【導讀】在對某塑封半導體器件實施破壞性物理分析(DPA)時，檢測發(fā)現(xiàn)芯片表面呈現(xiàn)玻璃鈍化層微裂紋與金屬化層機械劃傷的復合缺陷。通過掃描電子顯微鏡(SEM)對缺陷區(qū)域進行微觀形貌觀測，結(jié)合能譜儀(EDS)成分分析，揭示其形成機理：在開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(nèi)部二氧化硅填充顆粒產(chǎn)生加速運動，這些硬質(zhì)顆粒以高動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(xiàn)為優(yōu)化半導體器件清洗工藝參數(shù)提供了關鍵理論依據(jù)。
在對某塑封半導體器件實施破壞性物理分析(DPA)時，檢測發(fā)現(xiàn)芯片表面呈現(xiàn)玻璃鈍化層微裂紋與金屬化層機械劃傷的復合缺陷。通過掃描電子顯微鏡(SEM)對缺陷區(qū)域進行微觀形貌觀測，結(jié)合能譜儀(EDS)成分分析，揭示其形成機理：在開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(nèi)部二氧化硅填充顆粒產(chǎn)生加速運動，這些硬質(zhì)顆粒以高動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(xiàn)為優(yōu)化半導體器件清洗工藝參數(shù)提供了關鍵理論依據(jù)。
塑封半導體器件因其尺寸小、重量輕、成本低，生產(chǎn)和封裝工藝簡單，已經(jīng)廣泛應用于各個領域。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域，常通過DPA和FA對其進行評估和研究。
DPA是軍用電子元器件批質(zhì)量一致性檢驗和評價的一個環(huán)節(jié)。用于DPA的樣品是從生產(chǎn)批中抽取，且其檢測結(jié)果可作為批次接收或者拒收的依據(jù)。在軍用電子元器件的DPA檢測中，封裝的內(nèi)部檢查是一個非常重要的檢測項目。它通過顯微鏡對半導體器件封裝的內(nèi)部進行檢查，發(fā)現(xiàn)器件內(nèi)部存在的缺陷。常見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(nèi)部受到塵埃、酸氣、水汽或金屬顆粒的沾污。容易發(fā)生電遷移導致開路失效或者導致電路內(nèi)部工作材料間的漏電增加或短路，嚴重影響器件在服役過程中的使用壽命和可靠性［1］。針對內(nèi)部目檢不合格的樣品，一般實行批退處理，因此，芯片缺陷是生產(chǎn)廠家和檢測機構(gòu)都十分重視的問題。先前已有一些文章對芯片目檢的缺陷和原因進行了分析。梁棟程等對外來物(鋼顆粒)導致的塑封器件金屬化層損傷進行了機理分析，結(jié)果表明鋼顆粒來源于塑封模具破損或老化，在環(huán)氧固化過程中產(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程中裸芯片目檢不合格類型與原因進行了統(tǒng)計和分析。目前報道的芯片缺陷大多來源于生產(chǎn)廠家的封裝過程，如人員過失或工藝控制不良。對其它原因引入的芯片缺陷未見報道［3］。
塑封器件的芯片被塑封料完全包裹，為了進行內(nèi)部目檢試驗，要求必須把芯片完整干凈的露出來，即去除芯片表面的塑封料。常用的塑封器件開封方法為激光刻蝕法、綜合化學腐蝕法。開封是內(nèi)部目檢的前提，可以找出失效點。電子探針、電子背散射衍射(EBSD)技術、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(nèi)部目檢中發(fā)現(xiàn)的芯片表面鈍化層和金屬化層微裂紋現(xiàn)象通過SEM和EDS進行機理分析，觀察缺陷形貌，分析其元素成分及產(chǎn)生原因，設計復現(xiàn)試驗進行驗證。最后提出改進措施，為這類元器件的質(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試驗過程
對AnalogDevices，Inc．廠家生產(chǎn)的型號為HMC948LP3E的塑封器件進行DPA檢測，先后進行外部目檢、X射線檢查、聲學掃描顯微鏡檢查和內(nèi)部目檢。外部目檢無異常。對樣品進行激光開封和化學開封，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行高倍檢查(200倍～1000倍)，發(fā)現(xiàn)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圖1c。
在DPA檢測中，SEM檢查要求對引線鍵合、玻璃鈍化層完整性和芯片互連線金屬化層的質(zhì)量進行評估。由于此類缺陷形貌并不常見，為進一步分析缺陷形成的機理，通過SEM和EDS對試驗樣品的損傷部位進行形貌和元素成分分析。
1.2結(jié)果與討論
由目測可見器件的外觀無異常，標識清晰。X射線檢查的結(jié)果顯示了樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、芯片位置、內(nèi)引線的連接及各個組件的相對高度。對樣品X射線形貌進行分析發(fā)現(xiàn)樣品內(nèi)部芯片無裂紋和多余物，鍵合和封裝外殼都正常，無缺陷。超聲檢測的C掃圖可以看出器件的芯片、基板和引腳都未見分層及裂紋。
對內(nèi)部目檢發(fā)現(xiàn)缺陷的器件芯片進行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(qū)別是分辨率、運動軌跡和能量的不同。背散射電子以直線逸出，樣品背部的電子無法被檢測到，成一片陰影，襯度較大，無法分析細節(jié)，但可用來顯示原子序數(shù)襯度，進行成分定性分析;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運動軌跡被吸收，因而使圖像層次增加，細節(jié)清晰，能有效地顯示樣品表面微觀形貌。缺陷部位的BSE像和SE像分別見圖2a和圖2b。對某個缺陷部位放大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、正常部位進行EDS分析，其結(jié)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，形貌像見圖5a?？梢钥闯?，鑷子劃傷的形貌多為長條形，且劃痕橫跨整個金屬條，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。在芯片封裝過程中，各種材料必須具有相近的熱膨脹系數(shù)，才能確保器件在使用過程中不開裂脫落。由于環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)大于硅芯片、引線和引線框架材料，所以需要加入適量低膨脹系數(shù)的填充劑，如SiO2能夠降低固化劑的熱膨脹系數(shù)，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;流動性最好，摩擦系數(shù)小等諸多優(yōu)點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行EDS分析，結(jié)果見圖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(jié)果相一致。在塑封器件封裝過程中，注塑時模具溫度在160℃～180℃，塑封料呈熔融狀態(tài)，具有流動性，不會對芯片表面產(chǎn)生應力沖擊，因此可以排除封裝過程引入的裂紋［8］。器件本身并未經(jīng)歷過電路周期性通斷以及環(huán)境溫度變化，因此不會產(chǎn)生塑封料和其它材料熱膨脹系數(shù)不同導致熱疲勞失效，從而形成器件內(nèi)部引起裂紋和擴展變化的現(xiàn)象［9］。環(huán)氧固化過程中的應力會導致硅芯片破裂、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］。在塑封器件開封中，激光預開封后的器件會進行滴酸腐蝕，腐蝕后的反應物通過丙酮進行超聲清洗，滴酸和清洗的過程重復進行多次，直至芯片表面完全裸露出來。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單并且清洗效果好而廣泛應用于各個領域。由于超聲波振子的振動，較小的器件或微小顆粒物會在液體中持續(xù)晃動。在芯片清洗過程中，隨著清洗時間的增加，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，塑封料殘留物會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，就會在鈍化層表面形成向外延伸的裂紋。鈍化層的裂紋會導致水、氣或雜質(zhì)等通過微裂紋進入，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(jié)構(gòu)，使其可靠性大大降低。
2復現(xiàn)試驗與控制建議
2.1復現(xiàn)試驗
采用同一型號器件開展復現(xiàn)試驗，試驗過程如下:選取開封后無表面損傷器件，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展超聲清洗，時間為10s;清洗結(jié)束后進行檢查。檢查發(fā)現(xiàn)金屬條存在多個圓形微裂紋，見圖7a。對缺陷芯片進行SEM測試，得到的BSE像見圖7b。
從圖7可以看出，缺陷出現(xiàn)在多個金屬條上，形貌相似，大小不同且分布無規(guī)律，表現(xiàn)出了隨機性。在圓形裂紋周圍，分布有零散的圓形顆粒，相較于周邊顏色更亮，說明芯片在清洗中會殘留一些塑封料在芯片表面。
通過對缺陷進行復現(xiàn)驗證，證實了缺陷產(chǎn)生的原因在于開封后的超聲波清洗過程中，而并非器件封裝工藝水平不足所引入。在DPA的內(nèi)部目檢中若發(fā)現(xiàn)此類形貌的缺陷，不能依據(jù)標準判定其不合格。
2.2控制措施
內(nèi)部目檢的誤判主要來源于器件的開封。開封操作不當會引入一些缺陷從而影響內(nèi)部目檢的判斷。如激光開封中，激光時間過長會導致過開封使激光損傷芯片;機械開封中，操作不當易引入多余物;化學滴酸中，鑷子容易造成芯片劃傷，滴酸過量容易造成芯片的過腐蝕。這些損傷或缺陷在開封的過程中較常出現(xiàn)，可通過經(jīng)驗避免誤判。本研究中出現(xiàn)的損傷形貌較為罕見，超聲波清洗雖然不是開封的主要步驟，但是卻必不可少。超聲波清洗的時間對塑封器件開封效果有一定影響，而且開封后的芯片清洗一般放于燒杯中，因為大多芯片本身易碎，放在玻璃杯中進行超聲波振蕩清洗時，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(xù)檢查也有影響。可采用軟性材質(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。在清洗過程中，丙酮的定時更換十分重要，滴酸、清洗、觀察的過程需重復多次，直至芯片全部裸露出來。因此，通過控制盛放容器、超聲波的振動頻率、超聲波清洗液的更換時間、超聲時間可以有效避免芯片微裂紋的產(chǎn)生。
3結(jié)論
本文對DPA檢測中內(nèi)部目檢發(fā)現(xiàn)的玻璃鈍化層裂紋和金屬化層劃傷的缺陷樣品進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行了分析。結(jié)果表明塑封器件開封過程中的超聲波清洗液丙酮溶液未及時更換會造成塑封料殘留，在超聲振蕩下不斷撞擊芯片表面，芯片在外來物和外有應力的同時作用下被壓碎，形成與塑封料SiO2顆粒相對應的圓形裂紋，并分布無規(guī)律。驗證試驗證實了缺陷的形成原因，并對控制缺陷產(chǎn)生提出了一些改進措施。本研究對DPA檢測中的誤判識別提供了參考經(jīng)驗，同時也對開封技術的提升有一定幫助，對DPA檢測水平提高具有較大的參考價值。
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