技術分析：溫度循環測試對芯片燒（shāo）結性（xìng）能的影響
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發布日期： 2020.06.17
引言
半導體器件在貯存、運輸和使用過程中時刻要遇到溫度環境，溫度環境應力對元（yuán）器件性能的影響時刻存在（zài）。例如，高溫時導致半導體器件發生軟化、效能（néng）降低、特性改變、潛在破壞、氧化、熔化及升華、物理膨脹等現象；低溫使材料發生龜裂、脆化、可動部卡死、特性改變等現（xiàn）象；溫度衝擊造成反複熱脹冷（lěng）縮，產生機械應力等。
溫（wēn）度環境應力對半導體器件作用更加突出和複雜，導致元器件出現各種形式的失效，嚴重影響武器裝備的可（kě）靠性和安全（quán）性。本文通過溫度循環試（shì）驗（yàn）對一種封裝結構的半導體器件封裝進行了試驗，測定了該封裝結構的退化情況，測試結果（guǒ）表明該封（fēng）裝對溫度有較好的耐受性。
1、實驗
1.1設備
溫（wēn）度循環試驗箱；X射線焊點檢測儀；推拉力剪切力測試。
1.2試驗方法及判定標準
溫（wēn）度循環按（àn）CJB 548B方法1010.1，條件C (-65℃~150℃ )的要求進（jìn）行進行； X光檢測按CJB 548B方法2012.1的要求進行；鍵合（hé）拉力試驗按GJB 548B方（fāng）法（fǎ）2011.1條件D的要求進行；芯（xīn）片剪切強度按（àn）CJB 548B方法2019.2的要求進行。
1.3樣品結構及試驗安排
選擇一種陶瓷（cí）封裝電路，該電路采用芯片背金燒結工藝，內引（yǐn）線采用為矽鋁絲超聲楔（xiē）形焊。試驗使用樣品100隻，分為10組（zǔ），每組10電路。溫度循環共進行1000次，每100次抽取1組進行（háng）芯片剪切（qiē）力、鍵（jiàn）合拉力、X光檢查測（cè）試。
1.4樣品的預先（xiān）處理
在進行該試驗前，該電路按照產品詳細規範的要（yào）求進行了（le）篩選，對早期失效的電路進行了淘汰。在篩選合格電路中選（xuǎn）取100隻芯片（piàn）燒結空洞率小於15%的產品作（zuò）為本次試驗的樣品。
2、結果與討論
2.1芯片剪切強（qiáng）度結果（guǒ）
該電路共進行了溫度循環試驗1000次，每100次溫度循環試驗後對電路進（jìn）行鍵合（hé）拉力測（cè）試，測試電路為試驗電路中隨機抽取的10隻（zhī）電路（lù），對10電路的全部芯片剪切力試驗，對比試驗數據，得到溫度循環試驗過程後芯片（piàn）剪（jiǎn）切強度的變化規（guī）律，表I為試驗後拉力測試的（de）數據統計。
芯片（piàn）通過燒結材（cái）料與管（guǎn）殼進行固（gù）定。芯片、管殼、粘接材料間具有不同的膨脹係數，在受熱或（huò）者遇冷的情況下會不同程度的發生形態上的變化。溫度循環試驗將（jiāng）不斷變化的溫度應力施加到產品上，使（shǐ）芯片、管殼、粘（zhān）接材料不斷產生形態上的變化，從而在各接觸麵間產生機（jī）械應力（lì）。當（dāng）使（shǐ）用的芯片、管殼、粘接（jiē）材料的膨脹係數非常接（jiē）近時，所產生（shēng）的機械應力較（jiào）小，粘接性（xìng）能退化慢，反之會造成粘接（jiē）性能（néng）的（de）急劇退化。
從圖1中的統計數據可以看到（dào），各階段試驗後（hòu）芯片剪切（qiē）測試值均滿足GJB 548B的要求，芯片剪切強度在（zài）有限區間內上下波動。但在經過700次溫度循環試驗後，雖（suī）然芯片剪切強度均（jun1）滿足GJB 548B的要求，但測試值全部處於（yú）區間的下半（bàn）部，而不（bú）是以，上下波動的形式出現。該測試結果（guǒ）反映出，芯片粘接性能可（kě）能在700次溫度循環試驗後逐步出現了退化現象，雖然退化的（de）情況並不明（míng）顯。
2.2內引線拉力強度結果（guǒ）
該電路共（gòng）進行了溫度循環試驗1000次，每100次溫度循環試驗後對電路進行鍵合拉力測試，測試電路為試驗電路中隨機抽取（qǔ）的10隻電路（lù），對10電路的全部引線進行試驗，對比試驗數據，得到溫度循環試驗過程中引線拉力強度的變化規律，表2為試驗後拉力測試的（de）數據統計（jì）。
溫度循環核試驗對內引線的作用原理同（tóng）樣是基於材料的熱脹冷縮特性而產生的機械應力作用。從圖2可以看到，雖然在（zài）1000次試驗過程中的引線拉力測試值均滿足CJB
548B的合格判（pàn）別（bié）要求，但引線拉力測（cè）試值在500次溫度循環中出現了快速的退化，而後直到1000次溫度循（xún）環（huán）試驗中的測試值處於（yú）一個相對比較溫度的範圍，引線拉力測試（shì）值（zhí）沒有出現持續的退化。
2.3芯片粘接空洞結果
該（gāi）電路共進（jìn）行了溫度循環試驗100次，每100次溫度循環試驗後對電路進行X射線檢查，其中10隻電路完成（chéng）了全部的1000次溫循試驗，其他電路由於要進行破壞性的鍵合拉力（lì）和芯片（piàn）剪切力試.驗，溫循次數依次遞減。X射線檢（jiǎn）測按照GJB
548B的相關要求進行，由於該（gāi）電路采用平行封焊工藝，因此在X射線檢測中僅針對芯片的空洞缺陷進行（háng）檢查。見（jiàn）圖3。
溫度（dù）循環試驗過程中由於封裝材料間的熱膨脹係數不一樣，在溫（wēn）度變化過程中（zhōng）材料間的接觸（chù）麵可以因熱膨脹係數（shù）的差異產（chǎn）生（shēng）剪切應力，當（dāng）剪（jiǎn）切應力作用試驗足夠長（zhǎng）、應力足夠大時，可以對產品的結（jié）構產生影響。溫度循環（huán）試驗可能造成芯片粘接空洞的擴大，造成產品芯片粘接強度的降低，影響產品的使用（yòng）可靠性。
從試驗前（qián）後X射線（xiàn）檢測圖片對比可以看到，該電路在1000次溫度循環試（shì）驗前後的空洞缺陷沒（méi）有出現擴（kuò）大（dà）、惡化（huà）的（de）情況，試驗前後的空洞麵積基本一（yī）致。參考（kǎo）芯片剪切強度測試結果，芯片（piàn）剪切強度未出（chū）現明顯的退化。說明（míng）在經過1000次溫度循（xún）環後，產品的結構和可靠（kào）性沒有出現異變，測試結（jié）果均滿足標準（zhǔn）的要求。
3、結論
溫度循（xún）環試驗造成了芯片粘接可靠性的（de）退化，並且具備累計效應（yīng），在溫（wēn）度劇烈變化時，會加快芯片粘接性能退化速度（dù）。但該結構電路（lù）的芯片、管殼（ké）、粘接材料間的熱匹配較好，抗溫度變化的性能較（jiào）高，在1000次溫度循環試驗後（hòu），沒（méi）有出現剪切強度不合格的情況，粘（zhān）接強度的退化比較輕微，在（zài）正常使用情況下可以保證長期的（de）粘接可靠性。
溫度循環試驗對（duì）引線拉力強度有一定的影響，溫度循環試驗（yàn）次數（shù）少的電路引線拉力強度（dù）優於溫度循環（huán）試驗次數多的電（diàn）路（lù）。在1000次溫度循環試驗中引線拉力強度至少出現了（le）一次拉力強度退化的過程，這個結果與GJB548B中試驗前合格拉力判別值高於試驗後合格拉力判別值的規定值相（xiàng）符合的。但（dàn）隨著溫度循環試驗（yàn）的持續進行（háng），引線拉（lā）力強度是否會出現二次退化，由於試驗次數的限製，不能（néng）進行進一步的驗證。
該封裝結構所使用的封裝材料間熱匹配比較（jiào）好，在經過1000次溫度循環試驗後，產品在（zài）結構和封裝可靠性方麵沒有出現不滿足標準的情況（kuàng），並且芯片粘接（jiē）空洞沒有出現明顯的（de）變化，在芯片粘接性能方麵還具有較高的可靠性。
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