梁栋程 何志刚 龚国虎 王淑杰 王晓敏
（中国工程物理研究院计量测试中央）
择要：
对两只塑封器件开封后进行内部目检，创造一只样品存在金属层损伤毛病，另一只样品芯片表面有大量多余物。利用扫描电镜和能谱仪对毛病部位和多余物进一步进行描述不雅观察和元素身分剖析，结果表明金属层损伤部位有导电银浆残留物，损伤描述明显为压应力造成，而芯片表面的大量多余物也含有导电银浆残留物，呈扁平状，局部区域有钝化层被压碎的描述特色。根据微电子塑封封装工艺流程进行剖析，认为芯片损伤机理为：粘接工艺掌握不良导致导电银浆在芯片上残留，环氧塑封料固化过程中紧缩产生的压应力通过银浆残留物将芯片金属层和钝化层压碎。
弁言
随着可靠性的提高，塑封器件逐步运用于航天、航空等高可靠性领域。为提高塑封器件的利用可靠性，一方面，须要生产厂商按设计哀求严格掌握每一道工序；另一方面，须要检测剖析职员对检测过程、运用过程中创造的问题进行机理性剖析，将剖析数据反馈莅临盆厂商以改进工艺。以毁坏性物理剖析（ＤＰＡ）、失落效剖析（ＦＡ）为代表的剖析技能手段对塑封器件工艺水平的提高发挥了积极浸染。
在塑封微电子器件的制备工艺中，芯片粘接工艺是最主要的环节之一，采取导电银浆粘接芯片是最常用的粘接工艺之一。比较于传统锡铅焊料，导电银浆具有固化温度低、较高柔性、更好的热膨胀系数匹配等方面的优点，更主要的是导电银浆是绿色环保组装材料，替代传统的锡铅焊料已成为一定趋势。对付导电银浆或其它粘芯胶的运用而言，文献常常宣布的是热膨胀系数不匹配在固化过程中引起芯片翘曲，热循环载荷、热冲击和高温高湿等环境条件对粘接可靠性的影响，导电粒子类型、大小和用量等对粘接可靠性的影响。从失落效形式来看，紧张有热应力毁坏导致疲倦失落效、湿应力导致寿命大大降落、制造过程中产生的空洞和气泡导致应力集中而大大降落热疲倦寿命。而对付塑封封装的失落效，国内外文献更多的宣布是回流焊引起的塑封分层、吸潮引起的塑封开裂、芯片粘接失落效、爆米花效应等常见问题。
这些常见问题的宣布，能引起生产厂商的重视，并改进工艺以提高塑封器件的可靠性。然而，一些不常见的问题却由于文献鲜有宣布，随意马虎受到忽略。在对某批次塑封器件进行ＤＰＡ内部目检的过程中，创造抽检的两只样品芯片表面均有不同程度的多余物，并伴随不同程度的芯片损伤。利用扫描电镜和能谱仪对损伤部位的描述、元素身分进行了剖析，创造损伤部位存在不同程度的导电银浆残留物沾污，对沾污的来源及其对芯片损伤的机理进行了剖析，并通过描述比拟剖析，打消了开封过程引入损伤的可能性。结果对生产厂商重视干系工艺环节具有一定的参考代价。
1试验
利用发烟硝酸在８５℃去除塑封料后，对两只塑封器件进行ＤＰＡ检测的内部目检项目，在显微镜放大倍数５０～２００倍的条件下检讨芯片表面描述，创造两只样品分别存在金属层损伤毛病（１号样品）和多余物毛病（２号样品），分别依据GJB548B方法2010.13.1.1.1a条和3.2.5a条毛病判据剖断不合格，见图１。为进一步剖析毛病的形成机理，将两只塑封器件镀金后，利用扫描电镜对毛病部位进行背散射电子成像，以理解身分衬度，用能谱仪对毛病部位进行元素剖析，以理解毛病部位的元素分布情形。
2 结果与谈论
2.1 毛病部位描述及元素分布剖析
分别对１号、２号样品进行背散射电子成像，结果如图２、图３所示，可以创造在１号样品损伤部位有亮色物质，而２号样品的多余物也呈亮色。背散射电子成像的基本事理是利用高能电子束与样品内部的原子核浸染，“反弹”回电子，探测器网络后进行成像，原子序数越大，原子核就越大，“反弹”的电子就越多，旗子暗记也就越强，在图像上就会表示出较亮的特色，因此，背散射电子像最能反应样品表面的身分衬度。对付Ｓｉ基半导体器件而言，正常情形下，芯片表面含有的元素紧张为Ｎ、Ｏ、Ａｌ、Ｓｉ，个中Ｎ和Ｏ分别与Ｓｉ结合形成玻璃钝化层Ｓｉ３Ｎ４和钝化层ＳｉＯ２，并沉积于除键合区外的整块芯片上，而Ａｌ和Ｓｉ的原子序数分别为13和14，相差很小，因此，背散射电子像也无法表示出身分衬度。从图２、图３也可以看出，在芯片的正常区域无明显的身分衬度，而在毛病部位存在的亮色物质解释了毛病部位引入了原子序数明显大于芯片表面正常元素的物质。
对亮色物质进行能谱剖析，并与芯片表面正常部位进行比拟，结果如图４所示，可以创造亮色物质明显含有Ａｇ元素。
2.2 毛病形成机理剖析
从硅基半导体塑封器件的工艺流程剖析，产生Ａｇ元素的环节只可能是粘接工艺。文献宣布了采取导电银浆粘接芯片的工艺流程为：首先利用点胶设备将银浆分配到引线框架或基板上，然后利用真空吸嘴将蓝膜上的芯片拾取起来并放置在基板上点胶部位，最后进行烘烤固化，如图５所示。在该粘接工艺过程中，如果点胶过程掌握不好，就会涌现拖尾征象，致使在基板上的银浆材料过多，利用真空吸嘴将芯片放置在点胶部位时，会有一定的压力，致使下层的银浆溢出到芯片表面，且还有可能会沾污真空吸嘴，拾取下一个芯片时，银浆就会残留在芯片表面。
经由打线键合工艺后，芯片将被送入塑封封装模具的型腔中进行环氧灌封，然后固化。在环氧固化过程中，一定会紧缩产生一定的应力，且由于环氧塑封料、芯片、引线框架之间热膨胀系数不匹配，在后期环境试验或在自然环境下贮存中均会产生一定的应力。干系文献宣布了环氧固化过程中产生应力导致硅芯片分裂、石英砂损伤金属化布线等情形，见图６。在日常ＤＰＡ检测中，也创造了类似的二氧化硅颗粒损伤金属层的情形，见图７。将图６、图７与图２（ｂ）比拟，可以创造金属层损伤的形态基本同等，都存在明显受到挤压后碎裂状形态。其余，从图３（ｂ）可以看出，银浆明显压破了钝化层，进一步解释了芯片表面上的银浆受到的压应力状态，而这种压应力的产生应是来源于环氧固化紧缩。
通过以上结果，可以剖析塑封器件芯片损伤的机理为：粘接工艺掌握不良，导致银浆多余物残留于芯片表面，在环氧塑封料固化过程中，由于紧缩产生压应力，压应力通过芯片表面残留的银浆将金属层和钝化层损伤。根据芯片损伤机理剖析结果，对付生产厂商来说，有必要加强粘接工艺的掌握，可以从点胶内径、韶光、压力等影响点胶性能的紧张参数入手，通过优化平衡参数，掌握好该道工艺；此外，在环氧灌封前，加强目检环节也是必要的方法，根据ＧＪＢ５４８Ｂ方法2010-3.2.3的哀求，剔除“安装材料延伸至芯片顶部”的不合格品，然后再进行环氧灌封，可以避免银浆粘污芯片，从而进一步保障塑封器件的利用可靠性。
2.3 开封过程引入问题的打消
在开封过程中，镊子在夹放芯片时，镊子的尖端如果不慎碰到芯片是有可能造成损伤的，为了打消开封过程损伤芯片的可能性，将镊子损伤的芯片进行扫描电镜成像，描述如图８所示。将图８与图２进行比拟，可以创造镊子损伤芯片的描述有路径，损伤部位没有碎裂状的描述，而图２表示出来的描述则是碎裂状，因此，对付１号样品芯片表面存在的金属层损伤可以打消是开封过程引入的。
3 结 论
利用ＤＰＡ检测技能对两只塑封器件进行了内部目检，创造两只器件均存在ＧＪＢ５４８Ｂ规定的标准毛病，为不合格品。利用扫描电镜和能谱技能，并结合工艺环节，对毛病形成的机理进行了剖析，结果表明粘接工艺掌握不良造成两只器件存在不同程度的导电银浆沾污，环氧固化过程中，由于环氧料紧缩产生应力，通过沾污物将芯片表面的金属层和钝化层压碎。剖析结果对生产厂商重视粘接工艺环节有一定的参考代价。
