
半導(dǎo)體封裝內(nèi)部芯片和外部管腳以及芯片之間的連接起著確立芯片和外部的電氣連接的重要作用。半導(dǎo)體器件的封裝中,多采用引線鍵合的方式實(shí)現(xiàn)內(nèi)部芯片和外部管腳以及芯片之間的互聯(lián)技術(shù);引線鍵合以工藝實(shí)現(xiàn)簡單、成本低廉、適用多種封裝形式而在連接方式中占主要地位,目前所有封裝管腳的90 %以上采用引線鍵合連接。鍵合是半導(dǎo)體器件生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵工序,對半導(dǎo)體器件的產(chǎn)品合格率有很大影響。
在半導(dǎo)體器件的使用過程中,只要其中一個(gè)鍵合點(diǎn)損壞,將導(dǎo)致器件失效,輕者造成器件部分功能喪失,嚴(yán)重者則完全功能喪失。半導(dǎo)體器件的本質(zhì)失效約有1/3~1/4是由引線鍵合引起的,故其對半導(dǎo)體器件長期使用的可靠性影響很大。
鍵合工藝不良造成失效
鍵合焊接時(shí),劈刀壽命達(dá)到期限,磨損過多,以及焊接參數(shù)(時(shí)間、壓力)設(shè)置不當(dāng),都可能導(dǎo)致鍵合點(diǎn)在以后器件使用過程中產(chǎn)生失效。
1、 鍵合壓力大造成鍵合點(diǎn)失效
某型號檢波二極管在隨組合完成振動(dòng)試驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)兩只器件失效,失效模式均為開路。用體視鏡對兩只失效器件外觀進(jìn)行觀察,未發(fā)現(xiàn)明顯異常。啟封器件,置于顯微鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)兩只失效器件內(nèi)部芯片鍵合點(diǎn)脫鍵(如圖1、2所示)。
從開路鍵合點(diǎn)的形貌看,鍵合點(diǎn)金絲變形非常嚴(yán)重,邊緣已經(jīng)變得非常薄且有明顯的開裂現(xiàn)象,說明鍵合焊接時(shí),壓力過大。鍵合壓力大,鍵合點(diǎn)根部損傷嚴(yán)重,容易開路,另外,由于鍵合點(diǎn)非常薄且很容易出現(xiàn)“壓裂”情況,受機(jī)械力的沖擊,很容易出現(xiàn)開路失效。
2、 鍵合壓力小引發(fā)開路
鍵合時(shí)壓力小,有可能造成鍵合點(diǎn)“未壓牢”,鍵合絲與焊盤之間“融合”面積較小,受到機(jī)械沖擊力作用,或者是溫度應(yīng)力作用(尤其是被塑封材料包封的鍵合點(diǎn)),鍵合點(diǎn)很容易與焊盤分離而開路失效。
某型號多絲發(fā)光二極管隨整機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)失效。對失效二極管外引腳進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)二極管開路失效。對器件進(jìn)行X射線檢查,鍵合絲未見明顯斷絲現(xiàn)象(如圖3所示)。
對發(fā)光二極管外殼進(jìn)行解剖,采用化學(xué)方法去除環(huán)氧樹脂包封料,并對暴露出來的8個(gè)二極管的各個(gè)連接端進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)1#二極管開路。采用體視顯微鏡和掃描電鏡進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)1#二極管內(nèi)鍵合點(diǎn)與芯片焊盤脫鍵,與正常鍵合點(diǎn)比較,失效鍵合點(diǎn)變形較小(如圖4、5所示)。
對器件內(nèi)部所有鍵合絲進(jìn)行非破壞鍵合拉力試驗(yàn),1#二極管內(nèi)鍵合點(diǎn)脫鍵,“零克力”失效,其它鍵合絲合格。使用掃描電鏡對1#鍵合脫鍵位置進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)1#鍵合焊接面積較?。ㄈ鐖D6、7所示)。
3、 鍵合絲塌絲引發(fā)短路失效
鍵合絲塌絲觸及器件內(nèi)部裸露的導(dǎo)體即造成短路失效。引起鍵合絲塌絲的原因很多,有些是因?yàn)殒I合絲的長短控制不當(dāng)引起的,有些是因?yàn)殒I合絲走向不合適導(dǎo)致的,還有些是因?yàn)殒I合之后人為失誤造成的。由于鍵合絲搭接處于一種不穩(wěn)定狀態(tài),有時(shí)器件的失效現(xiàn)象很難復(fù)現(xiàn),給失效分析工作帶來困難,下面的案例充分說明了這一點(diǎn)。
某型號隔離放大器隨整機(jī)進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)時(shí),發(fā)生失效。常溫下,對失效器件進(jìn)行綜合電性能測試,結(jié)果為合格。
之后,分別進(jìn)行低溫(-18 ℃,保溫0.5 h后持續(xù)加電20 min)、高溫(+60 ℃環(huán)境下,持續(xù)加電20 min)、常溫(持續(xù)加電20 min) 測試,器件功能正常。
又對器件進(jìn)行5次溫沖試驗(yàn)(-55 ℃,125 ℃,0.5 h保溫,轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1 min)后,常溫持續(xù)加電20分鐘測試,高溫(+85 ℃環(huán)境下,持續(xù)加電50 min)測試,以及恒定加速度試驗(yàn)(條件為:3 000 g、Y1方向,1 min)后,常溫持續(xù)加電20 min測試,結(jié)果均為合格。
將失效件返生產(chǎn)廠家進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)。進(jìn)行兩次不加電振動(dòng)試驗(yàn),X、Y、Z方向各5 min。在每個(gè)方向的振動(dòng)完成后,對器件加電5~10 min進(jìn)行測試,結(jié)果為合格。
第二次振動(dòng)試驗(yàn)功率譜密度(PSD)比第一次增加50 %,X、Y、Z方向各5 min。同樣在每個(gè)方向的振動(dòng)完成后,對器件加電5~10 min進(jìn)行測試,結(jié)果為合格。
之后再對失效樣品按第二次振動(dòng)條件進(jìn)行加電振動(dòng)試驗(yàn)。進(jìn)行Z向(器件較長邊方向)振動(dòng),剛剛起振,樣品的正負(fù)隔離電壓輸出異常。停止振動(dòng)并斷電,重新加電后測試也正常。
以上試驗(yàn)結(jié)果表明,振動(dòng)試驗(yàn)可以激勵(lì)器件故障復(fù)現(xiàn)。將樣品從振動(dòng)臺(tái)上取下,再次進(jìn)行加電測試,樣品的正負(fù)隔離電壓不正常。說明器件故障現(xiàn)象已處于穩(wěn)定狀態(tài)。
接下來對器件進(jìn)行X射線檢查,發(fā)現(xiàn)器件內(nèi)部管腳31鍵合金絲與附近獨(dú)石電容端頭間無明顯間隙(如圖8所示)。開封器件,通過顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn),器件內(nèi)部+15 V電源(Pin 31)鍵合金絲與附近獨(dú)石電容一端頭搭接(如圖9所示)。從圖中可以看出,該鍵合絲明顯過長。
隔離放大器失效機(jī)理為:器件內(nèi)部管腳31(+15 V)鍵合金絲與附近獨(dú)石電容一端頭搭接,造成+15 V電源跳過限流電阻,直接加在內(nèi)部振蕩器芯片的正電源,導(dǎo)致器件內(nèi)部振蕩器不能正常供電,產(chǎn)品功耗變大,隔離電壓降低,導(dǎo)致器件無輸出。
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