塑封集成电路结构分析技术研究*

邝栗山 王 坦

（航天科工防御技术研究试验中心 北京 100854）

1 引言

由于航天产品对元器件小型化、轻型化的迫切需求，以及国外高质量等级元器件的可获得性日益艰难等因素，促进了国产替代和新研器件的发展。然而这些器件的内部的结构、材料或工艺能否完全满足军用环境的使用要求，仅通过现有的检测筛选手段是难以进行全面的评估。

半导体器件的结构分析就是针对器件内部结构、材料与工艺，甚至是内部管芯各层结构的工艺质量情况进行检查，发现其不适应军用环境要求的内部及外部因素，并针对所发现的问题，提出改进建议［1～5]。从技术角度上讲，主要是对国产化替代或者新研元器件开展相关验证分析，剔除不适用于特殊环境的结构或设计，降低元器件应用风险。

2 结构分析流程

结构分析的目的是解决元器件是否适用于特殊环境的要求，因此结构验证必须将元器件和使用环境要求结合起来，在方案制定时充分考虑已知的各种结构，并结合厂家提供的相关信息资料进行。结构分析初步流程如图1所示。

图1 结构分析试验程序

3 结构单元分解

结构单元分解是对元器件的整体结构按照功能单元和物理单元进行二级或三级层次分解，获得结构要素，以此作为确定分析试验项目、策划试验流程的依据。

图2 塑封器件典型封装结构图

以MAXIM生产的型号为MAX1270AEAI的塑封集成电路为例，其典型结构组成如图2所示，针对塑封集成电路的结构，进行结构单元分解和结构要素识别，如图3所示。

4 结构要素识别

塑封器件中不同的结构会出现不同的失效机理，通过对塑封器件常见的失效模式和失效机理进行调研分析［6～13]，并找出其对应的结构单元，根据结构单元制定相应的试验项目，如表1所示。

对识别不同结构单元的试验项目进行合并，以塑封器件结构为对象形成结构要素识别方法，如表2所示；并按照先非破坏性后破坏性的原则，编制结构分析试验程序和样品分组，如表3所示。

图3 塑封器件结构单元分解图

表1 塑封器件失效机理的试验项目

表2 结构要素组成和识别方法

表3 塑封单片电路结构分析程序

5 结构分析试验

5.1 外观检查

MAX1270AEAI塑封集成电路采用典型的塑封SOP表贴封装形式，标识采用激光打标后涂覆漆料的方式。4只器件样品整体外观完好，表面标识清晰，塑封体完整，无针孔、空洞等缺陷；器件引脚结构完好，表面镀层均匀，无锈蚀、沾污、变形、裂痕等缺陷，如图4所示。

图4 样品典型外观形貌

5.2 X射线检查

通过X射线检查及三维CT扫描检查发现，4只样品内部结构一致性较好，芯片粘接良好，无空洞、裂痕等缺陷形貌；内部引线框架无变形、断裂、损伤等工艺缺陷；键合丝无冲丝、颈缩损伤等异常现象，如图5所示。

图5 样品典型X射线及CT扫描结构形貌

5.3 SAM检查

通过超声扫描显微镜（SAM）检查，发现4只样品中有1只样品局部引脚出现了键合区域的引脚分层，表明该只器件引脚外键合点区域属于薄弱环节，后续应进行进一步的评价考核，如图6所示。基于该器件发生了塑封体的分层，该只器件样品被单独挑选了出来，作为后续剖面制样分组（2分组）的样品之一。

图6 样品典型SAM检查形貌

5.4 耐溶剂试验

选取2只样品（1分组）进行样品表面标识耐溶剂试验，试验后对器件表面进行观察，塑封体表面未见出现涂覆层脱落、褪色、起皮、抹掉现象，表面标识依然可辨识，该项试验结果证明器件标识涂覆质量良好。

5.5 开封及内部检查

对1分组2只器件进行化学开封，并进行观察。由于采用了X射线定位+激光开封+掩膜+化学腐蚀的综合开封方法，器件开封效果良好，内部芯片及键合、粘接结构得到了完整保留。

首先对内部整体进行观察：内部结构完好，芯片焊盘采用32μm金丝球形焊工艺，外键合点采用楔形焊工艺，均为较为成熟的键合工艺。内外键合点和引线框架完整，这与X射线结果一致。对芯片表面进行观察：芯片采用较为典型的CMOS工艺制造，版图完整，表面互联良好，未见明显的版图缺陷和互联缺陷，钝化层也未见明显的裂纹、破损等现象。键合焊盘在开封过程中未受明显腐蚀，保留较为完整。器件内部芯片形貌见图7。

图7 开封后器件内部形貌

5.6 SEM检查

采用扫描电子显微镜对芯片表面进行SEM检查，试验过程中，芯片表面钝化完好，金属化附着良好，未发现明显的空洞、裂纹、分隔、凹陷、凹槽、隧道或其组合缺陷。芯片最坏情况下的金属化形貌如图8所示。

图8 芯片最坏情况下的金属化SEM形貌

5.7 键合强度试验

对1分组的2只样品进行键合拉力试验，试验方法参照GJB548B-2005方法2011.1进行，器件采用32μm Au键合工艺，试验结果如表4所示。

表4 1分组样品破坏性键合拉力试验结果

可以看到，在化学开封后键合点不可避免受到一定程度损伤的情况下，1分组两只样品键合强度依然合格，证明器件键合工艺良好，但因器件外键合点存在分层扩展风险，建议对器件外键合点键合强度进行考核试验。

5.8 钝化层完整性检查

参照GJB548B-2005方法2021程序B条件，对键合强度试验后的1分组2只器件内部芯片进行钝化层完整性检查，可见芯片表面未作钝化处理的部分（键合焊盘）出现了铝腐蚀现象，其余区域为观察到明显的铝金属化结构的腐蚀。该项试验进一步证明器件芯片表面钝化层完整，无针孔、破损等缺陷。试验前后焊盘附近区域显微镜形貌如图9所示。

图9 腐蚀前后铝焊盘附近区域显微形貌

5.9 制样镜检

将剩余的2只器件（包括出现引脚键合区分层的1只样品）作为2分组分别沿器件长边和短边方向进行制样镜检，可见塑封集成电路典型剖面结构如图10所示。

图10 塑封集成电路剖面结构

利用金相显微镜和扫描电镜进行检查，结果为：芯片基板及引线框架采用铜基体镀银结构，镀层均匀，平均厚度为4.9μm，芯片与基板之间采用银浆料粘接，粘接形貌良好，粘接料内无明显的裂纹、空洞等缺陷，基板下表面有多个梯形凹槽，可以增强与包封料之间的结合力，如图11所示。

图11 基板结构、镀层厚度及粘接厚度剖面形貌

外引脚表面镀有锡助焊层，平均厚度为30.6μm，镀层形貌良好，无腐蚀现象，如图12所示。

图12 器件引脚镀层剖面形貌

芯片焊盘处键合点对准良好，内键合点Au-Al键合和外键合点Au-Ag键合界面结合良好，为典型集成电路键合材料组合，无明显的互扩散导致的金属空洞或金属间化合物（如紫斑）形成，如图13所示，说明键合工艺控制良好，但Au-Al键合存在发生柯肯德尔效应的可能，建议对其可靠性进行评估。

图13 键合点剖面形貌

对于引脚键合区分层的样品，从其外键合点剖面可见，塑封料和引线框架的界面处存在缝隙，在使用过程中，缝隙可能逐渐变大、扩展，降低外键合点的强度，属于薄弱环节，如图14所示。

图14 外键合点与塑封料的界面剖面形貌

6 结语

经过检查与分析，该批器件采用典型的塑封SOP结构和工艺，工艺控制成熟，未见明显材料与结构设计缺陷，但器件芯片采用Au-Al键合的结构，该种结构应严控工艺参数，尽量降低发生柯肯德尔效应的可能，建议对其工艺进行针对性评估。另外，该器件局部存在外键合区域分层，微观下可见有明显的缝隙，如应用于高可靠领域仍需对分层缺陷扩展趋势及键合强度进行考核评价。