熱膨脹係數不匹配導致的塑封器件失效

1 引言

　　塑封器件是指用塑料等樹脂類聚合物材料封裝的半導體器件。由於樹脂類材料固有的特點，限制了塑封器件在衛星、軍事等一些高可靠性場合的使用［1］。雖然自20世紀70年代以來，封裝材料、晶片鈍化和生產工藝得到了極大的改進，塑封器件的可靠性也隨之提高，但仍存在許多可靠性問題。這些可靠性問題大致可以分為：塑封材料固有的密封問題導致的腐蝕失效、爆米花失效等；生產工藝問題導致的晶片粘接缺陷、封裝缺陷以及鈍化層缺陷等［2］；由於塑封材料與晶片之問的熱膨脹係數（CTE）不匹配導致的低溫/溫衝失效。本文主要討論最後一種缺陷。

　　2 CTE不匹配導致的失效及其機理分析

　　通常由元器件生產廠商提供的塑封器件對溫度的要求不高，能滿足如下3種溫度範圍的要求即可：0℃-70℃（商業溫度）、-40℃～+85℃（工業溫度）、-40℃～+125℃（汽車溫度）。大量的失效案例表明［3］，在以上3種溫度範圍內，器件失效的比例很高。對失效器件的分析表明，外界的溫度衝擊或低溫環境造成的塑封材料對晶片的應力是主要機理。

　　2．1封裝分層

　　在從室溫到極端寒冷環境的溫度循環過程中，模壓複合物與基片或引線框之間的熱膨脹係數（CTE）差異會造成分層和開裂。在極端低溫下，由於與貯存溫度和包封溫度之間的差很大，可能會導致模壓複合物與基片或引線框之間分層和開裂。並且，隨著極端低溫的下降，開裂的可能性還會隨之增加（封裝經過-55℃～+125℃的熱循環時，引線框尖銳邊緣處就會出現開

　　裂和分層）。另外，潮氣會使低溫下基片與封裝材料界面上的分層加速。這種加速是由封裝內凝結水汽的凍結所引起。

　　2．2對晶片的機械應力

　　由於塑封料和矽的線性熱膨脹係數相差一個數量級（塑封料≈25×10-6℃-1，矽≈2．3×10-6℃-1，當溫度變化時，它們的尺寸變化相差會較大。例如，對角線為1cm的晶片，溫度每變化1℃，晶片對角線的長度可變化2．3×10-2μm；變化100℃，長度可變化2．3μm。而同樣長度的塑封料每變化1℃，其長度將變化25×10-2μm；溫度變化100℃，其長度將變化25μm。如果塑封料與晶片表面是分離的，塑封料將會在晶片表面移動，它的最大位移量將會大於11．35μm。然而在一般情況下，塑封料是黏附在晶片表面的，它不可能在晶片表面移動（但存在這種趨勢）。於是，在晶片和塑封料界面就會存在剪切應力。這個力可能會使晶片上附著力弱的金屬化層產生滑移（溫度升高，向晶片邊緣滑移；溫度降低，向晶片中

　　心滑移），造成金屬條間短路或開路；也可能會使鈍化層或多晶矽層破裂，造成多層金屬化層間短路。

　　另外，在電路封裝中，塑封料的固化溫度通常都高於150℃。當器件在0℃～70℃範圍時，塑封料對晶片表面有一個壓應力。溫度越低，壓應力越大。還有，在電路封裝使用的塑封料中都添加有一定量的石英砂（以減小塑封料的熱膨脹係數）。如果使用的石英砂沒有經過倒角處理，塑封料的壓應力會使接觸到晶片表面的石英砂的尖角刺破鈍化層和金屬化層，造成開路或短路，或造成IC的參數變化。一般要求石英顆粒少於2μm或表面塗2μm厚的聚醯亞胺可緩衝這種失效。

　　然而即使晶片表面有聚醯亞胺膜的保護，可以減緩一定的熱膨脹應力衝擊，但由於塑封料和矽的線性熱膨脹係數相差非常大，在器件經受熱變應力（再流焊、高低溫衝擊）時，塑封材料與晶片之間的熱不匹配所產生的應力仍然是一個不可忽視的因素，雖然失效的機率很小。

　　3 失效分析實例

　　3．1 塑封料與晶片間的剪切應力導致層間介質損傷

　　失效的樣品為QFP封裝的VLSI，經歷過多次高低溫循環後在低溫工作時出現故障。分析過程分為開封前檢查和開封後觀察兩個階段。