2021年1月8日
芯片失效模式分析
1、欧姆接触不良
芯片与基片间良好的欧姆接触是保证功率器件正常工作的前提。欧姆接触不良会使器件热阻加大，散热不均匀，影响电流在器件中的分布，破坏器件的热稳定性，甚至使器件烧毁。半导体器件的散热有辐射、对流和传导三种方式，其中热传导是其散热的主要方式。
上海电子展今天就以硅微波功率晶体管为例，一个是硅微波功率管装配模型，一个是其热等效电路。其中Tj为管芯结温，TC为管壳温度；R1、R2、R3、R4、R5分别是芯片、Au-Si焊接层、BeO、界面焊料层和钨铜底座的热阻。总热阻R=R1+R2 +R3+R4+R 5。芯片集电结产生的热量主要通过硅片、焊接层、BeO传到WCu外壳。 Au-Si焊接层的虚焊和空洞是造成欧姆接触不良的主要原因，空洞会引起电流密集效应，在它附近有可能形成不可逆的，破坏性的热电击穿，即二次击穿。但是焊接层的欧姆接触不良，会给器件的可靠性带来很大隐患。
2、热应力失效
这是一种由机械应力导致的失效。因为其失效的表现形式往往是焊接面裂纹或芯片剥裂，因而在这里把它归结为微焊接失效模式之一来加以讨论。微电子器件的焊接界面是由性能各异的部分材料组成，如Si、SiO 2、BeO、Al2O3、WCu等。这些材料的线热膨胀系数各不一样，如常用作底座的WCu其膨胀系数比Si晶体几乎大4倍。
当它们结合在一起时，不同的材料界面间会存在压缩或拉伸应力。微波功率器件在工作期间往往要经受热循环，因为芯片和封装体的热膨胀系数不同，在热循环过程中焊接面间产生周期性的剪切应力，这些应力将可能聚集在空洞的位置上使焊料形成裂纹甚至使硅片龟裂，、导致器件因热疲劳而失效。
在焊接中，必须充分考虑到芯片与基片的热匹配情况，在硅器件中若使用热膨胀系数同硅非常相近的陶瓷基片（如AlN），将大大降低热应力，可用于大芯片装配。
3、焊接质量的三种检验技巧
1）剪切力测量
这是检验芯片与基片间焊接质量常用和直观的技巧。图3是用来检测芯片焊接的GJB548A -96的较小剪切力与芯片面积的关系。在焊接良好的情况下，即便芯片推碎了，焊接处仍然留有很大的芯片残留痕迹。一般焊接空洞处不粘附芯片衬底材料，芯片推掉后可直接观察到空洞的大小和密度。比如某器件芯片推掉后观察到的焊接空洞，用树脂粘贴法粘贴的器件，若要在较高、较低温度下长期工作,应测不同温度下的剪切力强度。
2）电性能考试
对于芯片与基片或底座导电性连接（如共晶焊、导电胶粘贴）的双极器件，其焊接（粘贴）质量的好坏直接影响器件的热阻和饱和压降 Vces，所以对晶体管之类的器件能够通过测量器件的 Vces来无损地检验芯片的焊接质量。在保证芯片电性能良好的情况下，如果Vces过大，则可能是芯片虚焊或有较大的“空洞”。此种技巧可用于批量生产的在线考试。
3）超声波检测
超声波检测技巧的理论根据是不同介质的界面具有不同的声学性质，反射超声波的才能也不同。当超声波遇到缺陷时，会反射回来产生投射面积和缺陷相近的“阴影”。对于采用多层金属陶瓷封装的器件，往往需对封装体进行背面减薄后再进行检测。同时，因为热应力而造成的焊接失效，用一般的考试和检测手段很难发现，必需要对器件施加高应力，一般是经老化后缺陷被激活，即器件失效后才能被发现。比如某失效器件经背面减薄后的声扫形象，黑色圈内部分为焊接缺陷。利用超声波能够精确地检测出焊接区域内缺陷的位置和大小。
采用超声波探伤仪进行超声波检测是检验芯片焊接质量好坏的有效技巧。
随着技术的发展，芯片的焊接（粘贴）技巧也越来越多并不断完善。半导体器件焊接（粘贴）失效主要与焊接面洁净度差、不平整、有氧化物、加热不当和基片镀层质量有关。树脂粘贴法还受粘料的组成结构及其有关的物理力学性能的制约和影响。上海电子展小编认为要解决芯片微焊接不良问题，必须明白不同技巧的机理，逐一分析各种失效模式，及时发现影响焊接（粘贴）质量的不利因素，同时严格生产过程中的检验，加强工艺管理，才能有效地避免因芯片焊接不良对器件可靠性造成的潜在危害。
来源：网络