电迁移导致的塑封IC失效

电迁移导致的塑封IC失效


在电位器IC上进行的IC失效分析表明，金属梁问题会导致间歇性电学短路。
　　一个八脚小型晶体管封装的商业CMOS数字电位器IC在工作大约1个月后出现了场失效。系统失效分析结果证实了失效机制：制造完成后，塑料封装内部发生金属迁移。引线框架上的镀银已溶解，重新沉积至封装内部的黏晶环氧树脂和塑料壳之间的界面边界上，成为金属“条”。这些金属梁在邻近的引线框架脚间形成低阻电气连接，可以传输数百微安的电流（图1）。



　　失效的初步迹象

　　电位器IC是台式仪器中主PCB上组装的许多IC之一，台式仪器在正常工作时连续供电。仪器LCD的显示对比度通过电位器的输出电压调节。八比特的数值（对比度设置）决定输出电压（管脚1），通过I2C总线（管脚4和5）传输数值。应用该芯片时，典型管脚电压从0到3.3 V不等（图2）。输出电压是对比度设置的函数（图3）。






　　在芯片级或设备级生产测试时数字电位器并没有出现问题，这个IC故障导致的现场退货是潜伏的。退货率增加主要发生在使用了这些设备约700小时候以后（在设备持续加电压一个月后）。拥有某个专门的IC组装日期批号电位器的仪器拥有相当高的退货率。

　　从有问题的电位器IC上观察到的典型症状为在I2C时钟线（管脚4）和地线（管脚3）之间存在低阻通路，但其它管脚之间也有低阻通路出现。

　　曲线作图法隔离故障

　　我们认为失效机制对温度敏感。开始，PCB上的I2C时钟线和地线之间的低阻使数字电位器出现问题，因为数字电位器到信号的连线断开后（例如，可疑IC 的管脚4解焊接并提升后），短路情况消失了。然而，测试管脚4时，并没有观察到与地短路，而将管脚4与I2C时钟线解除焊接后，设备会正常工作。只有将怀疑的数字电位器IC从PCB上取下且不加热时，曲线作图法才能确定在隔离IC封装上的管脚4和管脚3间存在低阻路径。

　　管脚3/4的电气短路的电阻不等——从100到800 V——它们常表现出间歇性。比如，过大的电压或电流可能导致低阻特性“丢失”，这并不奇怪，但在典型应用中IC工作几天，这种“短路现象”又会回来。有时它自动又出现了（图4）。



　　接下来，通过磨穿IC封装直到焊接线断裂，我们将故障区隔离开来（图5-7）。通过检测断开焊接线的芯片一边和引线框架一边，电气短路就被隔离至IC的引线框架一边。







　　此外，由于接地管脚3的基底连线是封装中唯一设计与硅基底的电气连接（不可导的黏晶应隔离基底和引线框架），还利用对断裂的焊接线进行曲线作图，确定管脚4上的低阻漏电流路径是位于引线框架支脚和芯片基底之间，还是直接位于邻近的引线框架支脚之间。主要的漏电流路径直接发生在邻近的引线框架支脚间，而不通过芯片基底。在公司内部对11次失效进行分析，10次被证明是引线框架到引线框架间短路，只有一次失效是引线框架到基底短路。

　　这个结论出人意料，因为只有10 μm（名义）的黏晶环氧树脂将引线框架与芯片基底隔离开来，而邻近的引线框架支脚之间却隔开了约150 μm。

　　缺陷成像

　　我们继续进行研磨加工，直至完全除去硅基底。这在引线框架上留存了一个黏晶环氧树脂薄层。需要注意，黏晶环氧树脂和塑料封装间的界面是马鞍形，位于引线框架支脚之间的区域。这是组装工艺的结果——粘性的黏晶环氧树脂开始用在晶圆芯片的背部，而芯片在环氧树脂完全硬化前被仿制在引线框架的顶部。该工艺在邻近的引线框架支脚之间（图8）形成了一个片状环氧树脂表面。焊接连线后，塑料封装材料被注入模具内，空隙被填充好，在引线框架支脚之间形成了马鞍形的塑料封装带。





　　引线框架支脚间的金属梁



　　在最先分析的样本（图9和图10）上还存在低阻电学通路。在两端通上电流后，用激光切断金属梁，漏电流在切除后立即降为零——这有力地证明了金属梁在传输短路电流。

　　在某分析样本上将水平端面推进到金属线处，银金属暴露在环氧树脂和封装（图11和12）的界面处。黏晶环氧树脂和塑料封装间的椭圆形边界（图12）是马鞍形界面与水平端面的交叉线。我们用能量色散谱来识别金属中银的组分。







　　研磨至目标区域后，我们在几个样本上用脱胶技术将黏晶环氧树脂从剩余的塑料封装上脱离开来。该技术给出迁移银金属残余物的最清晰的图片（图1和13），这些残余物附在塑料封装上。

　　相关失效机制研究

　　大多数记录的金属电迁移（EM）或阳极性玻纤丝发生在PCB各层间的铜迁移环境中。但是，大多数和银迁移相关IC失效的发表成果出现在2000到2001年的时间段1。这些失效也与迁移银的电气短路有关，其根源是利用了红磷作为环氧模塑料中的阻燃剂。红磷上覆盖氢氧化铝（Al(OH)3）量不足使得磷和封装中的湿气反应形成磷酸。磷酸、水和电场溶解了管脚铝材料。因此，Sumitomo Bakelite在2001年11月宣布将停止生产EME-U系列的数值。不过由于客户需要，实际EME-U树脂的生产直到2002年七月才停止。


　　对当前数字电位器失效的研究继续深入到IC供应商和第三方封装供应商处，确定使得在这批CMOS器件发生银迁移的化学工艺。主要的校正措施是在引线框架上停止使用银镀层3，转用其它材料。

　　作者希望能从听取同样遇到IC封装内部迁移金属导致失效的同行们的意见。