技術(shù)分析：溫度循環(huán)測(cè)試對(duì)芯片燒結(jié)性能的影響
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網(wǎng)絡(luò)
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瑞凱儀器
來(lái)源：
網(wǎng)絡(luò)
發(fā)布日期： 2020.06.17
引言
半導(dǎo)體器件在貯存、運(yùn)輸和使用過(guò)程中時(shí)刻要遇到溫度環(huán)境，溫度環(huán)境應(yīng)力對(duì)元器件性能的影響時(shí)刻存在。例如，高溫時(shí)導(dǎo)致半導(dǎo)體器件發(fā)生軟化、效能降低、特性改變、潛在破壞、氧化、熔化及升華、物理膨脹等現(xiàn)象；低溫使材料發(fā)生龜裂、脆化、可動(dòng)部卡死、特性改變等現(xiàn)象；溫度沖擊造成反復(fù)熱脹冷縮，產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力等。
溫度環(huán)境應(yīng)力對(duì)半導(dǎo)體器件作用更加突出和復(fù)雜，導(dǎo)致元器件出現(xiàn)各種形式的失效，嚴(yán)重影響武器裝備的可靠性和安全性。本文通過(guò)溫度循環(huán)試驗(yàn)對(duì)一種封裝結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件封裝進(jìn)行了試驗(yàn)，測(cè)定了該封裝結(jié)構(gòu)的退化情況，測(cè)試結(jié)果表明該封裝對(duì)溫度有較好的耐受性。
1、實(shí)驗(yàn)
1.1設(shè)備
溫度循環(huán)試驗(yàn)箱；X射線焊點(diǎn)檢測(cè)儀；推拉力剪切力測(cè)試。
1.2試驗(yàn)方法及判定標(biāo)準(zhǔn)
溫度循環(huán)按CJB 548B方法1010.1，條件C (-65℃~150℃ )的要求進(jìn)行進(jìn)行； X光檢測(cè)按CJB 548B方法2012.1的要求進(jìn)行；鍵合拉力試驗(yàn)按GJB 548B方法2011.1條件D的要求進(jìn)行；芯片剪切強(qiáng)度按CJB 548B方法2019.2的要求進(jìn)行。
1.3樣品結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)安排
選擇一種陶瓷封裝電路，該電路采用芯片背金燒結(jié)工藝，內(nèi)引線采用為硅鋁絲超聲楔形焊。試驗(yàn)使用樣品100只，分為10組，每組10電路。溫度循環(huán)共進(jìn)行1000次，每100次抽取1組進(jìn)行芯片剪切力、鍵合拉力、X光檢查測(cè)試。
1.4樣品的預(yù)先處理
在進(jìn)行該試驗(yàn)前，該電路按照產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范的要求進(jìn)行了篩選，對(duì)早期失效的電路進(jìn)行了淘汰。在篩選合格電路中選取100只芯片燒結(jié)空洞率小于15%的產(chǎn)品作為本次試驗(yàn)的樣品。
2、結(jié)果與討論
2.1芯片剪切強(qiáng)度結(jié)果
該電路共進(jìn)行了溫度循環(huán)試驗(yàn)1000次，每100次溫度循環(huán)試驗(yàn)后對(duì)電路進(jìn)行鍵合拉力測(cè)試，測(cè)試電路為試驗(yàn)電路中隨機(jī)抽取的10只電路，對(duì)10電路的全部芯片剪切力試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到溫度循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程后芯片剪切強(qiáng)度的變化規(guī)律，表I為試驗(yàn)后拉力測(cè)試的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。
芯片通過(guò)燒結(jié)材料與管殼進(jìn)行固定。芯片、管殼、粘接材料間具有不同的膨脹系數(shù)，在受熱或者遇冷的情況下會(huì)不同程度的發(fā)生形態(tài)上的變化。溫度循環(huán)試驗(yàn)將不斷變化的溫度應(yīng)力施加到產(chǎn)品上，使芯片、管殼、粘接材料不斷產(chǎn)生形態(tài)上的變化，從而在各接觸面間產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。當(dāng)使用的芯片、管殼、粘接材料的膨脹系數(shù)非常接近時(shí)，所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力較小，粘接性能退化慢，反之會(huì)造成粘接性能的急劇退化。
從圖1中的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看到，各階段試驗(yàn)后芯片剪切測(cè)試值均滿足GJB 548B的要求，芯片剪切強(qiáng)度在有限區(qū)間內(nèi)上下波動(dòng)。但在經(jīng)過(guò)700次溫度循環(huán)試驗(yàn)后，雖然芯片剪切強(qiáng)度均滿足GJB 548B的要求，但測(cè)試值全部處于區(qū)間的下半部，而不是以，上下波動(dòng)的形式出現(xiàn)。該測(cè)試結(jié)果反映出，芯片粘接性能可能在700次溫度循環(huán)試驗(yàn)后逐步出現(xiàn)了退化現(xiàn)象，雖然退化的情況并不明顯。
2.2內(nèi)引線拉力強(qiáng)度結(jié)果
該電路共進(jìn)行了溫度循環(huán)試驗(yàn)1000次，每100次溫度循環(huán)試驗(yàn)后對(duì)電路進(jìn)行鍵合拉力測(cè)試，測(cè)試電路為試驗(yàn)電路中隨機(jī)抽取的10只電路，對(duì)10電路的全部引線進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到溫度循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中引線拉力強(qiáng)度的變化規(guī)律，表2為試驗(yàn)后拉力測(cè)試的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。
溫度循環(huán)核試驗(yàn)對(duì)內(nèi)引線的作用原理同樣是基于材料的熱脹冷縮特性而產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力作用。從圖2可以看到，雖然在1000次試驗(yàn)過(guò)程中的引線拉力測(cè)試值均滿足CJB
548B的合格判別要求，但引線拉力測(cè)試值在500次溫度循環(huán)中出現(xiàn)了快速的退化，而后直到1000次溫度循環(huán)試驗(yàn)中的測(cè)試值處于一個(gè)相對(duì)比較溫度的范圍，引線拉力測(cè)試值沒(méi)有出現(xiàn)持續(xù)的退化。
2.3芯片粘接空洞結(jié)果
該電路共進(jìn)行了溫度循環(huán)試驗(yàn)100次，每100次溫度循環(huán)試驗(yàn)后對(duì)電路進(jìn)行X射線檢查，其中10只電路完成了全部的1000次溫循試驗(yàn)，其他電路由于要進(jìn)行破壞性的鍵合拉力和芯片剪切力試.驗(yàn)，溫循次數(shù)依次遞減。X射線檢測(cè)按照GJB
548B的相關(guān)要求進(jìn)行，由于該電路采用平行封焊工藝，因此在X射線檢測(cè)中僅針對(duì)芯片的空洞缺陷進(jìn)行檢查。見(jiàn)圖3。
溫度循環(huán)試驗(yàn)過(guò)程中由于封裝材料間的熱膨脹系數(shù)不一樣，在溫度變化過(guò)程中材料間的接觸面可以因熱膨脹系數(shù)的差異產(chǎn)生剪切應(yīng)力，當(dāng)剪切應(yīng)力作用試驗(yàn)足夠長(zhǎng)、應(yīng)力足夠大時(shí)，可以對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。溫度循環(huán)試驗(yàn)可能造成芯片粘接空洞的擴(kuò)大，造成產(chǎn)品芯片粘接強(qiáng)度的降低，影響產(chǎn)品的使用可靠性。
從試驗(yàn)前后X射線檢測(cè)圖片對(duì)比可以看到，該電路在1000次溫度循環(huán)試驗(yàn)前后的空洞缺陷沒(méi)有出現(xiàn)擴(kuò)大、惡化的情況，試驗(yàn)前后的空洞面積基本一致。參考芯片剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，芯片剪切強(qiáng)度未出現(xiàn)明顯的退化。說(shuō)明在經(jīng)過(guò)1000次溫度循環(huán)后，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和可靠性沒(méi)有出現(xiàn)異變，測(cè)試結(jié)果均滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求。
3、結(jié)論
溫度循環(huán)試驗(yàn)造成了芯片粘接可靠性的退化，并且具備累計(jì)效應(yīng)，在溫度劇烈變化時(shí)，會(huì)加快芯片粘接性能退化速度。但該結(jié)構(gòu)電路的芯片、管殼、粘接材料間的熱匹配較好，抗溫度變化的性能較高，在1000次溫度循環(huán)試驗(yàn)后，沒(méi)有出現(xiàn)剪切強(qiáng)度不合格的情況，粘接強(qiáng)度的退化比較輕微，在正常使用情況下可以保證長(zhǎng)期的粘接可靠性。
溫度循環(huán)試驗(yàn)對(duì)引線拉力強(qiáng)度有一定的影響，溫度循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)少的電路引線拉力強(qiáng)度優(yōu)于溫度循環(huán)試驗(yàn)次數(shù)多的電路。在1000次溫度循環(huán)試驗(yàn)中引線拉力強(qiáng)度至少出現(xiàn)了一次拉力強(qiáng)度退化的過(guò)程，這個(gè)結(jié)果與GJB548B中試驗(yàn)前合格拉力判別值高于試驗(yàn)后合格拉力判別值的規(guī)定值相符合的。但隨著溫度循環(huán)試驗(yàn)的持續(xù)進(jìn)行，引線拉力強(qiáng)度是否會(huì)出現(xiàn)二次退化，由于試驗(yàn)次數(shù)的限制，不能進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證。
該封裝結(jié)構(gòu)所使用的封裝材料間熱匹配比較好，在經(jīng)過(guò)1000次溫度循環(huán)試驗(yàn)后，產(chǎn)品在結(jié)構(gòu)和封裝可靠性方面沒(méi)有出現(xiàn)不滿足標(biāo)準(zhǔn)的情況，并且芯片粘接空洞沒(méi)有出現(xiàn)明顯的變化，在芯片粘接性能方面還具有較高的可靠性。
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