技術分（fèn）析：溫度循環測試對芯（xīn）片燒結性能的影響
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發布日期： 2020.06.17
引言
半導體器件在（zài）貯存、運（yùn）輸和使用過（guò）程中時刻要遇到溫（wēn）度環境，溫度環境應力對元器件性（xìng）能的影響時刻存在。例如，高溫時導致半導體器件發生（shēng）軟化、效能降低、特性改變、潛（qián）在破壞、氧化、熔化及升（shēng）華、物理膨脹等現象（xiàng）；低溫使材（cái）料發生龜裂、脆化、可動（dòng）部卡死、特（tè）性改變等現（xiàn）象；溫度衝擊造成反複熱脹冷縮，產生機械應力等。
溫度環境應力對半導體器件作用更加突出和複雜（zá），導致元器件出現各種形式的（de）失效，嚴重影響武器（qì）裝備的可靠性和安全性。本文（wén）通過溫度（dù）循環（huán）試驗對一種封裝（zhuāng）結構的半導體器件封裝進行了（le）試驗，測定了該封裝結構的退化情況，測試結果表（biǎo）明該封裝對溫度有（yǒu）較好的耐受性。
1、實驗
1.1設備
溫度循環試驗箱；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
溫度循環按CJB 548B方法1010.1，條件（jiàn）C (-65℃~150℃ )的要求進行進行； X光檢測按CJB 548B方法（fǎ）2012.1的要求進行；鍵合拉力試驗按GJB 548B方法2011.1條件D的要求進行；芯片剪切強度按CJB 548B方法2019.2的要求（qiú）進行。
1.3樣品（pǐn）結構及試驗安排
選擇一種陶瓷封裝電路，該電路采用芯片背金燒結工藝，內引線采（cǎi）用為矽鋁絲超（chāo）聲（shēng）楔形（xíng）焊。試驗使用（yòng）樣（yàng）品100隻，分為10組，每組10電路。溫度循環共進行1000次（cì），每100次抽取1組進行芯片剪切力、鍵合拉力、X光檢查測試。
1.4樣品（pǐn）的預先處理
在進（jìn）行該試（shì）驗前，該電（diàn）路按照產品詳細規範的要求進行了篩選（xuǎn），對早期失效的電路進行了淘（táo）汰。在篩選合格電路中選取100隻芯片燒結空洞率小於15%的產品作為本（běn）次試（shì）驗的樣品。
2、結果與討論
2.1芯片剪（jiǎn）切強度結果
該電路共進（jìn）行了溫度循環試驗1000次，每100次溫度循環（huán）試驗後對電（diàn）路（lù）進行鍵合拉力測試，測試（shì）電路為試驗電（diàn）路中隨機抽取的10隻電路，對10電路的全部芯片剪切力試驗，對比（bǐ）試（shì）驗數據，得到溫（wēn）度循（xún）環試驗過程後芯片剪切（qiē）強度的變化規律，表I為試（shì）驗（yàn）後（hòu）拉力測試的數據統計。
芯片通過燒結（jié）材料（liào）與管殼進行固定（dìng）。芯片、管殼、粘接材料間具（jù）有不同的膨脹係數，在受熱或者遇冷的情況下會不同程度的發生形態上的變化（huà）。溫度循環試驗將不斷（duàn）變化的溫度應力施加到產品上，使芯片（piàn）、管（guǎn）殼、粘接材料不斷（duàn）產（chǎn）生形態上的變化，從（cóng）而在各接觸麵間產生機（jī）械應力。當使用的芯片、管殼（ké）、粘接材料的膨脹（zhàng）係數非常接近（jìn）時，所（suǒ）產生的機械應力較小，粘接（jiē）性能退化慢，反之會造成粘接性能的急劇退化。
從圖1中的統（tǒng）計數據可以看到，各階段試驗後芯片（piàn）剪切測試（shì）值（zhí）均滿足GJB 548B的要求，芯（xīn）片（piàn）剪（jiǎn）切強度在（zài）有限（xiàn）區間內上下波動。但在（zài）經過700次溫度循環試驗後，雖然（rán）芯片（piàn）剪切強度均滿足GJB 548B的要求，但測試值全部處於區間的下半部，而（ér）不是以，上下波動的形式出現。該測試結果反映出，芯片粘接性能可（kě）能在700次溫度循環試驗後逐（zhú）步（bù）出現了退化現象（xiàng），雖然退化的情況（kuàng）並不明顯。
2.2內引線拉力強度結果
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行鍵合拉（lā）力測試，測試電路為試驗電路中隨機抽取的10隻電（diàn）路（lù），對10電路的（de）全部引線進行試驗，對比（bǐ）試驗數據，得到溫度循環試驗（yàn）過程（chéng）中引線拉力強度的變化規律（lǜ），表2為（wéi）試驗後拉力測試的（de）數據統計。
溫度循環核試驗對內（nèi）引線的作用原理（lǐ）同樣是基於材料的熱脹冷縮特性（xìng）而產（chǎn）生的機械應力作用（yòng）。從圖2可以看到，雖然在1000次試驗過程中的引線拉力測（cè）試值均滿足CJB
548B的合格判（pàn）別（bié）要求，但引線拉力（lì）測試值在500次溫度循環中出（chū）現了快速的退化，而後直到1000次溫度循環試驗中的測試值處於一個相對比較（jiào）溫度的（de）範圍，引線拉力測試值沒有出（chū）現持續的退化。
2.3芯片粘接空洞結果
該電路共進行了（le）溫度循環試驗100次，每100次溫度（dù）循環試驗後對電路進行X射線檢查，其中（zhōng）10隻電路（lù）完成了全部的1000次溫循試（shì）驗，其他電路由於要進行破壞性（xìng）的鍵合拉力和芯片剪切力（lì）試.驗（yàn），溫循次數依次遞減。X射線檢測按照GJB
548B的相（xiàng）關要求進行，由於該電路采用平行（háng）封焊工藝，因（yīn）此在X射線（xiàn）檢測中（zhōng）僅針（zhēn）對芯片的空洞（dòng）缺陷進行檢查。見圖3。
溫度循環（huán）試驗過程（chéng）中由於封裝材料間的熱膨脹係數（shù）不一樣，在溫度變化過（guò）程中材料間的接觸麵可以因熱膨脹係數的差異產生剪切應力，當剪切應力作用試驗足夠（gòu）長、應力足夠大時，可（kě）以對產品的結構產生影響（xiǎng）。溫度循（xún）環試驗可能造成芯片粘接空洞的擴大，造成（chéng）產（chǎn）品芯（xīn）片粘接強（qiáng）度的降低，影響產品的使用可靠性（xìng）。
從試驗（yàn）前後X射線檢測圖（tú）片對比可以（yǐ）看到，該電路在1000次溫度循環試驗前（qián）後的空洞缺（quē）陷沒有出現擴大、惡化的情況，試驗前後的空洞麵積基本一致。參考芯片剪（jiǎn）切強度測試結果，芯片剪切強度未出（chū）現明（míng）顯的退（tuì）化。說（shuō）明在經過1000次溫度循環後，產（chǎn）品（pǐn）的結（jié）構和可靠（kào）性沒有出現異變，測試結果均滿足標準的要求。
3、結論
溫度循環試驗（yàn）造成了芯片粘接（jiē）可靠性的退化，並且具備累計效（xiào）應，在溫度劇烈變化時，會加快芯（xīn）片粘接性能退化速度。但該結構電（diàn）路的（de）芯片、管殼、粘接（jiē）材料間（jiān）的（de）熱（rè）匹配較好，抗溫度變化的性能較高，在1000次溫度循環試驗後，沒有出現（xiàn）剪切強度（dù）不合格的（de）情況（kuàng），粘接強度的退化比較輕微，在正常使用情況下可以保證（zhèng）長期的粘接可（kě）靠性。
溫度循環試驗對引線拉力強度有一定的影響，溫度循環試驗次數少的電路引線拉力強度優於溫度循環試驗次數多的電路。在1000次溫度循環試驗中引線拉力強度至少出現了一次拉力強度退化的過程，這（zhè）個結果與GJB548B中試驗（yàn）前合格拉力判別值高於（yú）試驗後合格（gé）拉力判別值的規定值相符合的。但隨著溫（wēn）度循環試驗的持續進行，引線拉（lā）力強度是否會出現（xiàn）二次（cì）退化，由於（yú）試驗次數的限製，不能進行（háng）進一步的驗證。
該封裝結構所使用的封裝材料間熱匹（pǐ）配比較好，在經過1000次溫度循環試驗後，產品在結構和封裝可靠性方麵沒有出現不滿足標（biāo）準的情況，並且芯片粘接空（kōng）洞沒有出現（xiàn）明顯的變化，在芯片粘（zhān）接性能方麵還具有較高的可靠性。
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