張浩敏 ， 李鵬 ， 沈旭剛 ， 陳鐵柱

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所， 廣東 廣州 511370；2.寧波賽寶信息產(chǎn)業(yè)技術研究院有限公司， 浙江 寧波 315040）

0 引言

隨著集成電路制造朝著小型化、 高功率密度及多功能集成的方向發(fā)展， 嚴苛條件（例如： 高溫高濕） 下的器件可靠性受到更加廣泛的關注[1]。 高溫高濕偏置試驗（H3TRB： High Temperature High Humidity Bias） 是一種標準地反映有關腐蝕和其他濕度驅動的退化機制的加速壽命測試， 可對器件在高濕環(huán)境下的長期可靠性進行考核。 通常在溫度為85 ℃， 濕度為85%RH 的條件下加偏置電壓測試1 000 h 來預測被測裝置25 年的運行壽命， 因此，該試驗通常也被稱為雙85 環(huán)境試驗[2-4]。

置于高溫高濕的雙85 試驗環(huán)境下， PCB 板及其內部器件由于受水汽的侵入， 侵入速度與環(huán)境溫度呈正相關， 水汽依次擴散侵入器件外殼、 封裝，最終到達芯片表面。 芯片表面的水汽在高電場的作用下電解為氫離子與氫氧根離子， 進而促使金屬離子的電化學遷移過程、 電化學腐蝕并導致器件及PCB 板的失效， 因此需要在封裝時就對其氣密性做嚴格的控制[5-8]。 本文以某公司的控制PCB 板雙85 環(huán)境試驗過程中的失效作為典型案例， 采用多種失效分析技術對其進行分析與研究， 最終確認PCB 板為電化學腐蝕、 離子遷移， 導致樣品內部漏電失效， 樣品芯片由于水汽進入而導致發(fā)生爆米花效應， 內部電連接不良而失效。

1 案例分析

1.1 樣品概況

案例分析所用的樣品為某公司生產(chǎn)的PCB 控制組件， 其中7 只失效樣品， 本案編號為A1、A3 和A5 #， 以及D1-4 #； 1 只良品， 本案編號為G1 #。

器件失效現(xiàn)象為： 樣品為控制組件。 在雙85（85 ℃， 85%RH） 加電測試約200～600 h 后， 發(fā)生失效， 失效表現(xiàn)為燈泡負載（功率為600 W， 電流為2～3 A） 不亮。 委托方在測試板上測得的具體情況如表1 所示。

表1 委托方現(xiàn)場功能測試結果

1.2 外觀檢查

為了檢查樣品是否是在安裝、 試驗和使用等過程中造成的損壞， 利用體視顯微鏡對失效樣品進行外部檢查。 失效樣品為環(huán)氧灌封， 塑料外殼表面未見明顯的過電燒毀或機械損傷。 失效樣品的塑封表面有膠狀物殘留， 清洗后觀察， 表面型號標識可見。 其中樣品A1、 A3 #的典型形貌如圖1 所示。

圖1 失效樣品A1、 A3 #的外觀形貌圖

1.3 電參數(shù)測試

為了確定失效樣品的失效特性， 鑒別失效模式， 利用晶體管圖示儀測量7 只失效樣品各個引腳之間的I-V 特性， 并與良品進行對比。

測試結果顯示： A1 #樣品OUT1 和GND 之間的I-V 特性與良品有明顯的不同， 如圖2 所示；A3 #各個引腳之間的I-V 特性與良品一致； A5 #樣品OUT2 和GND 之間的I-V 特性與良品有明顯的不同， 如圖3 所示； D1 #和D2 #樣品OUT1 和OUT2 與GND 之間均呈開路特性。 D3 #樣品OUT2與GND 之間的I-V 特性與良品有明顯的不同； D4#樣品OUT1 和OUT2 與GND 之間的I-V 特性與良品有明顯的不同。

圖2 A1 #與G1 #樣品OUT1 和GND 的I-V 曲線對比

圖3 A5 #樣品OUT1 和GND 之間開路

1.4 聲學掃描檢查

對D2 #和D3 #樣品進行聲學掃描檢查， 結果如圖4 所示。 從圖4 中可以看出， D2 #樣品正面芯片和塑封料之間、 基板和塑封料之間可見明顯的分層； D3 #樣品正面基板和塑封料之間， 以及部分引線框架和塑封料之間均可見明顯的分層（圖中灰色區(qū)域表示分層）， 這說明失效樣品芯片內部普遍存在分層的現(xiàn)象。

圖4 失效樣品D2、 D3 #的聲學掃描形貌圖

1.5 A1、 A3、 A5 和D3 #樣品分析

1.5.1 A1 #樣品環(huán)境試驗

將A1 # 樣品烘烤48 h 后， 重新進行功能測試， A1 #樣品功能恢復正常。 重新進行雙85 潮熱試驗后， 樣品故障現(xiàn)象能復現(xiàn)。 說明： 樣品PCB板上存在離子漏電通道， 烘烤后， 漏電通道消失，樣品功能恢復正常； 潮熱試驗后， 離子漏電通道恢復， 故障現(xiàn)象復現(xiàn)。

1.5.2 A1 #樣品開封檢查

為了檢查失效樣品內部芯片是否符合要求， 是否存在與失效模式有關的內部結構異?；蛉毕荨?對失效樣品進行機械開封， 觀察內部全貌。

開封觀察， A1 #樣品PCB 板上電容器和電阻端頭變黑， 呈現(xiàn)腐蝕的形貌特征， 如圖5a 所示。EDS 能譜分析結果如圖5b 所示， 從圖5b 中可以看出， PCB 表面器件端頭焊點的主要元素成分為碳（C）、 氧（O）、 鎳（Ni）、 銅（Cu）、 鋁（Al）、硅（Si）、 氯（Cl）、 錫（Sn）、 鈣（Ga）、 鋇（Ba）和鈦（Ti）。 PCB 板上多處元器件端頭和PCB 板表面均能檢測到氯元素（Cl）。 開封后， 重新上電進行功能測試， 發(fā)現(xiàn)A1 #樣品功能恢復正常， A1 #樣品芯片IC1 引腳之間的I-V 特性曲線與良品芯片一致， 未見明顯的漏電或串阻等異常。

圖5 A1 #樣品板上電容器的形貌圖及端頭的能譜分析結果

繼續(xù)研磨至A1#樣品芯片表面進行觀察。 A1#樣品芯片內鍵合良好， 未見脫落， 表面金屬化未見腐蝕或過電燒毀的異常。 EDS 能譜分析結果如圖6所示， 從圖6 中可以看出， 芯片內鍵合點區(qū)域的主要元素成分為碳 （C）、 氧 （O）、 銅 （Cu）、 鋁（Al） 和硅（Si）。 芯片表面未見明顯的腐蝕特征。

圖6 A1#樣品焊盤腐蝕后的EDS 能譜分析結果

1.5.3 A1#樣品離子色譜分析

由于樣品PCB 板上多處元器件端頭和PCB 板表面均能檢測到大量的氯， 為了進一步地確認上述物質中氯的存在形式， 對A1 #樣品PCB 板表面進行離子色譜分析， 分析結果如表2 所示。 由分析結果可知， A1 #樣品PCB 板表面上的氯元素主要以氯離子（Cl-） 的形式存在。 說明樣品PCB 板上存在氯離子腐蝕、 漏電。

表2 A1 #樣品離子色譜分析結果

1.5.4 A3、 A5 和D3 #樣品開封

A3、 A5 和D3 #樣品內部失效情況與A1 #樣品基本一致。 PCB 板上電容器和電阻端頭也可見變黑， 呈現(xiàn)腐蝕的形貌特征。 EDS 能譜分析結果如圖7 所示， 從圖7 中可以看出， 3 只樣品PCB表面器件端頭焊點的主要元素成分為碳（C）、 氧（O）、 鈉（Na）、 鋁（Al）、 硅（Si）、 硫（S）、 鉛（Pb）、 氯（Cl） 和錫（Sn）。 PCB 板上多處元器件端頭和PCB 板表面均能檢測到氯元素（Cl）。

圖7 A3 #樣品板上電容器的形貌圖及端頭的能譜分析結果

繼續(xù)研磨至芯片表面進行觀察。 3 只樣品芯片內鍵合良好， 未見脫落， 表面金屬化未見腐蝕或過電燒毀的異常。 芯片表面也未見明顯的腐蝕特征。

1.5.5 D3 #樣品離子色譜分析

由于樣品PCB 板上多處元器件端頭和PCB 板表面均能檢測到大量的氯， 為進一步地確認上述物質中氯的存在形式， 對D3 #樣品PCB 板表面進行離子色譜分析， 分析結果如表3 所示。

從表3 的分析結果可知， D3 #樣品PCB 板表面上的氯元素主要以氯離子（Cl-） 的形式存在。說明樣品PCB 板上存在氯離子腐蝕、 漏電。

表3 D3 #樣品離子色譜分析結果

1.6 D1、 D2 和D4 #樣品分析

1.6.1 開封內部檢查

為了檢查失效樣品內部芯片是否符合要求， 是否存在與失效模式有關的內部結構異?；蛉毕荨?對D1、 D2 和D4 # 失效樣品進行機械開封， 觀察內部全貌。 開封觀察， D1 #樣品PCB 板上電容器和電阻端頭變黑， 呈現(xiàn)腐蝕的形貌特征， 如圖8 所示。 PCB 板上多處元器件端頭和PCB 板表面均能檢測到氯元素（Cl）。

圖8 D1 #樣品板上電容器的端頭腐蝕圖

電學測試， D1、 D2 和D4 # 樣品芯片IC1 引腳之間的I-V 特性曲線與良品芯片相應引腳之間的I-V 特性曲線不一致， 存在明顯的漏電或串阻特性。

將D1、 D2 和D4 # 樣品芯片開封觀察。 3 只樣品芯片表面腐蝕， 內鍵合點可見脫開， 內鍵合焊盤表面金屬化均可見腐蝕變色， 如圖9a 所示。EDS 能譜分析結果如圖9b 所示， 從圖9b 中可以看出， D1 #芯片內鍵合區(qū)域材料的主要元素成分為碳 （C）、 氧 （O）、 銅 （Cu）、 鎂 （Mg）、 鋁（Al）、 硅（Si） 和磷（P）。 D4 # 芯片內鍵合區(qū)域材料的主要元素成分為碳 （C）、 氧 （O）、 銅（Cu）、 鎂（Mg）、 鋁（Al）、 硅（Si）， 未發(fā)現(xiàn)明顯的異常。

圖9 D1 #芯片內鍵合SEM 形貌及能譜分析結果

1.6.2 D2 #樣品離子色譜分析

由于樣品PCB 板上多處元器件端頭和PCB 板表面均能檢測到大量的氯， 為進一步地確認上述物質中氯的存在形式， 對D2 #樣品PCB 板表面進行離子色譜分析， 分析結果如表4 所示。 由分析結果可知， D3 樣品PCB 板表面上的氯元素主要以氯離子（Cl-） 的形式存在。 說明樣品PCB 板上存在氯離子腐蝕、 漏電。

表4 D2 #樣品離子色譜分析結果

2 結果與討論

綜合以上的分析可以看到， 7 只失效樣品內部PCB 表面均存在Cl-腐蝕的現(xiàn)象。

A1、 A3、 A5 和D3 #樣品在雙85 環(huán)境試驗過程中， 在高溫高濕的環(huán)境下， PCB 板上發(fā)生電化學腐蝕及電遷移現(xiàn)象， 導致樣品內部PCB 板漏電失效。

D1、 D2 和D4 #樣品PCB 板上存在氯離子腐蝕而導致的漏電。 而且3 只樣品內部芯片也存在腐蝕現(xiàn)象， 從觀察到的情況看， 芯片與塑封料之間存在大面積的分層現(xiàn)象， 芯片的內鍵合線被拉脫， 呈現(xiàn)典型的爆米花效應特征。 EDS 能譜分析結果和離子色譜分析結果顯示， 未發(fā)現(xiàn)芯片內部存在明顯的腐蝕性離子。 因此可以認為， 由于芯片內部存在分層， 芯片內部吸潮， 水汽沿著芯片與塑封料分層界面進入芯片內部， 在雙85 試驗過程中， 在高溫的作用下， 水汽發(fā)生膨脹， 導致芯片內部產(chǎn)生腐蝕， 芯片的內鍵合線拉脫的現(xiàn)象， 因此使得芯片的電連接不良， 從而導致芯片的失效。

3 結束語

針對PCB 板漏電失效問題， 選取了一個典型的案例進行分析。 詳細地介紹了PCB 板及其內部芯片的分析過程和手段， 包括形貌觀察、 電參數(shù)測試、 聲學掃描檢測、 掃描電鏡、 能譜分析和離子色譜分析等分析手段， 并與良品進行了對比。 通過分析知道， 在雙85 環(huán)境試驗過程中， PCB 板上發(fā)生電化學腐蝕、 遷移， 導致樣品內部PCB 板漏電失效。 內部芯片存在分層現(xiàn)象， 在雙85 環(huán)境試驗過程中， 水汽進入芯片內部導致芯片內部發(fā)生爆米花效應， 內鍵合線拉脫， 使得電連接不良而失效。

為了降低器件的失效， 應采取的對策主要有以下兩條：

1） 改善器件封裝工藝， 檢測器件封裝過程中的氣密性， 嚴格控制器件內部的水汽含量， 防止在封裝時把水汽引入器件的內部；

2） 改善PCB 板的工作和存儲環(huán)境， 不能讓PCB 板長期暴露在潮濕或惡劣的環(huán)境中， 因為環(huán)境中的濕氣和鹽霧很容易進入封裝內部， 對器件及芯片表面進行腐蝕。