轉自可靠性雜壇 2021年10月9日

混合集成電路（HIC）的主要失效模式包括厚薄布線基板及互連失效、元器件與布線基板焊接／黏結失效、內引線鍵合失效、基板與金屬外殼焊接失效、氣密封裝失效和功率電路過熱失效等。

一、HIC的失效類型

混合集成電路的失效，從產品結構上劃分失效主要分為兩大類：組裝、封裝互連結構失效、內裝元器件失效。其中，組裝互連結構是指電路中元器件與基板之間形成的電連接互連點和互連線；封裝互連結構是指電路整個的封裝體，包括氣密性金屬殼封裝、塑封；內裝元器件是指功能電路中所有的有源器件和無源元件。

由GJB／Z 299C—2006《電子設備可靠性預計手冊》統計的混合集成電路主要失效模式分為封裝失效（30．8％）、偶然失效（23．3％）、過電應力（14．2％）、開路（13．1％）、輸出退化（9．3％）、短路（9．3％）。

若從失效定位區分，失效模式分為芯片失效（31％）、引線鍵合失效（23％）、多余物／沾污（22％）、基板失效（9％）、外殼密封（6％）、芯片黏結（2％）、其他（7％）。

以失效時間長短來界定混合集成電路表現的失效模式可歸類為兩種：瞬間的過應力失效和長時間過程的退化性失效，這兩種失效分別與四種載荷應力相關—溫度應力、機械應力、濕度應力和電應力。混合集成電路失效機理及四種相關載荷見表1。在不同的外部載荷下，混合集成電路的不同部位有可能發生不同的失效機理，相關的失效部位、失效機理及載荷見表2。

表1 混合集成電路失效機理及四種相關載荷

表2 混合集成電路失效部位、失效機理及載荷

二、厚膜、薄膜基板及互連失效

作為混合集成電路內部承載元器件并保證其功能電互連的厚膜、薄膜成膜基板，其失效約占混合集成電路總失效的9％，包括機械損傷失效和電氣性能失效。

1．陶瓷基板失效

陶瓷基板的主要失效模式為基板開裂，原因是外部作用應力大于陶瓷基板固有的抗拉強度或因為陶瓷基板存在潛在缺陷而降低了基板抗開裂的能力。導致基板開裂的作用應力可能為機械沖擊力和溫變應力。產生這些作用應力的原因可能是產品跌落產生的機械沖擊力、錫焊操作帶來的熱沖擊、基板翹曲不平引起的額外應力、基板與金屬外殼和黏結料之間熱失配產生的橫向拉伸應力、基板內部缺陷造成的機械應力或熱應力集中、基板鉆孔和基板切割局部微裂造成的潛在損傷等。基板的熱膨脹系數應與表面的厚膜元件材料和表貼元器件相接近，否則在變化溫度作用下，由于熱膨脹系數失配，易造成膜元件和表貼元器件的開裂，也可能對厚膜電阻的溫度系數帶來很大影響。

2．厚膜導體互連失效

厚膜導體互連的主要失效模式有因金屬厚膜與基板附著不良而導致脫落、金屬厚膜間發生電化學遷移短路以及與焊料結合的金屬厚膜開裂斷路。其失效機理及原因包括：

（1）由于陶瓷基板表面的有機殘留或玻璃相過多，導致厚膜導體層附著力下降甚至脫落。

（2）覆蓋了Pb－Sn焊料的Pd－Ag導體，經130℃長時間作用后，由于錫元素大量向導體擴散形成錫合金，造成厚膜導體與基板間的附著力下降。

（3）含銀類厚膜導體容易發生銀離子遷移，造成相鄰導體間短路。如厚膜Pd－Ag、Pt－Ag導體，在潮氣和外加電場作用下，銀離子通過潮氣層遷移，形成枝晶狀遷移物，使相鄰導體之間絕緣電阻下降、漏電流增加，甚至發生短路、電弧現象。

（4）Pd－Ag導體與片式元件用Pb－Sn焊料焊接后，在溫度循環試驗后，Pd－Ag導體在焊點尾部出現縱向開裂，其機理是Pb－Sn焊料中的錫元素大量向Pd－Ag導體擴散，形成較脆性的Ag2Sn金屬間化合物，導致厚膜導體在溫循應力下斷裂。

3．厚膜電阻失效

厚膜電阻器的主要失效模式為參數漂移和參數不穩定，其失效機理及原因包括：

（1）Pd－Ag電阻器在濕熱環境下由于化學成分的變化導致其阻值不穩定，阻值增加的原因與Pd、Ag元素被氧化有關，阻值減少的原因與Ag被還原有關。

（2）Pd－Ag電阻器直接暴露于氫氣中參數不穩定，在工藝過程中封裝材料環氧樹脂、黏合劑、焊劑可能釋放氫氣，若厚膜電阻表面保護層玻璃釉不良，則會觸及氫氣，導致參數發生變化。

（3）厚膜電阻在界面應力作用下導致開裂，應力來源于電阻膜與其保護玻璃釉膜界面之間的應力失配或灌封電路樹脂固封時熱脹冷縮對電阻膜產生的機械應力。

（4）激光調阻引入的缺陷，造成阻值不穩定。

（5）高壓脈沖使用情況下，厚膜電阻產生很大的阻值變化，一方面原因是厚膜中導體金屬與玻璃之間、導體金屬顆粒之間存在不完全浸潤，另一方面原因是高壓脈沖擊穿局部膜層中的玻璃相引起電阻等效網絡的阻值變化。

4．薄膜基板及互連失效

薄膜導體的主要失效模式是開路和導體之間短路，其失效機理及原因包括：

（1）電化學腐蝕，薄膜金屬與環境介質帶來的其他離子發生化學反應形成金屬化合物，損壞薄膜金屬的完整性。

（2）薄膜金屬發生電遷移導致布線燒毀，由于電遷移效應將使金屬陽極附近出現遷移原子堆集，而在金屬陰極附近形成空隙，造成薄膜金屬的嚴重破壞、局部電流密度增大，甚至過熱燒毀。

（3）Cr／Cu／Au薄膜導體與Pb－Sn焊料結合后，存在污染和出現水汽的條件，會出現明顯Pd－Ag枝晶狀遷移物或大面積的Cu遷移物，元素遷移與C、O、Cl、S沾污元素有關，也與相鄰導體間電位差有關。

（4）薄膜電容器的ESD損傷，相同工作電壓下薄膜電容容量小的比容量大的對ESD更敏感；而相同容量的薄膜電容器工作電壓高的比工作電壓低的對ESD更敏感；薄膜電路ESD測試中，薄膜電容器的ESD最為敏感。

（5）SiO2薄膜電容器失效，薄膜電容器下電極邊緣“臺階”處電場畸變，且“臺階”處電介質膜層較薄，容易在“臺階”處發生介質擊穿，導致電容短路。

三、厚膜、薄膜基板與元器件的焊接／黏結失效

1．厚膜基板與元器件的焊接失效［4］

混合集成電路內裝元器件與厚膜基板的焊接，是實現電路功能的重要互連部位。與厚膜基板焊接的元器件主要有片式元件和半導體芯片。焊接結構的主要失效模式有元器件脫落、片式元件／芯片開裂和因焊接缺陷導致的散熱不良。失效機理及原因包括：

（1）Pb－Sn焊組裝中，含金類厚膜導體溶解在焊料中容易形成Au－Pb－Sn金屬間化合物，有可能使基板與元器件的焊接互連強度下降。

（2）厚膜基板氧化或燒結不當引起表面玻璃釉堆集，造成厚膜基板可焊性不良，元器件焊接強度下降。

（3）Pb－Sn焊料、Au－Pt－Pd厚膜基板結構，焊料與厚膜基板間會形成金屬間化合物（IMC）AuSn4、PtSn、PdSn，若長期工作在高溫條件下，較為脆性的IMC層將繼續生長加厚，導致芯片抗溫度循環能力下降，甚至開裂。

（4）表貼片式電容器端電極開裂，典型的片式電容器有三種端電極結構：Ag、Pd－Ag、Pd－Ag／Ni／Pb－Sn，若端電極焊點為凸狀外形，則焊點邊緣應力高度集中，溫度沖擊下電容由端頭破裂延伸至瓷體內部而開裂。

（5）功率芯片燒結缺陷導致熱擊穿燒毀，其原因包括芯片燒結面積不足、存在空洞，影響了芯片焊接強度，在高溫應力作用下，空洞缺陷引起焊接界面裂紋、熱阻增加，導致功率芯片熱性能退化、焊接強度下降；另外，芯片背面金屬化可燒結性差，難以形成良好的歐姆接觸，如襯底Cr－Ni－Au的芯片背面Ni阻擋層和Au層結構的設計不合理，是影響芯片Si材料與焊料Au互擴散和共熔的主要因素，不能形成良好的AuSi共晶焊接層。

2．薄膜基板與元器件的焊接失效

傳統的薄膜基板采用Ni－Cr／Au金屬化膜，若采用錫焊工藝，當溫度控制稍高或時間稍長時，薄膜表層金鍍層極易溶于焊錫，并暴露出與錫不浸潤的Ni－Cr層從而導致焊接失效。即使焊接好的基板也會在高溫使用過程中，因Au－Sn繼續互溶而使可靠性降低。改進方法是在Ni－Cr／Au金屬化膜的基礎上鍍Ni／Sn－Bi、Ni－Cr／Au／Ni／Sn－Bi多層結構，化學鍍Ni層作為焊接的中間阻擋層，表面金屬Sn－Bi合金電鍍層作為焊接層。

3．厚膜基板與元器件的黏結失效

厚膜基板與元器件的黏結采用兩種功能的有機膠：固定用有機膠、導電用有機膠。主要失效模式為由元器件脫落、開裂和黏結材料老化引起的芯片電參數漂移。失效機理及原因包括：

（1）采用環氧銀導電膠黏結小功率芯片，經125℃／1000h老化后，常表現的失效模式是芯片脫落或晶體管芯片的飽和壓降VCES增大，主要原因是配方不當，導電膠偏少，致使黏結的物理機械性能差；烘干固化速度太快，氧化銀未充分還原，聚合樹脂未能很好固化反應；封裝內部的有害殘余氣體在高溫下使導電膠加速老化，導致接觸電阻增大。

（2）在高溫貯存條件下，導電膠的黏結強度隨時間而降低，導電膠中黏合劑的熱老化是導致導電膠黏結強度降低的主要原因。

四、鍵合互連失效

混合集成電路的內引線鍵合主要有雙金屬鍵合和單一金屬鍵合兩種形式，其失效模式為鍵合拉力下降和鍵合點脫開。鍵合失效在混合集成電路失效中占比23％，其失效類型及機理有：

（1）Au／Al鍵合界面退化，鋁絲與厚膜金導體鍵合，在高溫條件下Au／Al鍵合界面發生嚴重退化，導致鍵合拉力下降。

（2）Au／Cu鍵合界面退化，銅絲與鍍金引線框架鍵合或者金絲與銅引線框架鍵合，在200～300℃溫度下，界面形成柔韌的金屬間化合物Cu3Au、AuCu和Au3Cu［5］，界面出現Kirkendall空洞，長時間后導致鍵合強度下降。

（3）Cu／Al鍵合界面退化，銅絲與芯片鋁鍵合，在100～500℃溫度下，界面通過相互擴散生成金屬間化合物CuA12、CuAl、Cu9A14，但不會生成Kirkendall空洞，由于CuA12的脆性，導致剪切強度明顯下降，并且銅絲還存在容易氧化的問題。

（4）Al／Ag鍵合界面退化，鋁絲與鍍銀引線框架鍵合，一般溫度下，Al／Ag鍵合相互擴散和退化明顯，易生成多種復雜金相結構；在175℃以上，若不使用Al／Ag鍵合，容易因金屬間化合物加速生長而生成Kirkendall空洞，同時銀表面極易被氧化。

五、布線基板與外殼焊接失效

布線基板與外殼焊接的失效模式主要是附著強度下降，其失效機理及原因有：

（1）由于基板焊接結構設計和工藝控制不當，引起焊接浸析導致基板附著力下降，原因是基板背面金屬化層過薄、焊接溫度過高、再流焊次數過多。

（2）因焊料選擇不當，影響了基板焊接的附著強度和長期可靠性，原因是在基板與鍍Au外殼間的焊接中使用了含In的焊料（Pb－In）。

六、功率器件過熱失效

當器件的工作溫度超出規定的結溫上限時，出現器件失效或參數超差，稱為過熱失效，典型電子元器件的最高允許結溫TJM和額定功率殼溫上限（額定功率下的最高允許溫度）TS／TN見表3。因此必須保證元器件工作在最高允許結溫TJM和額定功率殼溫TS／TN以下，這是功率元器件過熱控制設計的基本原則。可通過選擇適當的黏結材料、基板、外殼控制散熱帶來的問題。

器件芯片的最高允許結溫為TJM，對于硅芯片TJM＝175℃，對于鍺芯片TJM＝80。一旦器件芯片的結溫超過TJM，則芯片會出現參數漂移甚至燒毀。在器件功率和外殼溫度一定的情況下，影響器件結溫的主要因素是封裝熱阻，主要表現在三個方面：熱流路徑上的封裝結構尺寸、封裝材料的熱傳導系數和熱流路徑上的焊接／黏結界面熱阻。

表3 典型電子元器件的最高允許結溫TJM和額定功率殼溫上限TS／TN

七、氣密封裝失效

氣密性封裝按材料可分為金屬氣密性封裝和陶瓷金屬氣密性封裝兩種形式。氣密性封裝的失效模式為水汽超標，即水汽含量超過了標準要求（GJB 548規定水汽含量＜5000×10＾－6）。氣密性封裝內部水汽超標的來源一般有三個：腔體內各部分材料表面和內部吸附的水汽隨溫度變化而解吸；封蓋操作時封口氣氛中的水汽；外殼漏氣部位滲入水汽。

混合集成電路在老化后內部水汽超標導致漏電增加。研究發現封裝后的混合集成電路經125℃老化試驗后，助焊劑熱退化會產生超量的水汽，除了水汽外，氣體分析還檢測出二氧化碳、異丙醇、甲醇。漏電流是基板表面帶有殘余助焊劑的布線導體之間出現金屬遷移的結果。

氣密性封裝中常采用低熔玻璃進行陶瓷熔封封裝，由于陶瓷材料在使用前呈粉末狀，表面積很大，因此難免在加工中吸收一些潮氣，盡管這些水分在封接前可以通過加熱將其排除，但并不能徹底排除干凈，容易在封接后殘留在封裝的空腔中，對芯片和其他部位造成腐蝕。

外引腳玻璃絕緣子破裂導致氣密性封裝失效。封接材料間的熱膨脹系數差異是影響封接質量的關鍵；玻璃絕緣子中存在氣泡，在熱應力作用下，氣泡處產生的應力集中導致裂紋萌生和迅速擴展；金屬環、引腳玻璃封接界面缺少必要的晶間氧化層過渡或氧化層很薄，不能形成封接界面材料的相互浸潤，降低了玻璃絕緣子的密封性和密封強度。可參考國外絕緣子結構，選用鐵鎳合金與銅封接，再選擇膨脹系數較高的軟玻璃，使中間引線與基座間形成分級封接，以降低封接應力，提高產品的封接質量。

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