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1 引言
随着半导体封装产业在国内的迅猛发展，对集成电路早期失效的研究显得越来越重要。集成电路早期失效是影响电子产品及整机内在质量的主要因素，引起失效的因素是多方面的，笔者以面板显示驱动集成电路的失效为例，就其早期失效机理进行分析。现将相关分析过程做一整理，供业界同仁参考。
我公司封装生产的QFP44L的集成电路，厂家在进行组装时发现，电路贴装到PCB板经过14s／240℃高温载流波峰焊后，有5％左右电路失效。表现为：复测电性能参数时好时坏，如果给电路塑封体表面一个压力进行复测参数又为合格，初步判断为电路输出端接触不良所致。随后抽样分析发现，电路芯片表面的内压焊点上面的金球有脱落现象(金球与内压焊点铝层结合力不好所致)，内乐焊点铝层与底层硅化合物结合不牢脱落--掉铝现象。PCB板组装厂家也委托国内专业机构分析，分析结果与我们分析的一致。
2 失效原因
根据上述解剖结果看，认为以下几方面是可能造成该问题的原因：
(1)压焊劈刀选型不当造成金丝熔融金球直径偏小，金球与芯片内压焊点铝层接触面积偏小结合力不够，受外界因素影响金球结合力小于外界变形产生的应力而致使金球与芯片表面的内压焊点销层分离脱落；
(2)电路生产过程中造成芯片表面沾污，导致芯片表面的内压焊点铝层与金球结合力不好，受外界因素影响结合力小于外界变形产生的应力，致使金球与芯片表面的内压
点铝层分离而脱落；
(3)芯片表面的内压焊点铝层与底层硅化合物结合不牢受外界因素影响时导致脱落--掉铝；
(4)选用压焊参数不当，造成压焊后内压焊点铝层与底层受损形成弹坑而导致芯片表面的内压焊点铝层和底层与金球接触不良致使金球带起芯片表面的内压焊点及以下的硅化合物形成弹坑分离而脱落；
(5)塑封料选用不当，氯离子超标，腐蚀内压焊点销层，造成金球脱落；
(6)环氧塑封料的热膨胀性、气密性、耐湿性等特性不佳，加之存储环境(湿度大、高温时间长)恶劣导致成品电路吸潮，电路塑封体与芯片表面在经过14s／240℃高温载流波峰焊时，潮气膨胀而导致塑封体与芯片表面产生分层，从而导致金球与芯片表面的内压焊点铝层分离而脱落。
3 分析过程
针对上述5种可能原因，我们采用排除法逐一进行模拟试验解剖分析比较。
3．1 试验1
验证因劈刀选择不当引起电路失效。影响金球直径的因素主要是劈刀的CD值。我公司选用劈刀所压焊金球直径为0．06mm，另一封装厂同品种芯片解剖后所测金球直径0．05mm，小于我们所加工产品芯片焊线的金球直径，而后者的产品解剖后没有发现芯片焊线的金球脱落和掉铝的现象(见图1)。
由此比较，我们可以排除南劈刀选择不当致使金球与芯片表面的内压焊点铝层分离脱落，引起电路失效之第一因素。
3．2 试验2
验证因电路生产过程中造成芯片表面被沾污，导致芯片表面内压焊点铝层与金球结合力不好，致使金球与芯片表面的内压焊点铝层分离脱落引起电路失效。我们从粘片同化开始有意让其芯片氧化，延长流程时间(比工艺要求长10倍)，使芯片暴露于清净度比正常生产环境差10倍的生产环境中，然后压焊并进行金球剪切力和金丝破断力检测，两项均符合工艺参数的控制要求，最后用王水煮沸解剖，金球与芯片表面也结合得很好，由此排除电路生产过程中造成芯片表面被、沾污，导致芯片表面的内压焊点铝层与金球结合力不好，致使金球与芯片表面的内压焊点铝层分离脱落，引起电路失效之第二因素(见图2)。
3．3 试验3
验证芯片表面的内压焊点铝层与底层硅化合物接合不牢受外界因素影响时导致脱落--掉铝引起电路失效。在设计公司配合下，我们将该品种芯片在另一封装厂做封装对比试验，解剖后均正常未发现金球脱落和掉铝现象，由此排除芯片表面的内压焊点铝层与底层硅化合物结合不牢，受外界因素影响时导致脱落--掉铝引起电路失效之第三因素(见图3)。
3．4 试验4
验证因选用的压焊参数不当，造成压焊后内压焊点铝层和底层硅化合物受损形成弹坑而导致芯片表面的内压焊点铝层和底层与金球接触不良，我们调用生产该产品的原压焊]二艺参数进行摸拟压焊试验，随后解剖40只156个焊点均未发现弹坑，由此排除因选用压焊参数不当，造成压焊后内压焊点铝层与底层受损形成弹坑，导致金球与芯片表面的内压焊点铝层下的底层硅化合物接触不良，引起电路失效之第四因素(见图4)。
3．5 试验5
验证因我们选用的环氧塑封料不当，氯离子超标腐蚀铝层表面造成金球脱落和掉铝，我们委托专业机构将国内广范用于该品种封装的三种环氧塑封料进行化验分析，结果为：A牌号的氯离子含量为104×10-6；B牌号的氯离子含量为127×10-6；C牌号的氯离子含量为105×10-6；都未超过环氧塑封料的氯离子含量指标。由此排除因我们选用的环氧塑封料不当，氯离子超标腐蚀铝层表面造成金球脱落和掉铝引起电路失效之第五因素。环氧塑封料氯离子含量测试结果如表1。
3．6 试验6
验证因环氧塑封料的耐热性、耐腐蚀性、热膨胀系数、电气特性、耐湿性、结合性等特性不佳，加之成品电路的存储环境(南方潮湿高温时间多)恶劣吸潮，塑封体与芯片表面在经过14s/240℃的高温载流波峰焊时，潮气膨胀应力无处释放而导致塑封体与芯片表面产生分层，金球结合力小于分层变形产生的应力，从而导致金球与芯片表面的内压焊点铝层分离脱落引起电路失效。验证步骤如下：
(1)对早期加工包装不良存储受潮产品做240℃波峰焊摸拟试验，100只复测参数失效2只，随后做C-SAM超声分层分析，发现芯片表面与塑封体分层很严重，进一步解剖发现金球脱落。
(2)将现有的芯片用A、B、C三种不同牌号的环氧塑封料按正常生产工艺封装固化，抽100只电路经40h/60℃，60％RH，240％：的回焊炉和C-SAM后分层正常。然后进一步做加速吸潮试验，具体试验条件为：湿度100％，温度93℃，时间8h，然后进行电参数复测合格，随后又进行14s/240℃高温的载流波峰焊模拟试验，进行电参数复测失效率5％，再将5只失效电路做C-SAM超声离层，芯片表面与塑封体离层很严重，解剖分析发现，重复出现金球脱落的情况。并且都是集中在A牌号的环氧塑封料。
由上面两组试验说明环氧塑封料的耐热性、耐腐蚀性、热膨胀系数、电气特性、耐湿性、结合力等特性不佳，加之成品电路的存储环境(南方潮湿高温时间多)恶劣使产品吸潮，塑封体与芯片表面在经过14s/260℃高温载流波峰焊时，潮气膨胀应力无处释放而导致塑封体与芯片表面产生分层，金球与芯片表面的内压焊点铝层分离脱落，引起电路失效之第六因素，是集成电路失效影响电子产品及整机内在质量的主要因素。
4 分析验证
为进一步证实分析的正确性，对A、B、C三种环氧塑封料的有关特性--耐热性、耐腐蚀性、热膨胀系数，电气特性、耐湿性、结合力等方面做进一步分析探讨，以帮助我们在分析电路失效机理方面有更深刻的认识。
4．1 耐热性(玻璃转移温度Tg)
如果以热劣化性来衡量环氧塑封料的耐热性，可以Tg做参考值。环氧塑封料的Tg值主要决定于它的交联密度：交联密度愈高其Tg值也愈高，耐热性愈佳，热变形温度也愈高。一般环氧塑封料的Tg值约在160℃左右，过高的Tg会使成品过硬呈脆性，降低了对热冲击的抵抗性。
4．2 耐腐蚀性
造成塑封电路故障的原因中，以铝条腐蚀所占比例最高，造成铝条腐蚀的主因是塑粉中所含的氯离子及可水解l生氯。当大气中的湿气经由树脂本身及其与引线脚间的界面，扩散进入IC的内部，这些侵入的水气会与树脂中的离子性不纯物结合，特别是C1-，增加了不纯物的游动性。当这些不纯物到达芯片表面时，即与铝条形成腐蚀反应，破坏极薄的铝层，造成IC的故障。因此，防止腐蚀措施如下：
(1)降低不纯物含量：对我们来说，选择低氯离子含量的塑粉是必要的，目前一般塑粉中离子l生不纯物的含量均在100×10-6以下。由于环氧树脂在合成过程中使用EPICHI_,OROHYDRIN，无法避免氯离子的存在，因此树脂要经钝化去除大部分氯离子后才能生产成塑粉。
(2)添加腐蚀抑制剂：在塑粉中添加腐蚀抑制剂能减缓铝条的腐蚀速率，干扰阳极或阴极的腐蚀反应，从而降低腐蚀反应的速度。所选用的抑制剂要具有如下的性质：抑制剂中不能含有对电路工作有害的离子；加入抑制剂后所增加的离子不能产生有害于电路的副反应；抑制剂需能形成错合物；对有机系抑制剂而言，不能与环氧树脂发生反应，在硬化过程中具有安定性；对无机系抑制剂而言，其所产生的离子不可渗入Si或SiO2绝缘层中以免影响电路的工作。一般以无机系腐蚀抑制剂的效果最佳。其中钨酸铵、柠檬酸钙最为常用。
4．3 低的热膨胀系数(CTE)
由于环氧塑封料(树脂)与埋人件CTE的不同而产生内应力，是造成成品离层破裂的主要原因。
4．3．1 CTE与内应力的关系
内应力可用DANNENBERG'S方程式表示：
σ：内应力(internal stress)；
α：热膨胀系数(CTE)；
E：弹性模数(elastic modulus)；
S：截面积(cross section area)；
R：环氧塑封料树脂(resin)：埋人件、框架、芯片(insert cornponent，leadframe，chip)；
从方程式中，可清楚地看出环氧塑封料(树脂)与埋入件之间的CTE差愈大，所产生的内应力也就愈大。由内应力所引起分层龟裂将成为外部湿气及污染侵入IC内部的通路，进一步造成IC的故障，因此环氧塑封料必须具有低的CTE值。目前也有人从降低弹性模数来使内应力变小。
4.3．2 影响CTE的因素
CTE值可由Tg或交联密度来加以控制。此外与湿气污染、可塑剂或润滑剂的流失、应力的消失、未反应的化学品、后硬化的时间与温度等因素都有关。
4．4 电气特性
电气特性对环氧塑封料而言是相当重要的性质，介电特性为考虑重点。对封装材料而言，介电常数愈小其电绝缘性愈佳。介电常数会受频率、温度、湿度的影响。此外，成品的致密性是很重要的，将直接影响到电气特性。若成品封装有空隙存在，除了提供湿气污染的通路外，在对其施加电压时会发生电晕，使电场集中在空隙前端，引起内部放电而造成绝缘破坏。
4．5 耐湿性
湿气侵入半导体元件中与离子性不纯物作用，降低绝缘性，使漏电流增加并腐蚀铝路，这是降低IC可靠性的主要因素。湿气侵入封装成品中的路径有两条：(1)由树脂整体的表面扩散进入；(2)经由树脂与IC脚架间的界面，毛细孔现象侵入。
4．6 结合力与脱模性
前面已经提过脱模剂用量增加会使树脂的结合力降低。若减少脱模剂的添加量，虽然可使树脂与脚架引线的结合力提高，但是模具和成形品间的粘着力也随之增加，造成脱模的困难。因此脱模剂的添加量要选择结合性与脱模性兼顾者为宜。
5 分析结论
综合上述分析可以得出结论：造成电路早期失效的主要原因是由于塑封IC在温湿度条件比较差的情况下存放，如环氧塑封料选择不当，塑封体易吸潮产生分层，在240
℃波峰焊条件下会引起"爆米花"现象产生应力而造成球与芯片表面接触不良致使电路失效。
6 对策和措施
找到了造成电路早期失效的主要原因，我们就可以采取相应的对策和措施来预防。
(1)在进行包装前进行一次4h／90℃的烘烤，达到除去塑封体内潮气的目的；
(2)变普通包装为真空包装，进一步减少潮气进入塑封体内的机会；
(3)建议电路使用厂家和设计公司存放电路的温湿度要受控，存放地湿度不要超过60％RH；
(4)从生产环节中控制，尽量减少因芯片、引线脚原因造成与塑封体产生的分层；
(5)合理调整塑封工艺参数，减少因塑封T艺参数原因造成塑封体气密性，结合力不好的问题发生；
(6)合理选用环氧塑封料，将耐热性、耐腐蚀性、热膨胀系数、电气特性、耐湿性、结合力等特性参数做为考虑重点，同时综合考虑其他参数都较佳的环氧塑封料，选用过程建议用LEVER3的条件进行考核。考核办法如下：使用3种塑封料做可靠性(MSLLEVER
3)实验，各种塑封料分别封装2条QFP44(各16只)产品。样本记录如下：QFP44样本NO．1为A：(住友)；NO．2为B：(日立)；NO．3为C：(三星)；从实验前的扫描图片看，QFP44
3个样本中NO．3(三星)最好，NO．1(住友)与NO．2相近，NO．2(日立)稍差；做可靠性(MSL LEVER 3)实验后从扫描图片看QFP44塑封料中NO．3(三星)在MSL
LEVER3及经受住250℃(IR Reflow)的水平上。NO．1(住友)和NO．2(日立)临界在MSL LEVER3及250℃(IRReflow)的水平线附近。从可靠性上考虑，封装QFP44L形式的这类电路，首先选用C(三星)，其次是A(住友)B(日立)的环氧塑封料(图片略)进行封装是比较恰当的。
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