引言(yan)

    半導(dao)體器(qi)件在貯存(cun)、運輸和使(shi)用過(guo)程(cheng)中(zhong)時刻(ke)(ke)要遇到溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)環(huan)境，溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)環(huan)境應力對元器(qi)件性能(neng)的(de)影響時刻(ke)(ke)存(cun)在。例(li)如，高溫(wen)(wen)(wen)時導(dao)致半導(dao)體器(qi)件發生(sheng)軟化、效能(neng)降低、特性改變(bian)、潛(qian)在破壞、氧化、熔化及升華、物理膨脹等(deng)現(xian)象；低溫(wen)(wen)(wen)使(shi)材料發生(sheng)龜(gui)裂、脆化、可動(dong)部卡死、特性改變(bian)等(deng)現(xian)象；溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)沖擊(ji)造(zao)成(cheng)反復熱脹冷縮，產生(sheng)機(ji)械應力等(deng)。
    溫(wen)度(du)環境應力對(dui)(dui)半導體器件作用更加突出和(he)復雜，導致元器件出現各種形式的(de)(de)失效，嚴重影(ying)響(xiang)武器裝(zhuang)備的(de)(de)可靠性和(he)安全性。本文通過溫(wen)度(du)循環試(shi)驗對(dui)(dui)一種封(feng)裝(zhuang)結構的(de)(de)半導體器件封(feng)裝(zhuang)進行了試(shi)驗，測定了該封(feng)裝(zhuang)結構的(de)(de)退化情(qing)況，測試(shi)結果表明該封(feng)裝(zhuang)對(dui)(dui)溫(wen)度(du)有(you)較(jiao)好(hao)的(de)(de)耐受(shou)性。

    1、實驗

    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試驗方法及判定標準
    溫度(du)循環按CJB 548B方(fang)法1010.1，條件C (-65℃~150℃ )的要(yao)(yao)求進(jin)(jin)行(xing)進(jin)(jin)行(xing)； X光檢(jian)測(ce)按CJB 548B方(fang)法2012.1的要(yao)(yao)求進(jin)(jin)行(xing)；鍵合拉力試(shi)驗按GJB 548B方(fang)法2011.1條件D的要(yao)(yao)求進(jin)(jin)行(xing)；芯(xin)片剪切強度(du)按CJB 548B方(fang)法2019.2的要(yao)(yao)求進(jin)(jin)行(xing)。
    1.3樣品結構及試驗安排
    選擇一種陶瓷封裝電(dian)路，該電(dian)路采(cai)用(yong)(yong)芯片(pian)背(bei)金燒結工藝(yi)，內引線采(cai)用(yong)(yong)為(wei)硅鋁絲(si)超聲楔形(xing)焊。試驗(yan)使用(yong)(yong)樣品100只，分為(wei)10組，每組10電(dian)路。溫度循環共進行1000次，每100次抽取1組進行芯片(pian)剪切力、鍵合拉力、X光檢查測試。
    1.4樣品的預先處理
    在進行(xing)該試(shi)驗前，該電(dian)路按照產品(pin)詳細規范(fan)的(de)要求進行(xing)了篩選(xuan)，對早期失(shi)效(xiao)的(de)電(dian)路進行(xing)了淘汰。在篩選(xuan)合格電(dian)路中選(xuan)取100只芯片燒結空洞率小于15%的(de)產品(pin)作為本(ben)次試(shi)驗的(de)樣品(pin)。

    2、結果與討論(lun)

    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(xin)(xin)片(pian)通(tong)過燒結材(cai)料(liao)與管殼(ke)(ke)進(jin)行固定。芯(xin)(xin)片(pian)、管殼(ke)(ke)、粘(zhan)(zhan)接(jie)(jie)(jie)材(cai)料(liao)間具有不同(tong)的(de)(de)膨脹(zhang)系數，在(zai)受熱或者(zhe)遇(yu)冷的(de)(de)情況下會不同(tong)程度(du)(du)(du)的(de)(de)發(fa)生形態上的(de)(de)變(bian)化(hua)。溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)循環(huan)試驗將不斷(duan)變(bian)化(hua)的(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)(du)(du)應力施加到產(chan)品(pin)上，使芯(xin)(xin)片(pian)、管殼(ke)(ke)、粘(zhan)(zhan)接(jie)(jie)(jie)材(cai)料(liao)不斷(duan)產(chan)生形態上的(de)(de)變(bian)化(hua)，從(cong)而在(zai)各接(jie)(jie)(jie)觸面(mian)間產(chan)生機械應力。當使用的(de)(de)芯(xin)(xin)片(pian)、管殼(ke)(ke)、粘(zhan)(zhan)接(jie)(jie)(jie)材(cai)料(liao)的(de)(de)膨脹(zhang)系數非常(chang)接(jie)(jie)(jie)近時，所產(chan)生的(de)(de)機械應力較小，粘(zhan)(zhan)接(jie)(jie)(jie)性能退化(hua)慢，反之會造成粘(zhan)(zhan)接(jie)(jie)(jie)性能的(de)(de)急劇退化(hua)。

    從圖1中的(de)統計數據(ju)可以(yi)看到，各階段試驗后芯片(pian)(pian)剪切測試值均滿足(zu)GJB 548B的(de)要(yao)求，芯片(pian)(pian)剪切強度在(zai)有限區間內上(shang)下波(bo)動(dong)。但在(zai)經過700次溫度循環試驗后，雖然芯片(pian)(pian)剪切強度均滿足(zu)GJB 548B的(de)要(yao)求，但測試值全(quan)部處于區間的(de)下半部，而不(bu)是(shi)以(yi)，上(shang)下波(bo)動(dong)的(de)形式(shi)出(chu)現(xian)(xian)。該測試結果(guo)反映出(chu)，芯片(pian)(pian)粘接性能可能在(zai)700次溫度循環試驗后逐(zhu)步(bu)出(chu)現(xian)(xian)了退化(hua)現(xian)(xian)象(xiang)，雖然退化(hua)的(de)情況并不(bu)明顯。

    2.2內引(yin)線拉(la)力強度結果(guo)
    該電(dian)(dian)路(lu)共進行(xing)了溫(wen)度(du)循(xun)環(huan)試(shi)驗(yan)(yan)1000次，每100次溫(wen)度(du)循(xun)環(huan)試(shi)驗(yan)(yan)后(hou)對(dui)電(dian)(dian)路(lu)進行(xing)鍵合拉力測試(shi)，測試(shi)電(dian)(dian)路(lu)為試(shi)驗(yan)(yan)電(dian)(dian)路(lu)中隨機抽取的(de)10只電(dian)(dian)路(lu)，對(dui)10電(dian)(dian)路(lu)的(de)全部(bu)引(yin)線進行(xing)試(shi)驗(yan)(yan)，對(dui)比試(shi)驗(yan)(yan)數據，得到溫(wen)度(du)循(xun)環(huan)試(shi)驗(yan)(yan)過程中引(yin)線拉力強(qiang)度(du)的(de)變化規(gui)律，表2為試(shi)驗(yan)(yan)后(hou)拉力測試(shi)的(de)數據統計。

    溫度(du)循環核試(shi)驗對(dui)內(nei)引(yin)線(xian)(xian)的(de)(de)作用原(yuan)理同樣(yang)是(shi)基于材(cai)料的(de)(de)熱脹冷縮特性(xing)而產生的(de)(de)機械應力(li)作用。從圖2可以看到(dao)，雖然在1000次試(shi)驗過程中(zhong)的(de)(de)引(yin)線(xian)(xian)拉力(li)測試(shi)值均滿足CJB 548B的(de)(de)合(he)格判別要(yao)求(qiu)，但(dan)引(yin)線(xian)(xian)拉力(li)測試(shi)值在500次溫度(du)循環中(zhong)出現了(le)快速的(de)(de)退化(hua)(hua)，而后(hou)直(zhi)到(dao)1000次溫度(du)循環試(shi)驗中(zhong)的(de)(de)測試(shi)值處于一(yi)個(ge)相對(dui)比較溫度(du)的(de)(de)范圍，引(yin)線(xian)(xian)拉力(li)測試(shi)值沒(mei)有出現持續的(de)(de)退化(hua)(hua)。

    2.3芯片粘接(jie)空洞結果

    該電路共進(jin)行(xing)(xing)(xing)了(le)(le)溫(wen)度(du)循(xun)環試驗(yan)(yan)100次，每100次溫(wen)度(du)循(xun)環試驗(yan)(yan)后對電路進(jin)行(xing)(xing)(xing)X射(she)線檢查(cha)(cha)，其中(zhong)10只電路完成了(le)(le)全部的(de)(de)1000次溫(wen)循(xun)試驗(yan)(yan)，其他(ta)電路由于要進(jin)行(xing)(xing)(xing)破壞(huai)性的(de)(de)鍵合(he)拉力(li)和芯片剪切力(li)試.驗(yan)(yan)，溫(wen)循(xun)次數依(yi)次遞(di)減。X射(she)線檢測按(an)照GJB 548B的(de)(de)相(xiang)關要求進(jin)行(xing)(xing)(xing)，由于該電路采用平行(xing)(xing)(xing)封焊工藝，因此在(zai)X射(she)線檢測中(zhong)僅(jin)針對芯片的(de)(de)空洞缺(que)陷進(jin)行(xing)(xing)(xing)檢查(cha)(cha)。見圖(tu)3。

    溫(wen)度循環試驗(yan)過程中由(you)于封裝材料間的(de)熱膨(peng)(peng)脹系(xi)數不一樣，在溫(wen)度變化過程中材料間的(de)接觸(chu)面可(ke)以因熱膨(peng)(peng)脹系(xi)數的(de)差異產(chan)(chan)(chan)(chan)生剪(jian)切(qie)應力(li)(li)，當剪(jian)切(qie)應力(li)(li)作用試驗(yan)足夠(gou)長(chang)、應力(li)(li)足夠(gou)大(da)時，可(ke)以對產(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)的(de)結(jie)構產(chan)(chan)(chan)(chan)生影響。溫(wen)度循環試驗(yan)可(ke)能造(zao)成芯片粘(zhan)接空洞(dong)的(de)擴大(da)，造(zao)成產(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)芯片粘(zhan)接強度的(de)降低，影響產(chan)(chan)(chan)(chan)品(pin)的(de)使用可(ke)靠性(xing)。
    從(cong)試驗前后(hou)X射線檢測圖(tu)片對(dui)比可以看到，該(gai)電路在1000次溫度循(xun)環試驗前后(hou)的(de)空洞缺陷沒有出現擴大、惡化的(de)情況，試驗前后(hou)的(de)空洞面積基本一致(zhi)。參考(kao)芯片剪(jian)(jian)切強度測試結(jie)(jie)果(guo)(guo)，芯片剪(jian)(jian)切強度未出現明顯的(de)退化。說明在經過1000次溫度循(xun)環后(hou)，產品的(de)結(jie)(jie)構和(he)可靠性沒有出現異(yi)變，測試結(jie)(jie)果(guo)(guo)均(jun)滿足標準(zhun)的(de)要(yao)求。

    3、結論

    溫度循環(huan)試驗造成了(le)芯(xin)片粘(zhan)接可(ke)靠性的(de)退(tui)化(hua)，并且具備累計效應(ying)，在溫度劇烈變化(hua)時(shi)，會加快芯(xin)片粘(zhan)接性能退(tui)化(hua)速(su)度。但該結構電路(lu)的(de)芯(xin)片、管殼、粘(zhan)接材(cai)料間的(de)熱匹配較(jiao)好，抗溫度變化(hua)的(de)性能較(jiao)高，在1000次溫度循環(huan)試驗后，沒有出(chu)現(xian)剪切強(qiang)度不合格(ge)的(de)情(qing)(qing)況(kuang)，粘(zhan)接強(qiang)度的(de)退(tui)化(hua)比較(jiao)輕微，在正常使(shi)用情(qing)(qing)況(kuang)下可(ke)以保證長期的(de)粘(zhan)接可(ke)靠性。
溫度(du)(du)循(xun)環(huan)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)對(dui)引線(xian)拉力(li)強(qiang)度(du)(du)有一定的(de)影響(xiang)，溫度(du)(du)循(xun)環(huan)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)次數(shu)少(shao)的(de)電路引線(xian)拉力(li)強(qiang)度(du)(du)優(you)于(yu)溫度(du)(du)循(xun)環(huan)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)次數(shu)多的(de)電路。在(zai)1000次溫度(du)(du)循(xun)環(huan)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)中(zhong)(zhong)引線(xian)拉力(li)強(qiang)度(du)(du)至少(shao)出(chu)現了(le)一次拉力(li)強(qiang)度(du)(du)退化的(de)過程，這個結(jie)果與GJB548B中(zhong)(zhong)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)前合格拉力(li)判(pan)別值高于(yu)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)后(hou)合格拉力(li)判(pan)別值的(de)規定值相符合的(de)。但隨著(zhu)溫度(du)(du)循(xun)環(huan)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)的(de)持續進(jin)行，引線(xian)拉力(li)強(qiang)度(du)(du)是否會出(chu)現二次退化，由于(yu)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(yan)次數(shu)的(de)限制，不能進(jin)行進(jin)一步的(de)驗(yan)(yan)(yan)證(zheng)。

    該封裝(zhuang)結構所使用的(de)封裝(zhuang)材料間(jian)熱匹配比較好，在(zai)(zai)經過1000次溫度循環試驗后，產品在(zai)(zai)結構和封裝(zhuang)可靠性(xing)方面(mian)(mian)沒有出現不(bu)滿足(zu)標(biao)準(zhun)的(de)情況，并且芯片粘(zhan)接空洞沒有出現明(ming)顯的(de)變化(hua)，在(zai)(zai)芯片粘(zhan)接性(xing)能(neng)方面(mian)(mian)還(huan)具有較高的(de)可靠性(xing)。

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