技術分析：溫度循環測試對芯片燒結性能的影響
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發(fa)布(bu)日期： 2020.06.17
引言
半導(dao)體器件在貯存、運輸和使用過程(cheng)中時(shi)刻要遇到溫度環境，溫度環境應力對元(yuan)器件性(xing)(xing)能的(de)影響時(shi)刻存在。例(li)如，高溫時(shi)導(dao)致半導(dao)體器件發生(sheng)軟化、效能降低(di)、特性(xing)(xing)改變、潛在破(po)壞、氧化、熔化及升華、物(wu)理膨脹等現象(xiang)；低(di)溫使材料發生(sheng)龜裂、脆化、可動部卡死(si)、特性(xing)(xing)改變等現象(xiang)；溫度沖(chong)擊造成反復熱脹冷縮，產生(sheng)機械應力等。
溫(wen)度環(huan)(huan)境(jing)應力對半導體(ti)(ti)器件(jian)(jian)作用更加突(tu)出和(he)復雜，導致元器件(jian)(jian)出現各種形式的失效(xiao)，嚴(yan)重影響武器裝備的可靠(kao)性(xing)和(he)安(an)全性(xing)。本(ben)文通(tong)過溫(wen)度循環(huan)(huan)試驗(yan)對一(yi)種封(feng)裝結(jie)構的半導體(ti)(ti)器件(jian)(jian)封(feng)裝進行了試驗(yan)，測定了該(gai)封(feng)裝結(jie)構的退化情況，測試結(jie)果表明該(gai)封(feng)裝對溫(wen)度有較好的耐受(shou)性(xing)。
1、實驗(yan)
1.1設備
溫度循環試驗箱；X射線焊點檢測儀；推拉力剪切力測試。
1.2試驗方法及(ji)判定標(biao)準(zhun)
溫度循環按(an)CJB 548B方(fang)(fang)法(fa)(fa)1010.1，條件C (-65℃~150℃ )的要(yao)求進(jin)行(xing)進(jin)行(xing)； X光檢測(ce)按(an)CJB 548B方(fang)(fang)法(fa)(fa)2012.1的要(yao)求進(jin)行(xing)；鍵(jian)合拉力(li)試驗按(an)GJB 548B方(fang)(fang)法(fa)(fa)2011.1條件D的要(yao)求進(jin)行(xing)；芯片剪切強(qiang)度按(an)CJB 548B方(fang)(fang)法(fa)(fa)2019.2的要(yao)求進(jin)行(xing)。
1.3樣品結(jie)構及試驗(yan)安排
選擇一種(zhong)陶瓷封(feng)裝(zhuang)電(dian)(dian)路，該電(dian)(dian)路采用芯片(pian)背(bei)金(jin)燒結工藝(yi)，內引(yin)線采用為(wei)硅鋁絲超聲楔形(xing)焊。試驗(yan)使用樣(yang)品100只，分(fen)為(wei)10組，每組10電(dian)(dian)路。溫度循環共進(jin)(jin)行1000次，每100次抽取(qu)1組進(jin)(jin)行芯片(pian)剪切力(li)、鍵合拉(la)力(li)、X光檢查測試。
1.4樣品的(de)預先處理(li)
在進行該試驗前，該電路按(an)照產品詳細規范(fan)的(de)要求進行了篩選，對(dui)早(zao)期(qi)失效的(de)電路進行了淘汰。在篩選合格電路中選取(qu)100只芯(xin)片燒結(jie)空洞率小(xiao)于15%的(de)產品作為本次(ci)試驗的(de)樣(yang)品。
2、結果(guo)與討論
2.1芯片剪切強度結果
該電路共進行了溫度循環試驗1000次，每100次溫度循環試驗后對電路進行鍵合拉力測試，測試電路為試驗電路中隨機抽取的10只電路，對10電路的全部芯片剪切力試驗，對比試驗數據，得到溫度循環試驗過程后芯片剪切強度的變化規律，表I為試驗后拉力測試的數據統計。
芯片(pian)通過燒結材(cai)料與(yu)管(guan)殼進行固定。芯片(pian)、管(guan)殼、粘(zhan)接(jie)(jie)材(cai)料間(jian)具有(you)不同的(de)(de)(de)(de)膨(peng)脹系數，在(zai)受熱或者遇冷的(de)(de)(de)(de)情況(kuang)下會(hui)不同程度(du)(du)的(de)(de)(de)(de)發生(sheng)(sheng)形(xing)態(tai)上(shang)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)。溫度(du)(du)循環試驗(yan)將不斷變化(hua)的(de)(de)(de)(de)溫度(du)(du)應力(li)(li)施(shi)加到(dao)產品上(shang)，使芯片(pian)、管(guan)殼、粘(zhan)接(jie)(jie)材(cai)料不斷產生(sheng)(sheng)形(xing)態(tai)上(shang)的(de)(de)(de)(de)變化(hua)，從而在(zai)各接(jie)(jie)觸面間(jian)產生(sheng)(sheng)機(ji)械應力(li)(li)。當使用的(de)(de)(de)(de)芯片(pian)、管(guan)殼、粘(zhan)接(jie)(jie)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)膨(peng)脹系數非(fei)常接(jie)(jie)近(jin)時，所產生(sheng)(sheng)的(de)(de)(de)(de)機(ji)械應力(li)(li)較小(xiao)，粘(zhan)接(jie)(jie)性(xing)能退化(hua)慢，反(fan)之會(hui)造成(cheng)粘(zhan)接(jie)(jie)性(xing)能的(de)(de)(de)(de)急劇退化(hua)。
從圖1中的(de)統計數據可以(yi)看到，各階段試(shi)(shi)驗后(hou)芯片(pian)剪切測(ce)試(shi)(shi)值(zhi)均(jun)滿足GJB 548B的(de)要求(qiu)(qiu)，芯片(pian)剪切強(qiang)度(du)在(zai)有限區間內上下波動。但(dan)(dan)在(zai)經過700次(ci)溫(wen)度(du)循環試(shi)(shi)驗后(hou)，雖然(ran)芯片(pian)剪切強(qiang)度(du)均(jun)滿足GJB 548B的(de)要求(qiu)(qiu)，但(dan)(dan)測(ce)試(shi)(shi)值(zhi)全部處(chu)于區間的(de)下半(ban)部，而不(bu)是以(yi)，上下波動的(de)形式出(chu)現。該(gai)測(ce)試(shi)(shi)結(jie)果反映出(chu)，芯片(pian)粘接(jie)性能(neng)可能(neng)在(zai)700次(ci)溫(wen)度(du)循環試(shi)(shi)驗后(hou)逐步出(chu)現了退(tui)化現象(xiang)，雖然(ran)退(tui)化的(de)情況并(bing)不(bu)明(ming)顯。
2.2內引線拉(la)力強度結果(guo)
該電(dian)(dian)(dian)路(lu)共(gong)進(jin)行(xing)了(le)溫(wen)度循(xun)環(huan)(huan)(huan)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)1000次，每100次溫(wen)度循(xun)環(huan)(huan)(huan)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)后(hou)對電(dian)(dian)(dian)路(lu)進(jin)行(xing)鍵合拉(la)力(li)測(ce)試(shi)(shi)(shi)，測(ce)試(shi)(shi)(shi)電(dian)(dian)(dian)路(lu)為試(shi)(shi)(shi)驗(yan)電(dian)(dian)(dian)路(lu)中(zhong)隨機抽取的(de)(de)(de)10只電(dian)(dian)(dian)路(lu)，對10電(dian)(dian)(dian)路(lu)的(de)(de)(de)全(quan)部(bu)引線進(jin)行(xing)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)，對比試(shi)(shi)(shi)驗(yan)數據(ju)，得到溫(wen)度循(xun)環(huan)(huan)(huan)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)過程中(zhong)引線拉(la)力(li)強(qiang)度的(de)(de)(de)變化規律，表2為試(shi)(shi)(shi)驗(yan)后(hou)拉(la)力(li)測(ce)試(shi)(shi)(shi)的(de)(de)(de)數據(ju)統(tong)計。
溫度(du)循環核試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)對內引線(xian)(xian)(xian)的(de)作用原理同樣是基于(yu)材料(liao)的(de)熱(re)脹冷縮特性而(er)產生的(de)機械應力(li)作用。從圖(tu)2可以看到，雖(sui)然在1000次(ci)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)過程中(zhong)的(de)引線(xian)(xian)(xian)拉力(li)測(ce)試(shi)(shi)(shi)值均(jun)滿(man)足CJB
548B的(de)合格(ge)判別要求，但引線(xian)(xian)(xian)拉力(li)測(ce)試(shi)(shi)(shi)值在500次(ci)溫度(du)循環中(zhong)出現了快速的(de)退(tui)化，而(er)后(hou)直(zhi)到1000次(ci)溫度(du)循環試(shi)(shi)(shi)驗(yan)(yan)中(zhong)的(de)測(ce)試(shi)(shi)(shi)值處于(yu)一個相對比較溫度(du)的(de)范圍，引線(xian)(xian)(xian)拉力(li)測(ce)試(shi)(shi)(shi)值沒(mei)有出現持(chi)續的(de)退(tui)化。
2.3芯片粘(zhan)接空洞結(jie)果(guo)
該電(dian)路共進(jin)行(xing)了溫(wen)(wen)度(du)循(xun)環試驗(yan)100次(ci)(ci)，每100次(ci)(ci)溫(wen)(wen)度(du)循(xun)環試驗(yan)后對電(dian)路進(jin)行(xing)X射線(xian)檢(jian)查，其中10只電(dian)路完成(cheng)了全部(bu)的(de)1000次(ci)(ci)溫(wen)(wen)循(xun)試驗(yan)，其他電(dian)路由于(yu)要進(jin)行(xing)破(po)壞性的(de)鍵(jian)合拉(la)力和芯片剪切力試.驗(yan)，溫(wen)(wen)循(xun)次(ci)(ci)數依次(ci)(ci)遞減。X射線(xian)檢(jian)測(ce)按照(zhao)GJB
548B的(de)相(xiang)關要求進(jin)行(xing)，由于(yu)該電(dian)路采用平行(xing)封(feng)焊(han)工藝，因此在(zai)X射線(xian)檢(jian)測(ce)中僅針對芯片的(de)空(kong)洞缺陷進(jin)行(xing)檢(jian)查。見圖3。
溫度循環試驗過(guo)程中由于封裝材料間的熱膨(peng)脹系數不(bu)一(yi)樣(yang)，在溫度變化過(guo)程中材料間的接觸面可以(yi)因熱膨(peng)脹系數的差異產生剪切(qie)應(ying)力，當剪切(qie)應(ying)力作用(yong)(yong)試驗足夠(gou)長、應(ying)力足夠(gou)大時，可以(yi)對產品(pin)的結構(gou)產生影響。溫度循環試驗可能造成芯(xin)片(pian)粘(zhan)接空洞的擴大，造成產品(pin)芯(xin)片(pian)粘(zhan)接強度的降低，影響產品(pin)的使用(yong)(yong)可靠性。
從試(shi)驗前(qian)后X射(she)線檢測圖片對(dui)比(bi)可(ke)以看到，該(gai)電路(lu)在(zai)1000次(ci)溫(wen)度(du)循環(huan)試(shi)驗前(qian)后的(de)空洞缺(que)陷沒(mei)有(you)出(chu)(chu)現(xian)擴大(da)、惡化的(de)情況(kuang)，試(shi)驗前(qian)后的(de)空洞面積基本一致。參考(kao)芯片剪切強度(du)測試(shi)結果，芯片剪切強度(du)未出(chu)(chu)現(xian)明顯的(de)退(tui)化。說明在(zai)經過1000次(ci)溫(wen)度(du)循環(huan)后，產品的(de)結構和可(ke)靠性(xing)沒(mei)有(you)出(chu)(chu)現(xian)異(yi)變，測試(shi)結果均滿足標準的(de)要求(qiu)。
3、結論
溫度(du)(du)循環(huan)試驗(yan)造成了芯片(pian)粘接(jie)(jie)(jie)可靠性(xing)(xing)的退(tui)化(hua)(hua)，并且具備累計(ji)效應，在溫度(du)(du)劇烈(lie)變化(hua)(hua)時(shi)，會加快芯片(pian)粘接(jie)(jie)(jie)性(xing)(xing)能(neng)退(tui)化(hua)(hua)速度(du)(du)。但該(gai)結構電路的芯片(pian)、管殼、粘接(jie)(jie)(jie)材料間的熱匹配較(jiao)好(hao)，抗溫度(du)(du)變化(hua)(hua)的性(xing)(xing)能(neng)較(jiao)高，在1000次(ci)溫度(du)(du)循環(huan)試驗(yan)后(hou)，沒(mei)有出現剪(jian)切強度(du)(du)不合格的情(qing)況，粘接(jie)(jie)(jie)強度(du)(du)的退(tui)化(hua)(hua)比較(jiao)輕微，在正常(chang)使用情(qing)況下可以保證長(chang)期的粘接(jie)(jie)(jie)可靠性(xing)(xing)。
溫(wen)(wen)度(du)(du)循環(huan)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)對引線拉(la)(la)力(li)(li)(li)強度(du)(du)有一定的(de)(de)(de)影響，溫(wen)(wen)度(du)(du)循環(huan)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)次(ci)數少(shao)的(de)(de)(de)電(dian)路引線拉(la)(la)力(li)(li)(li)強度(du)(du)優于溫(wen)(wen)度(du)(du)循環(huan)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)次(ci)數多(duo)的(de)(de)(de)電(dian)路。在1000次(ci)溫(wen)(wen)度(du)(du)循環(huan)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)中引線拉(la)(la)力(li)(li)(li)強度(du)(du)至少(shao)出現(xian)了一次(ci)拉(la)(la)力(li)(li)(li)強度(du)(du)退化(hua)的(de)(de)(de)過程，這個(ge)結(jie)果與GJB548B中試(shi)(shi)(shi)驗(yan)前合(he)格拉(la)(la)力(li)(li)(li)判別值(zhi)高于試(shi)(shi)(shi)驗(yan)后合(he)格拉(la)(la)力(li)(li)(li)判別值(zhi)的(de)(de)(de)規定值(zhi)相符合(he)的(de)(de)(de)。但隨著(zhu)溫(wen)(wen)度(du)(du)循環(huan)試(shi)(shi)(shi)驗(yan)的(de)(de)(de)持續進(jin)行，引線拉(la)(la)力(li)(li)(li)強度(du)(du)是否會出現(xian)二次(ci)退化(hua)，由于試(shi)(shi)(shi)驗(yan)次(ci)數的(de)(de)(de)限制，不能(neng)進(jin)行進(jin)一步的(de)(de)(de)驗(yan)證(zheng)。
該封(feng)裝結構所使(shi)用的(de)封(feng)裝材(cai)料間熱匹配比較(jiao)好，在經過1000次溫(wen)度(du)循環試驗后，產品在結構和封(feng)裝可(ke)靠(kao)性方(fang)面沒有(you)出(chu)現(xian)不滿足標準的(de)情況，并且芯(xin)片(pian)(pian)粘接空洞沒有(you)出(chu)現(xian)明(ming)顯的(de)變(bian)化，在芯(xin)片(pian)(pian)粘接性能方(fang)面還具有(you)較(jiao)高(gao)的(de)可(ke)靠(kao)性。
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