微電子器件應用中的幾個重要問題
西安微電子技術研究所李志鑫（710054）
摘?? 要??
本文報道了半導體分立器件和集成電路應用尤其是航天型號產品應用中暴露出的若干重要問題，剖析了這些問題的成因，提出了相應的對策，供生產廠家和用戶參考。
關鍵詞
半導體器件集成電路
一、序言
　　隨著航空、航天和宇航技術的發展以及軍用、民用等復雜電子裝備的研制和大量生產，人們對電子元器件和微電子器件的質量與可靠性提出愈來愈苛刻的要求。特別是對于可能導致飛行失敗或機毀人亡災難性后果的關鍵件、重要件更加關注。雖然在電子產品中采用冗余設計和降額設計技術可以在一定范圍內減小風險壓力，但在實際工作中這種方法并非都能實行得通。如容積的占用分配或功耗、效率要求存在難以克服的矛盾等，而且有的從技術上就難以實現冗余。所以只有提高微電子器件的設計和制造工藝水平以及各種原材料的質量水平，強化各項質量管理和質量保證，才能從根本上找到解決可靠性問題的途徑。
　　從近期航天型號產品元器件使用中和破壞性物理分析（DPA）中暴露出的半導體器件和集成電路（IC）的質量與可靠性問題來看，存在的問題還是比較嚴重的。根據中國航天工業總公司質量可靠性信息中心1998年2月提供的《故障和事故信息通報》，應用于某重點工程型號的半導體器件和IC器件總共197種（批），在DPA檢查中不合格品高達46種（批），占被檢查批的23％。其問題分布為：①內引線鍵合力不合格的有20種,占不合格批的43.5％；②粘片剪切力不合格的有19種，占不合格批的41.3％；③粘片存在缺陷的（擦傷，劃傷，沾污，花斑，裂紋等）有20種，占不合格批的43.5％；④PIND試驗有多余物的1種，占不合格批的2％（前3項中有重疊情況）。在不合格的46種（批）中，進口器件為5種（批），其DPA不合格率為7.7％；國產器件為41種（批），其DPA不合格率為31.1％（檢查批數分別為65和132）。由此可以看出，與進口器件相比較，國產器件在可靠性方面還存在著較大的差距。
　　現在，就生產和應用中在可靠性存在方面的幾個重要問題，根據我們的分析和認識作一概略的介紹和討論。
二、鍵合強度問題
　　目前，在國內外半導體器件和IC的組裝工藝中，質量等級較高的產品，如883B級、JANTX級、G級等，其內引線連接仍以鋁絲—金層或金絲—鋁層超聲鍵合為主。長期以來的實踐表明，相同金屬材料，Al－Al或Au－Au，鍵合強度較好，可靠性易于保證，但不同金屬材料間的鍵合，可靠性問題較多。典型的鍵合失效是開路。人們對Au－Al系的可靠性問題進行了大量的研究，也發表了諸多的文章和見解。前些年，國外流行的說法是由于金鋁鍵合時，生成了許多金鋁系化合物，即所謂白斑、紫斑效應，易引起鍵合開路。后來，又發現這些色斑導電性不差，似乎并非開路元兇。接著，在羅馬分析中心出版的資料中，又轉而提出克肯達爾孔洞理論，認為開路原因是由于在高溫應力作用下，鍵合點周圍形成許多小的孔洞連成一線，導致開路和鍵合脫落。
　　我所可靠性分析工作多年的探討、大量的試驗和解剖觀測表明，導致高溫下Au－Al系開路的原因，除了個別起因于沾污或設備、材料（底座鍵合面不平整）外，很重要的因素是可伐表面的鍍金層厚度不當或不勻所致，應當對鍍金工藝實行強化控制。
　　良好器件的Au－Al鍵合的剖面磨片表明，經各項高溫篩選后的鍵合力仍然高達15gf以上。可以清楚地看到，該鍵合處下面的Au－Al已充分化合，可伐柱表面已無純金存在，形似一個“光刻窗口”。與此相反，從已脫落的劣質鍵合的剖面磨片，可以清晰地看到，該鍵合處可伐基體表面仍留有純金鍍層，直觀表明底部金鋁未形成化合的事實。由此可以推斷，在Au－Al系鍵合工藝中，因材料原子擴散而充分生成各種成分的金鋁化合物才是正常現象，而劣質鍵合的原因就在于未形成充分化合甚至未化合。
　　經過反復比較和測量統計，在相同的鍵合環境下（人員、設備、溫度等），要保證良好的鍵合，鍍金層厚度應嚴格控制在2～3微米。大于4微米的鍍金層，在高溫環境下就可能發生鍵合力明顯降低以至脫焊。值得注意的是，單靠控制外殼電鍍批的平均厚度還不足以解決問題。由于電鍍工藝操作中的不均勻性，鍍槽中上下左右各處的被鍍元件存在著分布差異，其鍍層厚度也就存在不均勻性。在一個多條引出線的外殼上，只要有局部引線鍍金層偏厚，該處內引線鍵合就易開路。對此，曾作過多次現場調查和分析，事實與人們的認識相當吻合。所謂克肯達爾孔洞線，實際上就是偏厚的鍍金層，壓焊時因表層下陷產生的微裂紋在高溫下的擴大和劣化。