半导体芯片焊接方法及控制

Environmental Technology· 50October 2010 echnical ColumnT 技术专栏 摘要：电子元器件是电子产品最基本的组成部分，而半导体器件通常又是关键与核心器件；半导体器件失效数占电子元器件总 失效数的一半以上。本文针对半导体器件的失效案例进行筛选、汇总，按照失效类别、失效模式和失效原因进行分类统计，并 对统计数据进行分析；其结果可以为从事元器件质量管理、元器件研制、和整机人员在元器件研制、采购、试验、选 用和使用等全过程控制半导体器件失效提供重要的参考数据。 Abstract：Electronic components are the basic elements of electronic equipments, and the semiconductor components are usually the key components. But the failure of semiconductor components accounts 50% of whole failure of electronic components. In this paper, the failure cases of semiconductor components are screened and collected, and the statistics of the cases are conducted according to the failure type, failure mode and failure reason. The statistic data is analyzed and the result is useful to those people who are engaged in the quality control, development, procurement and use of electronic components to control the failure of electronic components. 关键词：半导体器件；失效案例；失效类别；失效模式；失效原因 Key words：semiconductor components；failure case；failure type；failure mode；failure reason 半导体器件失效案例统计与综合分析 The Statistics and Analysis of the Failure Cases of Semiconductor Components 文 | 航天科工防御技术研究试验中心 范士海 1 引言 半导体器件是构成电子产品的关键与核心器件。电子产品 的可靠性，在很大程度上取决于这些核心器件的可靠性。 航天科工防御技术研究试验中心元器件可靠性中心作为航 天科工集团元器件可靠性中心，是电子元器件失效分析的资质 单位。多年来，积累了许多电子产品用元器件失效分析案例。 半导体器件失效数占电子元器件总失效数的一半以上。对这些 案例进行分析、汇总，按照失效类别、失效模式和失效原因进 行分类统计，并对统计数据进行分析，从中发现一些规律，对 于从事元器件质量管理、元器件研制、采购和整机设计人员在 元器件研制、采购、试验、选用和使用等全过程控制元器件失 效都有重要的参考价值。 2 元器件失效类别、失效模式与失效原因 失效是指电子元器件丧失功能或降低到不能满足规定的要 求。电子元器件的失效模式通常指使元器件未达到规定的电性 能或物理性能要求而确定为失效元器件的拒收原因。它是表面 的直观的原因，对于半导体器件包括：开路、短路，性能退化、 参数漂移、无输出等。 元器件的主要失效类别分类为两大类，即元器件固有缺陷 引起的本质失效和使用不当引起的使用失效。元器件固有的缺 陷大多是由于设计材料、生产工艺中存在问题，使元器件留下 潜在隐患，当元器件装机使用一段时间后，在外界各种应力的 作用下，最终发生失效。而导致元器件使用不当而失效原因是 多方面的包括：设计不当、元器件选型不当、操作失误、过电 应力损伤、装配工艺及装配环境的不良造成元器件失效等。 3 半导体器件失效统计与分析 半导体器件按大类分包括：（单片）集成电路、分立器件、 混合集成电路等。分立器件又分为二极管、三极管和场效应管。 集成电路按功能又可分为：数字集成电路、模拟集成电路和模 数混合集成电路等；按封装材料又可分为：陶瓷封装、金属封 装和塑料封装等。下面失效案例的统计包括：（单片）集成电路、 混合集成电路、二极管、三极管和场效应管等。鉴于目前电子 51 ·环境技术2010 年 10 月 echnical ColumnT 技术专栏 设备上大量采用质量等级偏低（如工业级或商业级）的塑封表 贴器件，而塑封器件的失效模式及失效原因经常与塑料封装有 关。所以对塑封半导体器件的失效案例单独进行统计。 3.1 半导体分立器件的失效类别、失效模式和失效原因统计 分析 分立元器件主要失效模式及机理如表 1所示。 以下对二极管、三极管和场效应管失效情况进行统计分析。 3.1.1 二极管 1）失效类别 按照二极管的失效类别进行统计，本质失效和使用（误用） 使用的情况见表 2所示。 根据表 2 的统计情况，可以看出二极管失效中，使用失效 和本质失效比例相当。 2）失效模式 二极管的失效模式及各种失效模式的分布情况如表3所示。 短路和阻性穿通失效基本是由二极管 p-n 结击穿引发的； 两者相加占总失效数量的近六成。 3）失效原因 二极管失效原因统计情况如表 4所示 过电应力可以导致二极管芯片击穿烧毁，芯片p-n结损伤， 键合丝熔断等失效模式。芯片粘结缺陷可以造成器件内部芯片 局部过热，造成器件参数退化，甚至可以造成内部芯片击穿。 3.1.2 三极管 失效模式 失效机理 参数退化 生产制造过程中工艺缺陷：沾污、腐蚀、内部缺陷、 氧化层缺陷、金属化层缺陷、芯片焊接（粘接）缺陷。 使用过程中过电应力：过电压、过电流、超功率。 短路（永久性短 路、间歇性短路） 工艺不良引起：装配缺陷、沾污、芯片缺陷。过电应力： 过电压、过电流、超功率。 开路（永久性短 路、间歇性开路） 多与时间因素有关。内引线断裂、芯片脱落、金属化 层断裂等。另外过电应力的使用也会使晶体管发生开 路，熔断互连导线、薄膜金属化层蒸发熔融开裂、芯 片短路造成内引线或铝互连导线熔断而开路失效 机械缺陷 封装材料、管壳、管脚材料氧化、锈蚀、腐蚀开裂、裂纹、结合性能差、不能焊接或熔接引线、密封性能退化等 表 1 半导体分立元器件主要失效模式及机理 表 2 表 3 表 4 表 5 表 6 失效类别 本质失效 使用失效 总项数 项数 14 16 30 百分比 46.7% 53.3% / 失效模式 开路 短路 阻性穿通 参数退化 项数 6 11 6 1 百分比 20.0% 36.7% 20.0% 23.3% 失效原因 过 电 应 力 损伤 芯 片 粘 结 缺陷 芯片缺陷 键合脱键 机 械 力 损 伤 项数 15 11 2 1 1 百分比 50.0% 36.7% 6.7% 3.3% 3.3% 失效类别 本质失效 使用失效 总项数 项数 29 43 72 百分比 40.3% 59.7% / 1）失效类别 按照三极管的失效类别进行统计，本质失效和使用（误用） 使用的情况见表 5所示。 根据表 5 的统计情况，可以看出三极管失效中，使用失效 比例高于本质失效比例。 2）失效模式 三极管的失效模式及各种失效模式的分布情况如表6所示。 开路失效数占总失效数接近一半。一般情况下，产生开路 失效是由于器件电极受到了大电流的作用，导致内部键合丝.熔 断，这种情况尤其以发射极内部键合丝熔断最为常见。产生短 路 / 阻性穿通失效主要以器件受到过电应力作用，芯片击穿烧 毁情况为主。 3）失效原因 三极管失效原因统计情况如表 7所示。 过电应力可以导致三极管键合丝熔断，芯片击穿烧毁，芯 片 p-n 结损伤等，造成器件致命失效或参数超差。芯片工艺缺 陷包括芯片表面沾污，钝化层缺陷、铝条划伤等，这些缺陷可 以造成器件参数超差及功能失效等。 3.1.3 场效应管 1）失效类别 按照场效应管的失效类别进行统计，本质失效和使用（误用） 使用的情况见表 8所示。 根据表 8 的统计情况，可以看出场效应管失效中，使用失 失效模式 开路 短路 阻性穿通 参数退化 项数 35 11 11 15 百分比 48.6% 15.3% 15.3% 20.8% Environmental Technology· 52October 2010 echnical ColumnT 技术专栏 效占失效总数的八成以上。 2）失效模式 场效应管的失效模式及各种失效模式分布情况如表9所示。 短路和阻性穿通失效占失效总数的八成以上，短路失效包 括 G、S、D 两两短路失效，G、S 短路失效等；产生短路失效 和阻性穿通的原因包括过电应力击穿烧毁，栅极静电损伤等。 3）失效原因 场效应管失效原因统计情况如表 10 所示 过电应力可以导致场效应管芯片击穿烧毁，芯片 p-n 结损 伤，键合丝熔断等失效模式。瞬时过电应力（如静电）可以导 致场效应管栅极损伤等。 3.2 单片集成电路失效类别、失效模式和失效原因统计分 析 对于单片集成电路而言，通常有开路、短路、参漂和功能 失效四种失效模式。集成电路的主要失效模式与失效机理如表 11 所示： 1）失效类别 按照集成电路的失效类别进行统计，本质失效和使用（误用） 使用的情况见表 12 所示。 根据上表的统计情况，可以看出集成电路失效绝大部分是 失效原因 过电应力损伤 芯片工艺缺陷 键合工艺缺陷 导电多余物 芯片沾接陷 器件内部腐蚀 外电极间多余物搭接 项数 42 18 5 4 1 1 1 百分比 58.3% 25.0% 6.9% 5.6% 1.4% 1.4% 1.4% 表 7 表 8 表 10 表 12 表 11 表 9 失效类别 本质失效 使用失效 总项数 项数 4 18 22 百分比 18.2% 81.8% / 失效模式 短路 阻性穿通 开路 参数退化 项数 13 5 2 2 百分比 59.1% 22.7% 9.1% 9.1% 失效原因 过 电 应 力 损伤 瞬 时 过 电 损伤 芯片缺陷 导 电 多 余 物 键合缺陷 项数 16 2 2 1 1 百分比 72.7% 9.1% 9.1% 4.5% 4.5% 失效类别 本质失效 使用失效 总项数 项数 35 166 201 百分比 17.4% 82.6% / 失效模式 主要失效机理 开路 EOS、ESD、电迁移（EM）、应力迁移（SM）、腐蚀、键合点脱落、机械应力、热应力 短路 pn 结缺陷、EOS、介质击穿、水汽、金属迁移 参漂 氧化层电荷、表面离子、芯片裂纹 功能失效 EOS、ESD、Latch-Up 因为使用不当造成的。 2）失效模式 在以下的失效案例统计中，器件失效模式反映的器件在整 机出现故障时，表现出来的失效模式，或对失效器件进行综合 电性能测试所表现出来的失效模式。由于无论是开路还是短路， 在整机上或对器件进行测试时，器件表现出来的失效模式通常 都是功能失效，所以并未严格的加以区分。集成电路的失效模 式及各种失效模式的分布情况如表 13 所示。 根据表 13 的统计数据，集成电路失效分析案例中，功能失 效是其主要的失效模式。 3）失效原因 集成电路的失效原因统计情况如表 14 所示。 造成集成电路失效的原因中，由过电应力损伤引发的失效 占了近六成。过电应力可以造成器件内部芯片的击穿烧毁，键 合丝熔断。“闩锁效应”引发的集成电路失效也占有比较大的 比例，尤其是对 CMOS 器件。芯片工艺缺陷在造成器件本质失 效原因中，占有很大的比例，包括芯片沾污，钝化层缺陷等， 因此器件生产厂家（尤其是国内厂家）要特别注重前道工序的 质量控制。 3.3 混合集成电路失效类别、失效模式和失效原因统计分 53 ·环境技术2010 年 10 月 析 电子设备中，应用最多的混合集成电路就是 DC/DC 模块。 另一种常见的混合集成电路是 TO 金属壳封装的大功率运放电 路以及和运放配套使用，用以增加运放电流输出的缓冲电路。 混合集成电路失效模式包括：功能失效、无输出和输出异 常等。电源模块输出异常一般是由其内部元器件失效或管脚虚 焊所引发。对于电源模块这种内部集成了很多元器件的混合电 路，其中任意一个元器件失效都有可能造成电源模块输出异常。 1）失效类别 按照混合集成电路的失效类别进行统计，本质失效和使用 （误用）失效的情况见表 15 所示。 根据表 15 的统计情况，可以看出混合集成电路失效绝大部 分是因为使用不当造成的。但对模块电路而言，本质失效和使 用失效案例比例相当（6 比 7）。表 15 中，本质失效案例全部 为模块电路。 2）失效模式 混合集成电路的失效模式及各种失效模式的分布情况如表 16 所示。 表 16 的统计数据中，无输出和输出异常主要是针对 DC/ DC 电源模块的失效模式；输出异常包括电源模块输出时有时无 或输出电压超差等。 3）失效原因 混合集成电路的失效原因统计情况如表 17 所示 造成混合集成电路失效的原因中，在使用过程中因受到过 电应力导致器件失效的占总失效数量大部分，尤其是对于 TO 封装的大功率混合集成电路而言，更是如此。另一方面，模块 内部焊接不良占模块本质失效的绝大部分（五分之六）。所以， 模块电路的组装焊接工艺是生产厂家（特别是国内生产厂家） 必须进一步加强控制的薄弱工艺环节。 3.4 塑封器件的失效类别、失效模式和失效原因统计分析 塑封器件因封装的原因，存在着不容忽视的使用可靠性问 题。首先，因为非气密封装，随着时间的推移，潮气侵入至芯 片表面与微量杂质结合，使芯片表面受到侵蚀而损坏；其次， 塑封材料的导热性差，热阻大，其工作环境温度将受到限制， 尤其是对于功率器件使用时要充分考虑散热问题；另外，因塑 封材料与引线框架及芯片的热膨胀系数差别大，温度变化产生 的热失配可以引发芯片裂纹、封装裂纹、芯片粘附性变差、界 面剥离，键合脱离等失效。表 18 列出了塑封器件常见的失效现 象和机理： 1）失效类别 按照塑封半导体器件的失效类别进行统计，本质失效和使 用（误用）使用的情况见表 19 所示。 根据上表的统计情况，可以看出塑封半导体器件失效绝大 部分是因为使用不当造成的。 2）失效模式 塑封半导体器件的失效模式及各种失效模式的分布情况如 表 20 所示。 功能失效是器件原本有功能，因为失效而造成器件丧失功 能；无功能是指器件因无芯片或键合丝，由于无法筛选而未能 有效剔出，装机以后才被发现。出现此种情况，一方面反映了 塑封半导体器件质量良莠不齐，甚至有假冒伪劣的器件；另一 方面，也说明对装机前塑封器件的质量控制需要特别加强。 3）失效原因 塑封半导体器件失效原因统计情况如表 21 所示 受到过电应力作用，导致器件损坏是塑封半导体器件失效 的主要原因。过电应力可以造成器件内部芯片击穿烧毁，键合 丝熔断。有些塑封器件吸潮，过电烧毁时发热，还会产生爆裂， 即发生所谓的“爆米花”效应。另一方面，器件封装后，金丝 球被塑封材料紧固包裹，而芯片与塑封材料热涨系数差别较大， 器件在经历温循试验时，键合点部位应力集中，造成金丝球受 到热应力作用，导致金属化层/钝化层分层或者键合脱键。还有， 静电损伤也是造成塑封半导体器件失效的一个主要原因。 4 结束语 考虑到各种因素，如“统计样本数量有限”、“失效是 由多种原因共同作用的结果”等的影响，以上的统计数据未必 能够全面综合地反映半导体器件的失效情况。但统计结果还是 可以为从事元器件质量管理、元器件研制、采购和整机设计人 员提供有益的参考。如针对各类半导体器件“使用失效”占总 失效数的多数甚至是绝大多数的情况，而“过电应力损伤”是 echnical ColumnT 技术专栏 Environmental Technology· 54October 2010 echnical ColumnT 技术专栏 范士海：男，1963 年出生，博士学位。 作者简介 造成半导体器件“使用失效”的主要原因，整机设计人员在选 用元器件时应尽可能了解器件的抗过电应力能力，如工作极限 电压、极限电流、最高工作温度等，在条件允许的情况下， 选择抗过电应力强的器件，并要在设计上采取针对性的防护措 施。另外，针对国内混合集成电路本质失效主要是由于生产工 艺质量问题造成的，从产品本身预防失效发生来考虑控制措 施，应重点放在混合集成电路的生产过程质量控制上。对于塑 封器件，由于吸潮可以造成失效，应根据器件对潮湿的敏感度 等级，对器件存放的环境和温湿度进行相应的控制。如果采用 失效模式 功能失效 电源电流超差 电连接失 效 输出端对 地电阻减 小 管脚断裂 封盖脱开 项数 187 2 1 2 8 1 百分比 93.0% 1.0% 0.5% 1.0% 4.0% 0.5% 表 13 表 15 表 14 表 16 表 19 表 20 表 18 塑封器件常见的失效现象和机理 表 21 表 17 回流焊的方法进行板级焊装，之前要进行适当的高温烘烤，如 125°C/24h，以排除可能吸附的潮气；并在回流焊过程中选择适 当的温变速率和温变范围，以避免器件内部可能发生的分层。 装机后，要对器件加强三防防护。另一方面，塑封器件装机前， 应对器件进行百分之百的超声扫描检查，这样既可以发现内部 有分层的器件，又可以剔出无芯片、无健合以及芯片大小不一 致的器件。 失效原因 过电应力 损伤 闩锁效应 瞬时过电 损伤 机械应力 损伤 器件插接 错误 芯片工艺 缺陷 芯片粘结 缺陷 键合缺陷 外封装缺 陷 腐蚀 管脚材料 缺陷 多余物 版图不同 项数 120 27 10 6 3 14 2 5 2 8 2 1 1 百分比 59.7% 13.4% 5.0% 3.0% 1.5% 7.0% 1.0% 2.5% 1.0% 4.0% 1.0% 0.5% 0.5% 失效类别 本质失效 使用失效 总项数 项数 6 16 22 百分比 27.3% 72.7% / 失效模式 功能失效 无输出 输出异常 极间短路 项数 9 9 3 1 百分比 40.9% 40.9% 13.6% 4.5% 失效原因 过电应力 内 部 焊 接 不良 内 部 器 件 缺陷 过 机 械 应 力 多余物 项数 12 5 2 2 1 百分比 54.5% 22.7% 9.1% 9.1% 4.5% 失效类别 本质失效 使用失效 总项数 项数 9 29 38 百分比 23.7% 76.3% / 失效模式 功能失效 无功能 输出不稳定 管脚断裂 项数 34 2 1 1 百分比 89.5% 5.3% 2.6% 2.6% 失效部位 类型 失效现象 最可能的机理 芯片和内互联化学 腐蚀 沾污 枝晶生长 金属迁移 金属间化合物 氧化物 水汽和离子 生产过程控制不良 水汽、偏压和暴露的金属 铝金属化层中的电流密度 不同金属间的界面反应 金属暴露在氧气中 物理 开路 短路 引线键合不良、引线不良；热冲击、机械冲击或振动过应力引起的芯片裂纹；键合点偏离、腐蚀 或电迁移使内互联不良；由于注塑使引线键合损伤 由于工艺过程控制不良产生的颗粒、多余的内互连线、金属化迁移和枝晶生长 功能 丧失或退化 过电应力；ESD；辐照；高温环境 封装和引线化学 腐蚀 盐和恶劣气氛 多孔 /针孔 封装厂工艺不良（灌封的集成电路）；劣质金属（气密封装集成电路） 可焊性 劣质镀层、恶劣气氛 标志 高温环境、恶劣气氛、使用清洁剂不当 物理 泄漏裂开“爆米花式”分层 引线密封 焊接不良；热冲击、机械冲击或振动引起 (气密封装集成电路 )疲劳 在焊接期间吸收的潮气膨胀 (灌封的封装 )；工艺控制不良；热冲击（灌封的封装） 引线 /封装密封工艺控制不良，振动、温度循环造成机械疲劳（对两种封装工艺都存在） 失效原因 过电应力损伤 静电损伤 键合脱键 芯片缺陷 无键合或 芯片 机械力损 伤 项数 23 5 4 3 2 1 百分比 60.5% 13.2% 10.5% 7.9% 5.3% 2.6%