件较长边方向)振动,刚刚起振,样品的正负隔离电压输出异常。停止振动并断电,重新加电后测试也正常。
以上试验结果表明,振动试验可以激励器件故障复现。将样品从振动台上取下,再次进行加电测试,样品的正负隔离电压不正常。说明器件故障现象已处于稳定状态。
接下来对器件进行X射线检查,发现器件内部管脚31键合金丝与附近独石电容端头间无明显间隙(如图8所示)。开封器件,通过显微镜观察发现,器件内部+15 V电源(Pin 31)键合金丝与附近独石电容一端头搭接(如图9所示)。从图中可以看出,该键合丝明显过长。
隔离放大器失效机理为:器件内部管脚31(+15 V)键合金丝与附近独石电容一端头搭接,造成+15 V电源跳过限流电阻,直接加在内部振荡器芯片的正电源,导致器件内部振荡器不能正常供电,产品功耗变大,隔离电压降低,导致器件无输出。
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