2023年12月14日发(作者：)
第二单元 集成电路芯片封装可靠性知识—郭小伟
（60学时）
第一章、可靠性试验
1．可靠性试验常用术语
试验名称 英文简称
温度循环 TCT（T/C）
高压蒸煮 PCT
热冲击 TST（T/S）
常用试验条件
－65℃~150℃,
dwell15min,
100cycles
121℃，100RH.,
2ATM,96hrs
－65℃~150℃,
dwell15min,
50cycles
85℃,85%RH.,
168hrs
235℃,2±0.5s
备注
试验设备采用气冷的方式，此温度设置为设备的极限温度
此试验也称为高压蒸汽，英文也称为autoclave
此试验原理与温度循环相同，但温度转换速率更快，所以比温度循环更严酷。
此试验有时是需要加偏置电压的，一般为Vcb=0.7~0.8BVcbo,此时试验为THBT。
此试验为槽焊法，试验后为10~40倍的显微镜下看管脚的上锡面积。
模拟焊接过程对产品的影响。
模拟产品的使用。（条件主要针对三极管）
主要对产品的PN结进行考核。稳态湿热 THT
易焊性 solderability
耐焊接热 SHT
只针对SMD产品进行考核，且最多只能做三次。
产品的高温寿命考核。
检测产品的内部离层、气泡、超声波检测 SAT CSCAN,BSCAN,TSCAN
裂缝。但产品表面一定要平整。
260℃,10±1s
Vce=0.7Bvceo,
电耐久 Burn in
Ic=P/Vce,168hrs
125℃,
高温反偏 HTRB Vcb=0.7~0.8BVcbo,
168hrs
Peak temp.240℃
回流焊 IR reflow
（225℃）
高温贮存 HTSL 150℃,168hrs 2．可靠性试验条件和判断
试验流程:
VISUAL 1-1
40X optical microscope
F/T 1-2
SAT 1-3
T/C
1. 有的客户不作要求
2. –40/60℃,5cycles for L3
3. –55/125℃,5cycles for L1,l2
24hr
L1:85℃/85%,168hr
L2:85℃/60%,168hr
L3:30℃/60%,192hr
BAKE
125℃
T/H 1-4
REFLOW………………...
245℃ 3times
CLEAN AND RINSE IN DI WATER
SAT 1-5
F/T 1-6
VISUAL 1-7
2:T/S 3: T/C 4:PCT 5: THT
6:HSTL
VISUAL VISUAL VISUAL VISUAL VISUAL
F/T F/T F/T F/T F/T
以客户为代表为例子:
客户1：
precondition TCT –55/125Ac:Re=(0,1)
T/S: –55/125℃,5min,100cycles sample size: 45
Ac:Re=(0,1)
T/C: –55/125℃,10min,200cycles sample size: 45
Ac:Re=(0,1)
PCT: 121℃/100%rh,15Psig,96hr sample size: 45
Ac:Re=(0,1)
THT: 85℃/85%,168/500/1000hrs sample size: 45
Ac:Re=(0,1)
客户2：
precondition T/C –40/60Ac:Re=(0,1)
T/S: –55/125℃,5min,100cycles sample size: 45
Ac:Re=(0,1)
T/C: –65/150℃,10min,500cycles sample size: 77
℃,5cycles forL3
℃,5cycles for L1,l2,L3 Ac:Re=(0,1)
PCT: 121℃/100%rh,15Psig,168hr sample size: 77
Ac:Re=(0,1)
Ac:Re=(0,1)
Ac:Re=(0,1)
Ac:Re=(0,1)
客户3：
precondition T/C –40/60Ac:Re=(0,1)
T/S: –55/125Ac:Re=(0,1)
T/C: –65/150Ac:Re=(0,1)
Ac:Re=(0,1)
Ac:Re=(0,1)
THT: 85℃/85%,1000hrs sample size: 77
HTSL: 150℃,1000hrs sample size:77
HAST: 130℃/85%rh,168hr sample size: 77
℃,5cycles forL3
℃,5min,50cycles sample size: 24
℃,15min,50cycles sample size: 24
PCT: 121℃/100%rh,15Psig,168hr sample size: 24
HTSL: 150℃,168hrs sample size:24
客户4：
precondition T/C N/A ，Ac:Re=(0,1)
T/C: –65/150℃,15min,100/500cycles sample size: 45
Ac:Re=(0,1)
PCT: 121℃/100%rh,15Psig,168/336hr sample size:
45 Ac:Re=(0,1)
SOLDER DUNK: 245℃ 10SEC sample size:
45 Ac:Re=(0,1)
客户5：
QFP 做 precondition，DIP不做precondition
precondition T/C N/A，L3 sample size：184
Ac:Re=(5,6)
T/C: –65/150℃,15min,200/500cycles sample size: 45
Ac:Re=(0,1)
PCT: 121℃/100%rh,15Psig,168hr sample size: 45
Ac:Re=(0,1)
HTSL: 150℃,168/500/1000hrs sample
size:45 Ac:Re=(0,1)
SOLDER DUNK: 245℃ 5SEC sample size:
15 Ac:Re=(0,1)
L1
样 品
目检、电性测试
SAT检测可靠性试验目检、电性测试SAT检测合格
N异常报告书工程部Y失效分析
可靠性试验报告纠正措施见失效分析作业程序
塑料密封等级
塑料密封等级： 在装配现场拆包后地面存放期 标准试验条件
LEVEL 1 在小于30C/85%相对湿度无期限 85C/85% 168小时
LEVEL 2 在30C/60%条件下1年 85C/60% 168小时
LEVEL 3 在小于30C/60%条件下1周 30C/60% 192小时 加速=60C/60% 40小时
SAMPLE：50
塑料密封等级试验步骤：
1． DC和功能测试
2． 外观检查（在80倍以上显微镜下检查）
3． SAT扫描
4． BAKE 125C/24小时
5． 做LEVEL 相应条件的试验
6． 在15分钟后和4小时内做3次回流焊—注意温度曲线必须提供和符合JEDEC标准。
7． 外观检查（在80倍以上显微镜下检查）--不可以有裂缝。
8． DC和功能测试—注意如果无法通过测试要验证是否和塑料密封有关部门
9． ------可以做BAKE 150C/24小时，冷却2小时后做未通过产品的功能测试来验证
10． SAT扫描----判断依据：
A 芯片表面不可有离层
B镀银脚精压区域不可有离层
C产品内部不可有进水后离层图像（图形上表现该有图像却隐隐约约或同被划伤的痕迹）
D引脚与引脚之间在胶体内部分，离层相连的面积不可超过胶体正面面积的10%或引脚通过离层相连的脚数不可超过引脚总数的1/5
E芯片四周导电胶造成的离层不可超过胶体正面面积的10%
集成电路封装在设计过程中可靠性的考虑
封装所用主要材料：
• 磨划片所用薄膜：型号、纯度、厚度、粘度
• 引线框架：材质、厚度、防拖性、电性能、传热性、热膨胀系数、镀层材料、镀层厚度、镀层质量
• 芯片粘接剂：型号、电性能、传热性、抗疲劳、热膨胀系数、装片牢度
• 焊线：型号、HAZ、电性能、传热性、拉力、弧度
• 塑封料：型号、热硬度、传热性、电性能、玻璃化温度、线膨胀系数、 离子纯度、填料比例、吸水率、抗弯强度、粘结力、阻燃性、对应封装别水汽敏感等级
• 电镀成份：SN/Pb的比例
集成电路封装在设计过程中可靠性的考虑
封装工艺控制要关注的方面：
• 磨片进刀速度、转速、磨片厚度、去离子水电导率
• 划片进刀速度、转速、切割深度、防静电措施
• 装片压力、顶针、吸嘴、银浆头的选用
• 球焊第一点参数、焊针的选用、温度、弧度
• 塑封模具的设计如顶杆位置、脱模角度、侧面粗糙度及塑封温度、压强、速度
• 后固化温度、时间
• 冲塑刀片与胶体的距离
• 电镀去飞边工艺、电镀电流、前处理、后处理、镀液成份
• 切筋成形时产品胶体受力情况的监控（显微镜和SAT）、共面性、防静电
• 对薄形产品激光打印打印深度的控制
• 对薄形但面积较大胶体产品真空包装
封装工艺控制要关注的方面(球焊后合理的金线拉力下限):
• 集成电路封装中球焊后金线拉力最低要求，应该考虑金线在塑封时的受力情况
和运输及操作时的合理振动。 金线在塑封时的受力不仅与金线的长度、直径有关，还与塑封料的粘度、塑封时的注射速度有关，并与塑封产品的几何尺寸、注胶口的形状和尺寸等诸多因素有关。应该按照不同封装形式的产品给出球焊后金线拉力最低要求，并给出最佳的范围。
下面是我们对不同封装别（均指传统模要求）拉力的模拟计算结果（部分内容）
在实际工艺标准控制中对25微米的金线拉力下限我们建议通常可以是5g
集成电路封装在设计过程中可靠性的考虑
封装工艺控制要关注的方面（超声SAT）：
超声图片观察和判断：
• 芯片表面不可有离层
• 镀银脚精压区域不可有离层
• 产品内部不可有进水后离层图像（图形上表现该有图像却隐隐约约或同被划伤的痕迹）
•
引脚与引脚之间在胶体内部分，离层相连的面积不可超过胶体正面面积的20%或引脚通过离层相连的脚数不可超过引脚总数的1/5
• 芯片四周导电胶造成的离层在做可靠性试验通过或做Bscan时未超出芯片高度的2/3不判为不合格
•
判断超声图片时要以波形为准，要注意对颜色黑白异常区域的波形检查。下面的图片均为不正常：集成电路封装常用可靠性试验对应的缺点项目
第二章、失效分析
1.集成电路封装失效分析的常规流程
1. 接受分析请求
2. 在数据库中登记
3. 收集相关的信息
4. 对失效的产品确认
5. 对漏电流超差的产品在125度~150度的温度下烘烤2小时,再测试是否通过
对功能失效的产品在125度~150度的温度下烘烤24小时,再测试是否通过
6. 在80倍显微镜下检查外观
7. 开短路测试,检查对应PIN是否开短路或对应内阻异常
8. X-RAY,检查打线情况
9. C-SAM,检查分层情况和内部气泡
10. Decapsulation (开帽)or Cross-section(做对应分层区域横切面)
11. 检查芯片表面、球状质量、裂缝、扫描电子显微镜（SEM）检查焊点形貌、结构、沾污、腐球后检查是否有压区凹陷
12. 更多的检查方法和试验方案
13. 结论和图片记录在数据库中
14. 出具报告
15. 存入档案
2.集成电路封装失效分析的常用方法
1. 立体或金相显微镜下检查形貌、结构
2. 开短路测试,检查对应PIN是否开短路或对应内阻异常
3. X-RAY,检查打线情况、焊点错位、碰线、塌丝、球脱、点脱
4. C-SAM,检查分层情况和内部气泡
5. 扫描电子显微镜（SEM）检查焊点形貌、结构
6. 红外热像仪检查温度分布
集成电路封装失效分析的常用方法还有
• 表面形貌：
• 表面轮廓仪(Surface profiler) 器件、电路板变形等
• 激光轮廓仪(Laser profiler) 焊膏印刷尺寸，引脚平整度等
• 扫描超声显微镜（C-SAM）· 各种行貌观测
• 力学性能：
• 推力/拉力(shear/pull test) 焊线、贴片、焊接力学性能等
• 材料试验机(Mircotester) 材料力学性能等
• 粘度计(Viscosity measurement) 焊膏、贴片胶粘度测量等
• 成份分析：
• 化学分析(CA) 定量分析焊料主成份；助焊剂、稀释
剂中卤素含量；封装、组装用金属合金材料的主成份等。
• 电子能谱/波谱·(EDX/WDX) 半定量分析元素成份、杂质含量、微区成份等
• 卢瑟辐背散射(RBS) 分析镀层成份、厚度等
• 等离子发射光谱(ICP) 定量分析焊料杂质成份等
• X-射线荧光分析 镀层成份、厚度等
• 热力学
• 扫描差热分析(DSC) 分析贴片胶等的玻璃化转变温度、焊料熔点等
• 热天平(TGA) 分析胶等材料固化过程的挥发，助焊剂挥发等
• 热机械分析仪(TMA) 测量热膨胀系数、玻璃化转变温度等
• 动态热机械分析(DMA) 测量杨氏模量、玻璃化转变温度等
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结构
透射电子显微镜(TEM) 焊点微观缺陷、微结构、物相鉴定等
富立叶变换红外光谱(FTIR) 分析有机物如助焊剂残留等
拉曼光谱(Raman spectroscopy) 分析有机物如助焊剂残留等
3.集成电路封装常规失效的可能原因
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silicon substrate 硅基体
deformation 变形
strain 应力
wrap 翘曲
scratch 擦伤
resistivity 电阻率
crystal defect 晶体缺点
dislocation 断层
stacking fault 层错
contamination 污染
surface contamination 表面污染
heavy metals 重金属污染
carbonoxygen 碳氧化物 •
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oxide film formation 氧化膜薄层
contamination 污染
interface state 界面态
alkaline ion 碱金属离子
defect 缺点
crack 裂缝
pinhole 针孔
process induced defect 过程诱生缺陷
film thickness 薄膜厚度
non uniformation 厚度不均
excess insufficiency 超过范围
shape 形状
steped oxide film 阶梯式氧化膜
film quality 膜质量
photolithography 照相平板
mask 光掩模板
misalignment 未对准
scratch 划伤
dust 沾污
photo resist 照相阻抗
adhesive 粘着性
pinhole 针孔
crack 裂缝
residue 残存物
foreign particles 外来小颗粒
etching 蚀刻
undercut 过蚀
insufficiency 不足
temperature 温度
chemical residue 化学残余物
exposure development 暴光程度
EXCESS/insufficiency 过头/不足
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die bonding 装片
material mismatch 材料失配
gas generation 气体产生
solid overflow 固体粒子超值
floating foreign particles 漂浮的外来粒子
thermal strain 热应力
cracked chip 芯片破裂
inadequate strength 强度不够
void 空洞
temperature 温度
surface contamination 表面沾污
metallization 金属化
thickness 厚度
adhesive 粘着性
step coverage 阶梯式覆盖
defect 缺点
scratch 擦伤
void 空洞
hillock 小丘
electron migration 电迁徙
contamination 沾污
corrosion 腐蚀
adhesion 粘着力
defective contact 接触不量
misalignment 未对准
soil 粘污
al penetration 铝渗透
junction formation 接合处构造
diffusion 扩散
thermal stress 热应力
depth 深度
bulk destruction 大量失效
interface state 界面态
stacking fault 层错
dislocation 断层
ion implantation 离子注入
annealing 退火
implanted dose 注入的剂量 •
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表面压伤：
吸嘴与芯片接触面积过大
吸嘴沾污
装片膜过粘，真空过大
芯片破裂
装片压力过大
背面顶针面积过小
背面顶针顶出过高
导电胶量过多/少/不均
背面接触不良
wire bonding 球焊
wire scrap 金线残留
misalignment 球焊飘移
pressure 球焊压力
crack 裂缝
insufficient strength 强度不够
contamination 沾污
inadequate strength 强度不够
temperature
abnormal alloying 异常合金
wire condition 金线条件
abnormal loop 弧度异常
scratch 擦伤
inadequate tail processing 线尾处理不当
sealing 封装
stress to wire 金线冲力
thermal stress 热应力
wire drift 金线冲移位
wire breakage due to void 气孔界面力造成金线冲断
resin strain 树脂应力
chip strain 芯片受损
cracked chip 芯片破裂
seal 包封
adhesion to frame 对框架的粘着力（分层）
void 气孔
crack 破裂
foreign particles 外来小颗粒
surface contamination 表面沾污
solder 焊料
internal gas 内部气孔 • impurities 不洁净
• humidity 湿气
• Alpha particles α粒子
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• operating environment 作业环境
• cosmic ray 射线
• radiation 辐射
• radiography X射线
• mechanical stress 机械受力
• shock 冲击
• vibration 振动
• assembly
• ultrasonic clean 超声
• soldering heat 焊接热
• atmosphere 大气
• atmospheric pressure 大气压力
• humidity 湿气
• gas 气体
• temperature 温度
• voltage/current 电压电流
• surge 浪涌
• noise 噪声信号
• static electricity 静电
4.开帽方法
原理：高分子的树脂体在热的浓硝酸作用下，被腐去变成易溶于丙酮的低分子化合物，在超声作用下，低分子化合物被清洗掉，从而露出芯片表层。
开帽方法：取一块不锈钢板，上铺一层薄薄的黄沙，（对于树脂体薄的产品不other processes 其它过程
poor solderability 可焊性
external lead 外引脚
bend 弯曲
breakage 缺损
die separation 产品分离
contamination 沾污
crack 裂缝
adhesion to frame 胶体对体内框架的粘着力（分层）
plating 镀层
rust 腐蚀
residue 锡渣
whisker 锡须
oxidation 氧化 必放沙）放在电炉上加热，砂温要达100-120度，将产品放在砂子上，芯片面向上，用吸管吸取少量的发烟硝酸（浓度>98%）。滴在树脂体表面，这时树脂表面起化学反应，且冒出气泡，待反应稍止再滴，这样连滴5-10滴后，用镊子夹住，放入盛有丙酮的烧杯中，在超声机中清洗2-5分钟后，取出再滴，如此反复，直到露出芯片为止，最后以大量清水超声清洗。
注意：A，所有一切操作均应在通风柜中进行，且要戴好防酸手套。
B，产品开帽越到最后越要少滴酸，多清洗，以避免过腐蚀。
C，清洗过程中注意镊子勿碰到金丝和芯片表面，以免擦伤芯片。
D，根据产品或分析要求有的开帽后要露出芯片下面的导电胶.,有的则不必.
E,，最后以纯水和丙酮反复轮流超声清洗产品，以洗去丙酮和硝酸，最后在滤纸上风干。
5.超声原理
超声扫描显微镜：SAM，Scanning Acoustic Microscope
超声波：频率超过20KHz的声波,
超声波的典型特征:
碰到气体（离层）就100%全反射
在物质的分界面产生反射
由于波长很短，所以和光一样是直射传播的
横波：传播方向与振动方向垂直，不能在液体或气体中传播
100%
50%EMCDie50%
纵波: 传播方向于振动方向相同, 可在液体中传播
超声波的优势所在:
可发现裂缝的最小厚度为0.13微米
可测量失效区域的尺寸、位置、形状
可以实时检测
安全：对人体无害
超声波弱点:
表面粗糙或内部有气泡、球状物（如塑料泡沫）的样品检测较困难
必须以液体为传播媒介
常用检测集成电路的项目：离层、芯片裂缝、胶体裂缝、气泡等
检测原理图：
检测方法：
A-SCAN
B-SCAN：
C-SCAN：
T-SCAN：
对扫描图像的分析：
反射比率的计算： 下面是不同材质反射率表：
用透射的方法来分析：
不同检测方法的对比和运用顺序：
离层的原因：
和EDX
电子显微镜S-3000N使用规范
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