摘要：对某塑封器件进行破坏性物理分析(DPA)，发现芯片表面存在玻璃钝化层裂纹和金属化层划伤的缺陷。对缺陷部位进行扫描电子显微镜(SEM)检查和能谱(EDS)分析，通过形貌和成分判断其形成原因为开封后的超声波清洗过程中，超声波振荡导致环氧塑封料中的二氧化硅填充颗粒碰

超声波清洗引入的芯片金属化裂纹机理分析

刘云婷，龚国虎，张玉兴，何志刚艾凯旋

(中国工程物理研究院计量测试中心)

摘要

对某塑封器件进行破坏性物理分析(DPA)，发现芯片表面存在玻璃钝化层裂纹和金属化层划伤的缺陷。对缺陷部位进行扫描电子显微镜(SEM)检查和能谱(EDS)分析，通过形貌和成分判断其形成原因为开封后的超声波清洗过程中，超声波振荡导致环氧塑封料中的二氧化硅填充颗粒碰撞挤压芯片表面，从而产生裂纹。最后，进行了相关的验证试验。研究结论对塑封器件的开封方法提出了改进措施，对塑封器件的DPA检测及失效分析(FA)有一定借鉴意义。

塑封半导体器件因其尺寸小、重量轻、成本低，生产和封装工艺简单，已经广泛应用于各个领域。为提高其可靠性，使其能代替密封半导体器件应用于一些高可靠性的领域，常通过DPA和FA对其进行评估和研究。

DPA是军用电子元器件批质量一致性检验和评价的一个环节。用于DPA的样品是从生产批中抽取，且其检测结果可作为批次接收或者拒收的依据。在军用电子元器件的DPA检测中，封装的内部检查是一个非常重要的检测项目。它通过显微镜对半导体器件封装的内部进行检查，发现器件内部存在的缺陷。常见的芯片缺陷有金属化层的划伤及裂纹、芯片表面嵌入多余物、芯片周边崩损、金属化层和钝化层的缺损、金属化腐蚀等。这些缺陷的危害很大，芯片表面裂纹、划伤会导致芯片表面钝化层破损，降低电极之间的绝缘作用，增加半导体材料的多种表面效应，使芯片内部受到尘埃、酸气、水汽或金属颗粒的沾污。容易发生电迁移导致开路失效或者导致电路内部工作材料间的漏电增加或短路，严重影响器件在服役过程中的使用寿命和可靠性［1］。针对内部目检不合格的样品，一般实行批退处理，因此，芯片缺陷是生产厂家和检测机构都十分重视的问题。先前已有一些文章对芯片目检的缺陷和原因进行了分析。梁栋程等对外来物(钢颗粒)导致的塑封器件金属化层损伤进行了机理分析，结果表明钢颗粒来源于塑封模具破损或老化，在环氧固化过程中产生的应力导致钢颗粒压碎金属化层［2］;周安琪等对集成电路组装过程中裸芯片目检不合格类型与原因进行了统计和分析。目前报道的芯片缺陷大多来源于生产厂家的封装过程，如人员过失或工艺控制不良。对其它原因引入的芯片缺陷未见报道［3］。

塑封器件的芯片被塑封料完全包裹，为了进行内部目检试验，要求必须把芯片完整干净的露出来，即去除芯片表面的塑封料。常用的塑封器件开封方法为激光刻蚀法、综合化学腐蚀法。开封是内部目检的前提，可以找出失效点。电子探针、电子背散射衍射(EBSD)技术、微光显微镜(EMMI)和EDS分析均可用于元器件和材料的失效分析中［4－6］。本文将对某一种塑封器件内部目检中发现的芯片表面钝化层和金属化层微裂纹现象通过SEM和EDS进行机理分析，观察缺陷形貌，分析其元素成分及产生原因，设计复现试验进行验证。最后提出改进措施，为这类元器件的质量检测提供有益参考，对失效分析有一定借鉴意义。

1试验与讨论

1.1试验过程

对AnalogDevices，Inc．厂家生产的型号为HMC948LP3E的塑封器件进行DPA检测，先后进行外部目检、X射线检查、声学扫描显微镜检查和内部目检。外部目检无异常。对样品进行激光开封和化学开封，腐蚀后的芯片全貌如图1a和图1b所示。

利用金相显微镜对芯片表面形貌进行高倍检查(200倍～1000倍)，发现样品存在多处玻璃钝化层裂纹和金属化层划伤的缺陷，符合GJB548B方法2010.1－3.1.1.1-a条。缺陷部位的金相显微镜图见图1c。

在DPA检测中，SEM检查要求对引线键合、玻璃钝化层完整性和芯片互连线金属化层的质量进行评估。由于此类缺陷形貌并不常见，为进一步分析缺陷形成的机理，通过SEM和EDS对试验样品的损伤部位进行形貌和元素成分分析。

1.2结果与讨论

由目测可见器件的外观无异常，标识清晰。X射线检查的结果显示了样品的内部结构、芯片位置、内引线的连接及各个组件的相对高度。对样品X射线形貌进行分析发现样品内部芯片无裂纹和多余物，键合和封装外壳都正常，无缺陷。超声检测的C扫图可以看出器件的芯片、基板和引脚都未见分层及裂纹。

对内部目检发现缺陷的器件芯片进行SEM检查，得到背散射电子(BSE)像和二次电子(SE)像。背散射电子和二次电子的区别是分辨率、运动轨迹和能量的不同。背散射电子以直线逸出，样品背部的电子无法被检测到，成一片阴影，衬度较大，无法分析细节，但可用来显示原子序数衬度，进行成分定性分析;二次电子可以利用在检测器收集光栅上加上正电压来吸收较低能量的二次电子，使样品背部及凹坑处逸出的电子以弧线运动轨迹被吸收，因而使图像层次增加，细节清晰，能有效地显示样品表面微观形貌。缺陷部位的BSE像和SE像分别见图2a和图2b。对某个缺陷部位放大10000倍，得到的背散射电子成像如图3a所示。

从图2a和图2b可以看出，缺陷形貌为圆形裂纹并向外延伸，BSE像中缺陷部位未见明显成分衬度。放大的缺陷形貌显示存在受到撞击和挤压后碎裂状形态。芯片玻璃钝化层碎裂，造成金属化层损伤。对缺陷、正常部位进行EDS分析，其结果分别如图3和图4所示。

对比图3和图4，芯片表面的主要元素为要为C、N、O、Al、Si及少量的Au。裂纹处并无新的金属元素引入，两者之间的元素差异主要为C和N，排除了焊接材料(银浆)、塑封模具等的影响。对镊子划伤的器件做SEM分析，形貌像见图5a。可以看出，镊子划伤的形貌多为长条形，且划痕横跨整个金属条，可以排除。金属条一般为Al条，因此金属层的Al元素含量最大，如图4b所示。裂纹边缘处的能谱分析可以看出Si元素的含量超出了Al元素，说明裂纹的产生可能是由含Si的颗粒造成，颗粒撞击芯片表面部分残留于裂纹缝隙之中，被EDS检测出。

塑封器件中的塑封料是其重要组成部分，塑封料主要包含环氧树脂、固化剂、填充剂和阻燃剂。在环氧塑封料中，填充剂所占的比例最高，达到了70%以上，十分重要。在芯片封装过程中，各种材料必须具有相近的热膨胀系数，才能确保器件在使用过程中不开裂脱落。由于环氧树脂的热膨胀系数大于硅芯片、引线和引线框架材料，所以需要加入适量低膨胀系数的填充剂，如SiO2能够降低固化剂的热膨胀系数，从而减小塑封料固化后的收缩应力［7］。球型SiO2粉因其比表面积小，应力集中小，不易产生微裂纹;堆积效率紧密，填充量大;各向同性，封装质量高;流动性最好，摩擦系数小等诸多优点被广泛用于高端塑封器件的填充剂。塑封料的SEM像如图5b和5c所示。对芯片上残留的塑封料颗粒进行EDS分析，结果见图6。

对比裂纹和SiO2的SEM像，分析裂纹为SiO2颗粒撞击芯片表面玻璃钝化层产生的。从图6b也可以看出，塑封料中的Si元素含量很高，与裂纹处的EDS分析结果相一致。在塑封器件封装过程中，注塑时模具温度在160℃～180℃，塑封料呈熔融状态，具有流动性，不会对芯片表面产生应力冲击，因此可以排除封装过程引入的裂纹［8］。器件本身并未经历过电路周期性通断以及环境温度变化，因此不会产生塑封料和其它材料热膨胀系数不同导致热疲劳失效，从而形成器件内部引起裂纹和扩展变化的现象［9］。环氧固化过程中的应力会导致硅芯片破裂、石英砂损伤金属化层等情况，但其缺陷形貌与本研究中的不符，可以排除［10－11］。在塑封器件开封中，激光预开封后的器件会进行滴酸腐蚀，腐蚀后的反应物通过丙酮进行超声清洗，滴酸和清洗的过程重复进行多次，直至芯片表面完全裸露出来。芯片一般放入有丙酮的烧杯中采用超声波清洗。超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。超声波清洗由于操作简单并且清洗效果好而广泛应用于各个领域。由于超声波振子的振动，较小的器件或微小颗粒物会在液体中持续晃动。在芯片清洗过程中，随着清洗时间的增加，丙酮溶液中的塑封料反应物增多，由于芯片面朝下，溶液中的悬浮物较难漂浮至溶液上方。当丙酮溶液浑浊时，塑封料残留物会在超声振荡下不断撞击芯片表面。芯片表面包含玻璃钝化层、钝化层和金属层。最外层的玻璃钝化层主要成分为Si3N4，钝化层的主要成分是SiO2。Si3N4虽然具有良好的耐磨损性，抗热震性能等，但陶瓷和玻璃材质都属于硬脆材料，具有脆性高、断裂韧性低等特性，在机械应力下易碎裂。塑封料的主要成分为SiO2且为球形颗粒，硬度较高。在超声振动下，高硬度的颗粒不断碰撞芯片表面具有脆性的钝化层，就会在钝化层表面形成向外延伸的裂纹。钝化层的裂纹会导致水、气或杂质等通过微裂纹进入，腐蚀或者影响钝化层保护下的金属层的电性能，破坏芯片表面结构，使其可靠性大大降低。

2复现试验与控制建议

2.1复现试验

采用同一型号器件开展复现试验，试验过程如下:选取开封后无表面损伤器件，预先制备含大量塑封包封料的丙酮溶液;将器件置入溶液中并开展超声清洗，时间为10s;清洗结束后进行检查。检查发现金属条存在多个圆形微裂纹，见图7a。对缺陷芯片进行SEM测试，得到的BSE像见图7b。

从图7可以看出，缺陷出现在多个金属条上，形貌相似，大小不同且分布无规律，表现出了随机性。在圆形裂纹周围，分布有零散的圆形颗粒，相较于周边颜色更亮，说明芯片在清洗中会残留一些塑封料在芯片表面。

通过对缺陷进行复现验证，证实了缺陷产生的原因在于开封后的超声波清洗过程中，而并非器件封装工艺水平不足所引入。在DPA的内部目检中若发现此类形貌的缺陷，不能依据标准判定其不合格。

2.2控制措施

内部目检的误判主要来源于器件的开封。开封操作不当会引入一些缺陷从而影响内部目检的判断。如激光开封中，激光时间过长会导致过开封使激光损伤芯片;机械开封中，操作不当易引入多余物;化学滴酸中，镊子容易造成芯片划伤，滴酸过量容易造成芯片的过腐蚀。这些损伤或缺陷在开封的过程中较常出现，可通过经验避免误判。本研究中出现的损伤形貌较为罕见，超声波清洗虽然不是开封的主要步骤，但是却必不可少。超声波清洗的时间对塑封器件开封效果有一定影响，而且开封后的芯片清洗一般放于烧杯中，因为大多芯片本身易碎，放在玻璃杯中进行超声波振荡清洗时，容易与玻璃烧杯壁发生碰撞从而产生芯片碎裂，对芯片的后续检查也有影响。可采用软性材质的物品放置待洗器件，如在塑料袋中装入丙酮和芯片放入超声波清洗机中振荡清洗。在清洗过程中，丙酮的定时更换十分重要，滴酸、清洗、观察的过程需重复多次，直至芯片全部裸露出来。因此，通过控制盛放容器、超声波的振动频率、超声波清洗液的更换时间、超声时间可以有效避免芯片微裂纹的产生。

3结论

本文对DPA检测中内部目检发现的玻璃钝化层裂纹和金属化层划伤的缺陷样品进行了缺陷形成机理分析，利用SEM和EDS检测手段，对缺陷的形貌和成分进行了分析。结果表明塑封器件开封过程中的超声波清洗液丙酮溶液未及时更换会造成塑封料残留，在超声振荡下不断撞击芯片表面，芯片在外来物和外有应力的同时作用下被压碎，形成与塑封料SiO2颗粒相对应的圆形裂纹，并分布无规律。验证试验证实了缺陷的形成原因，并对控制缺陷产生提出了一些改进措施。本研究对DPA检测中的误判识别提供了参考经验，同时也对开封技术的提升有一定帮助，对DPA检测水平提高具有较大的参考价值。

来源：半导体封装工程师之家一点号