【導讀】在對某塑封半導體器件實(shí)施破壞性物理分析(DPA)時(shí)，檢測發(fā)現芯片表面呈現玻璃鈍化層微裂紋與金屬化層機械劃傷的復合缺陷。通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)對缺陷區域進(jìn)行微觀(guān)形貌觀(guān)測，結合能譜儀(EDS)成分分析，揭示其形成機理：在開(kāi)封后的超聲波清洗工序中，高頻振蕩能量導致環(huán)氧模塑料內部二氧化硅填充顆粒產(chǎn)生加速運動(dòng)，這些硬質(zhì)顆粒以高動(dòng)能反復碰撞擠壓芯片表面，最終在鈍化層形成微米級裂紋并延伸至金屬化層。該發(fā)現為優(yōu)化半導體器件清洗工藝參數提供了關(guān)鍵理論依據。
在對某塑封半導體器件實(shí)施破壞性物理分析(DPA)時(shí)，檢測發(fā)現芯片表面呈現玻璃鈍化層微裂紋與金屬化層機械劃傷的復合缺陷。通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)對缺陷區域進(jìn)行微觀(guān)形貌觀(guān)測，結合能譜儀(EDS)成分分析，揭示其形成機理：在開(kāi)封后的超聲波清洗工序中，高頻振蕩能量導致環(huán)氧模塑料內部二氧化硅填充顆粒產(chǎn)生加速運動(dòng)，這些硬質(zhì)顆粒以高動(dòng)能反復碰撞擠壓芯片表面，最終在鈍化層形成微米級裂紋并延伸至金屬化層。該發(fā)現為優(yōu)化半導體器件清洗工藝參數提供了關(guān)鍵理論依據。
塑封半導體器件因其尺寸小、重量輕、成本低，生產(chǎn)和封裝工藝簡(jiǎn)單，已經(jīng)廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域。為提高其可靠性，使其能代替密封半導體器件應用于一些高可靠性的領(lǐng)域，常通過(guò)DPA和FA對其進(jìn)行評估和研究。
DPA是軍用電子元器件批質(zhì)量一致性檢驗和評價(jià)的一個(gè)環(huán)節。用于DPA的樣品是從生產(chǎn)批中抽取，且其檢測結果可作為批次接收或者拒收的依據。在軍用電子元器件的DPA檢測中，封裝的內部檢查是一個(gè)非常重要的檢測項目。它通過(guò)顯微鏡對半導體器件封裝的內部進(jìn)行檢查，發(fā)現器件內部存在的缺陷。常見(jiàn)的芯片缺陷有金屬化層的劃傷及裂紋、芯片表面嵌入多余物、芯片周邊崩損、金屬化層和鈍化層的缺損、金屬化腐蝕等。這些缺陷的危害很大，芯片表面裂紋、劃傷會(huì )導致芯片表面鈍化層破損，降低電極之間的絕緣作用，增加半導體材料的多種表面效應，使芯片內部受到塵埃、酸氣、水汽或金屬顆粒的沾污。容易發(fā)生電遷移導致開(kāi)路失效或者導致電路內部工作材料間的漏電增加或短路，嚴重影響器件在服役過(guò)程中的使用壽命和可靠性［1］。針對內部目檢不合格的樣品，一般實(shí)行批退處理，因此，芯片缺陷是生產(chǎn)廠(chǎng)家和檢測機構都十分重視的問(wèn)題。先前已有一些文章對芯片目檢的缺陷和原因進(jìn)行了分析。梁棟程等對外來(lái)物(鋼顆粒)導致的塑封器件金屬化層損傷進(jìn)行了機理分析，結果表明鋼顆粒來(lái)源于塑封模具破損或老化，在環(huán)氧固化過(guò)程中產(chǎn)生的應力導致鋼顆粒壓碎金屬化層［2］;周安琪等對集成電路組裝過(guò)程中裸芯片目檢不合格類(lèi)型與原因進(jìn)行了統計和分析。目前報道的芯片缺陷大多來(lái)源于生產(chǎn)廠(chǎng)家的封裝過(guò)程，如人員過(guò)失或工藝控制不良。對其它原因引入的芯片缺陷未見(jiàn)報道［3］。
塑封器件的芯片被塑封料完全包裹，為了進(jìn)行內部目檢試驗，要求必須把芯片完整干凈的露出來(lái)，即去除芯片表面的塑封料。常用的塑封器件開(kāi)封方法為激光刻蝕法、綜合化學(xué)腐蝕法。開(kāi)封是內部目檢的前提，可以找出失效點(diǎn)。電子探針、電子背散射衍射(EBSD)技術(shù)、微光顯微鏡(EMMI)和EDS分析均可用于元器件和材料的失效分析中［4－6］。本文將對某一種塑封器件內部目檢中發(fā)現的芯片表面鈍化層和金屬化層微裂紋現象通過(guò)SEM和EDS進(jìn)行機理分析，觀(guān)察缺陷形貌，分析其元素成分及產(chǎn)生原因，設計復現試驗進(jìn)行驗證。最后提出改進(jìn)措施，為這類(lèi)元器件的質(zhì)量檢測提供有益參考，對失效分析有一定借鑒意義。
1試驗與討論
1.1試驗過(guò)程
對AnalogDevices，Inc．廠(chǎng)家生產(chǎn)的型號為HMC948LP3E的塑封器件進(jìn)行DPA檢測，先后進(jìn)行外部目檢、X射線(xiàn)檢查、聲學(xué)掃描顯微鏡檢查和內部目檢。外部目檢無(wú)異常。對樣品進(jìn)行激光開(kāi)封和化學(xué)開(kāi)封，腐蝕后的芯片全貌如圖1a和圖1b所示。
利用金相顯微鏡對芯片表面形貌進(jìn)行高倍檢查(200倍～1000倍)，發(fā)現樣品存在多處玻璃鈍化層裂紋和金屬化層劃傷的缺陷，符合GJB548B方法2010.1－3.1.1.1-a條。缺陷部位的金相顯微鏡圖見(jiàn)圖1c。
在DPA檢測中，SEM檢查要求對引線(xiàn)鍵合、玻璃鈍化層完整性和芯片互連線(xiàn)金屬化層的質(zhì)量進(jìn)行評估。由于此類(lèi)缺陷形貌并不常見(jiàn)，為進(jìn)一步分析缺陷形成的機理，通過(guò)SEM和EDS對試驗樣品的損傷部位進(jìn)行形貌和元素成分分析。
1.2結果與討論
由目測可見(jiàn)器件的外觀(guān)無(wú)異常，標識清晰。X射線(xiàn)檢查的結果顯示了樣品的內部結構、芯片位置、內引線(xiàn)的連接及各個(gè)組件的相對高度。對樣品X射線(xiàn)形貌進(jìn)行分析發(fā)現樣品內部芯片無(wú)裂紋和多余物，鍵合和封裝外殼都正常，無(wú)缺陷。超聲檢測的C掃圖可以看出器件的芯片、基板和引腳都未見(jiàn)分層及裂紋。
對內部目檢發(fā)現缺陷的器件芯片進(jìn)行SEM檢查，得到背散射電子(BSE)像和二次電子(SE)像。背散射電子和二次電子的區別是分辨率、運動(dòng)軌跡和能量的不同。背散射電子以直線(xiàn)逸出，樣品背部的電子無(wú)法被檢測到，成一片陰影，襯度較大，無(wú)法分析細節，但可用來(lái)顯示原子序數襯度，進(jìn)行成分定性分析;二次電子可以利用在檢測器收集光柵上加上正電壓來(lái)吸收較低能量的二次電子，使樣品背部及凹坑處逸出的電子以弧線(xiàn)運動(dòng)軌跡被吸收，因而使圖像層次增加，細節清晰，能有效地顯示樣品表面微觀(guān)形貌。缺陷部位的BSE像和SE像分別見(jiàn)圖2a和圖2b。對某個(gè)缺陷部位放大10000倍，得到的背散射電子成像如圖3a所示。
從圖2a和圖2b可以看出，缺陷形貌為圓形裂紋并向外延伸，BSE像中缺陷部位未見(jiàn)明顯成分襯度。放大的缺陷形貌顯示存在受到撞擊和擠壓后碎裂狀形態(tài)。芯片玻璃鈍化層碎裂，造成金屬化層損傷。對缺陷、正常部位進(jìn)行EDS分析，其結果分別如圖3和圖4所示。
對比圖3和圖4，芯片表面的主要元素為要為C、N、O、Al、Si及少量的Au。裂紋處并無(wú)新的金屬元素引入，兩者之間的元素差異主要為C和N，排除了焊接材料(銀漿)、塑封模具等的影響。對鑷子劃傷的器件做SEM分析，形貌像見(jiàn)圖5a?？梢钥闯?，鑷子劃傷的形貌多為長(cháng)條形，且劃痕橫跨整個(gè)金屬條，可以排除。金屬條一般為Al條，因此金屬層的Al元素含量最大，如圖4b所示。裂紋邊緣處的能譜分析可以看出Si元素的含量超出了Al元素，說(shuō)明裂紋的產(chǎn)生可能是由含Si的顆粒造成，顆粒撞擊芯片表面部分殘留于裂紋縫隙之中，被EDS檢測出。
塑封器件中的塑封料是其重要組成部分，塑封料主要包含環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑、填充劑和阻燃劑。在環(huán)氧塑封料中，填充劑所占的比例最高，達到了70%以上，十分重要。在芯片封裝過(guò)程中，各種材料必須具有相近的熱膨脹系數，才能確保器件在使用過(guò)程中不開(kāi)裂脫落。由于環(huán)氧樹(shù)脂的熱膨脹系數大于硅芯片、引線(xiàn)和引線(xiàn)框架材料，所以需要加入適量低膨脹系數的填充劑，如SiO2能夠降低固化劑的熱膨脹系數，從而減小塑封料固化后的收縮應力［7］。球型SiO2粉因其比表面積小，應力集中小，不易產(chǎn)生微裂紋;堆積效率緊密，填充量大;各向同性，封裝質(zhì)量高;流動(dòng)性最好，摩擦系數小等諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于高端塑封器件的填充劑。塑封料的SEM像如圖5b和5c所示。對芯片上殘留的塑封料顆粒進(jìn)行EDS分析，結果見(jiàn)圖6。
對比裂紋和SiO2的SEM像，分析裂紋為SiO2顆粒撞擊芯片表面玻璃鈍化層產(chǎn)生的。從圖6b也可以看出，塑封料中的Si元素含量很高，與裂紋處的EDS分析結果相一致。在塑封器件封裝過(guò)程中，注塑時(shí)模具溫度在160℃～180℃，塑封料呈熔融狀態(tài)，具有流動(dòng)性，不會(huì )對芯片表面產(chǎn)生應力沖擊，因此可以排除封裝過(guò)程引入的裂紋［8］。器件本身并未經(jīng)歷過(guò)電路周期性通斷以及環(huán)境溫度變化，因此不會(huì )產(chǎn)生塑封料和其它材料熱膨脹系數不同導致熱疲勞失效，從而形成器件內部引起裂紋和擴展變化的現象［9］。環(huán)氧固化過(guò)程中的應力會(huì )導致硅芯片破裂、石英砂損傷金屬化層等情況，但其缺陷形貌與本研究中的不符，可以排除［10－11］。在塑封器件開(kāi)封中，激光預開(kāi)封后的器件會(huì )進(jìn)行滴酸腐蝕，腐蝕后的反應物通過(guò)丙酮進(jìn)行超聲清洗，滴酸和清洗的過(guò)程重復進(jìn)行多次，直至芯片表面完全裸露出來(lái)。芯片一般放入有丙酮的燒杯中采用超聲波清洗。超聲波清洗是利用超聲波在液體中的空化作用、加速作用及直進(jìn)流作用對液體和污物直接、間接的作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達到清洗目的。超聲波清洗由于操作簡(jiǎn)單并且清洗效果好而廣泛應用于各個(gè)領(lǐng)域。由于超聲波振子的振動(dòng)，較小的器件或微小顆粒物會(huì )在液體中持續晃動(dòng)。在芯片清洗過(guò)程中，隨著(zhù)清洗時(shí)間的增加，丙酮溶液中的塑封料反應物增多，由于芯片面朝下，溶液中的懸浮物較難漂浮至溶液上方。當丙酮溶液渾濁時(shí)，塑封料殘留物會(huì )在超聲振蕩下不斷撞擊芯片表面。芯片表面包含玻璃鈍化層、鈍化層和金屬層。最外層的玻璃鈍化層主要成分為Si3N4，鈍化層的主要成分是SiO2。Si3N4雖然具有良好的耐磨損性，抗熱震性能等，但陶瓷和玻璃材質(zhì)都屬于硬脆材料，具有脆性高、斷裂韌性低等特性，在機械應力下易碎裂。塑封料的主要成分為SiO2且為球形顆粒，硬度較高。在超聲振動(dòng)下，高硬度的顆粒不斷碰撞芯片表面具有脆性的鈍化層，就會(huì )在鈍化層表面形成向外延伸的裂紋。鈍化層的裂紋會(huì )導致水、氣或雜質(zhì)等通過(guò)微裂紋進(jìn)入，腐蝕或者影響鈍化層保護下的金屬層的電性能，破壞芯片表面結構，使其可靠性大大降低。
2復現試驗與控制建議
2.1復現試驗
采用同一型號器件開(kāi)展復現試驗，試驗過(guò)程如下:選取開(kāi)封后無(wú)表面損傷器件，預先制備含大量塑封包封料的丙酮溶液;將器件置入溶液中并開(kāi)展超聲清洗，時(shí)間為10s;清洗結束后進(jìn)行檢查。檢查發(fā)現金屬條存在多個(gè)圓形微裂紋，見(jiàn)圖7a。對缺陷芯片進(jìn)行SEM測試，得到的BSE像見(jiàn)圖7b。
從圖7可以看出，缺陷出現在多個(gè)金屬條上，形貌相似，大小不同且分布無(wú)規律，表現出了隨機性。在圓形裂紋周?chē)?，分布有零散的圓形顆粒，相較于周邊顏色更亮，說(shuō)明芯片在清洗中會(huì )殘留一些塑封料在芯片表面。
通過(guò)對缺陷進(jìn)行復現驗證，證實(shí)了缺陷產(chǎn)生的原因在于開(kāi)封后的超聲波清洗過(guò)程中，而并非器件封裝工藝水平不足所引入。在DPA的內部目檢中若發(fā)現此類(lèi)形貌的缺陷，不能依據標準判定其不合格。
2.2控制措施
內部目檢的誤判主要來(lái)源于器件的開(kāi)封。開(kāi)封操作不當會(huì )引入一些缺陷從而影響內部目檢的判斷。如激光開(kāi)封中，激光時(shí)間過(guò)長(cháng)會(huì )導致過(guò)開(kāi)封使激光損傷芯片;機械開(kāi)封中，操作不當易引入多余物;化學(xué)滴酸中，鑷子容易造成芯片劃傷，滴酸過(guò)量容易造成芯片的過(guò)腐蝕。這些損傷或缺陷在開(kāi)封的過(guò)程中較常出現，可通過(guò)經(jīng)驗避免誤判。本研究中出現的損傷形貌較為罕見(jiàn)，超聲波清洗雖然不是開(kāi)封的主要步驟，但是卻必不可少。超聲波清洗的時(shí)間對塑封器件開(kāi)封效果有一定影響，而且開(kāi)封后的芯片清洗一般放于燒杯中，因為大多芯片本身易碎，放在玻璃杯中進(jìn)行超聲波振蕩清洗時(shí)，容易與玻璃燒杯壁發(fā)生碰撞從而產(chǎn)生芯片碎裂，對芯片的后續檢查也有影響?？刹捎密浶圆馁|(zhì)的物品放置待洗器件，如在塑料袋中裝入丙酮和芯片放入超聲波清洗機中振蕩清洗。在清洗過(guò)程中，丙酮的定時(shí)更換十分重要，滴酸、清洗、觀(guān)察的過(guò)程需重復多次，直至芯片全部裸露出來(lái)。因此，通過(guò)控制盛放容器、超聲波的振動(dòng)頻率、超聲波清洗液的更換時(shí)間、超聲時(shí)間可以有效避免芯片微裂紋的產(chǎn)生。
3結論
本文對DPA檢測中內部目檢發(fā)現的玻璃鈍化層裂紋和金屬化層劃傷的缺陷樣品進(jìn)行了缺陷形成機理分析，利用SEM和EDS檢測手段，對缺陷的形貌和成分進(jìn)行了分析。結果表明塑封器件開(kāi)封過(guò)程中的超聲波清洗液丙酮溶液未及時(shí)更換會(huì )造成塑封料殘留，在超聲振蕩下不斷撞擊芯片表面，芯片在外來(lái)物和外有應力的同時(shí)作用下被壓碎，形成與塑封料SiO2顆粒相對應的圓形裂紋，并分布無(wú)規律。驗證試驗證實(shí)了缺陷的形成原因，并對控制缺陷產(chǎn)生提出了一些改進(jìn)措施。本研究對DPA檢測中的誤判識別提供了參考經(jīng)驗，同時(shí)也對開(kāi)封技術(shù)的提升有一定幫助，對DPA檢測水平提高具有較大的參考價(jià)值。
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