微电子器件应用中的几个重要问题

微电子器件应用中的几个重要问题
西安微电子技术研究所李志鑫（710054）
摘   要  
本文报道了半导体分立器件和集成电路应用尤其是航天型号产品应用中暴露出的若干重要问题，剖析了这些问题的成因，提出了相应的对策，供生产厂家和用户参考。
关键词
半导体器件集成电路
一、序言
　　随着航空、航天和宇航技术的发展以及军用、民用等复杂电子装备的研制和大量生产，人们对电子元器件和微电子器件的质量与可靠性提出愈来愈苛刻的要求。特别是对于可能导致飞行失败或机毁人亡灾难性后果的关键件、重要件更加关注。虽然在电子产品中采用冗余设计和降额设计技术可以在一定范围内减小风险压力，但在实际工作中这种方法并非都能实行得通。如容积的占用分配或功耗、效率要求存在难以克服的矛盾等，而且有的从技术上就难以实现冗余。所以只有提高微电子器件的设计和制造工艺水平以及各种原材料的质量水平，强化各项质量管理和质量保证，才能从根本上找到解决可靠性问题的途径。
　　从近期航天型号产品元器件使用中和破坏性物理分析（DPA）中暴露出的半导体器件和集成电路（IC）的质量与可靠性问题来看，存在的问题还是比较严重的。根据中国航天工业总公司质量可靠性信息中心1998年2月提供的《故障和事故信息通报》，应用于某重点工程型号的半导体器件和IC器件总共197种（批），在DPA检查中不合格品高达46种（批），占被检查批的23％。其问题分布为：①内引线键合力不合格的有20种,占不合格批的43.5％；②粘片剪切力不合格的有19种，占不合格批的41.3％；③粘片存在缺陷的（擦伤，划伤，沾污，花斑，裂纹等）有20种，占不合格批的43.5％；④PIND试验有多余物的1种，占不合格批的2％（前3项中有重叠情况）。在不合格的46种（批）中，进口器件为5种（批），其DPA不合格率为7.7％；国产器件为41种（批），其DPA不合格率为31.1％（检查批数分别为65和132）。由此可以看出，与进口器件相比较，国产器件在可靠性方面还存在着较大的差距。
　　现在，就生产和应用中在可靠性存在方面的几个重要问题，根据我们的分析和认识作一概略的介绍和讨论。
二、键合强度问题
　　目前，在国内外半导体器件和IC的组装工艺中，质量等级较高的产品，如883B级、JANTX级、G级等，其内引线连接仍以铝丝—金层或金丝—铝层超声键合为主。长期以来的实践表明，相同金属材料，Al－Al或Au－Au，键合强度较好，可靠性易于保证，但不同金属材料间的键合，可靠性问题较多。典型的键合失效是开路。人们对Au－Al系的可靠性问题进行了大量的研究，也发表了诸多的文章和见解。前些年，国外流行的说法是由于金铝键合时，生成了许多金铝系化合物，即所谓白斑、紫斑效应，易引起键合开路。后来，又发现这些色斑导电性不差，似乎并非开路元凶。接着，在罗马分析中心出版的资料中，又转而提出克肯达尔孔洞理论，认为开路原因是由于在高温应力作用下，键合点周围形成许多小的孔洞连成一线，导致开路和键合脱落。
　　我所可靠性分析工作多年的探讨、大量的试验和解剖观测表明，导致高温下Au－Al系开路的原因，除了个别起因于沾污或设备、材料（底座键合面不平整）外，很重要的因素是可伐表面的镀金层厚度不当或不匀所致，应当对镀金工艺实行强化控制。
　　良好器件的Au－Al键合的剖面磨片表明，经各项高温筛选后的键合力仍然高达15gf以上。可以清楚地看到，该键合处下面的Au－Al已充分化合，可伐柱表面已无纯金存在，形似一个“光刻窗口”。与此相反，从已脱落的劣质键合的剖面磨片，可以清晰地看到，该键合处可伐基体表面仍留有纯金镀层，直观表明底部金铝未形成化合的事实。由此可以推断，在Au－Al系键合工艺中，因材料原子扩散而充分生成各种成分的金铝化合物才是正常现象，而劣质键合的原因就在于未形成充分化合甚至未化合。
　　经过反复比较和测量统计，在相同的键合环境下（人员、设备、温度等），要保证良好的键合，镀金层厚度应严格控制在2～3微米。大于4微米的镀金层，在高温环境下就可能发生键合力明显降低以至脱焊。值得注意的是，单靠控制外壳电镀批的平均厚度还不足以解决问题。由于电镀工艺操作中的不均匀性，镀槽中上下左右各处的被镀元件存在着分布差异，其镀层厚度也就存在不均匀性。在一个多条引出线的外壳上，只要有局部引线镀金层偏厚，该处内引线键合就易开路。对此，曾作过多次现场调查和分析，事实与人们的认识相当吻合。所谓克肯达尔孔洞线，实际上就是偏厚的镀金层，压焊时因表层下陷产生的微裂纹在高温下的扩大和劣化。