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新聞資訊

技術分析:溫度循環測試對芯片燒結性能的影響

更新時間  2020-07-04 22:25:14 立博app 閱讀
    溫度環境應力對半導體器件作用更加突出和復雜,導致元器件出現各種形式的失效,嚴重影響武器裝備的可靠性和安全性。本文通過溫度循環試驗對一種封裝結構的半導體器件封裝進行了試驗,測定了該封裝結構的退化情況,測試結果表明該封裝對溫度有較好的耐受性。
    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C (-65℃~150℃ )的要求進行進行; X光檢測按CJB 548B方法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的要求進行。
    1.3樣品結構及試驗安排
    選擇一種陶瓷封裝電路,該電路采用芯片背金燒結工藝,內引線采用為硅鋁絲超聲楔形焊。試驗使用樣品100只,分為10組,每組10電路。溫度循環共進行1000次,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樣品的預先處理
    在進行該試驗前,該電路按照產品詳細規范的要求進行了篩選,對早期失效的電路進行了淘汰。在篩選合格電路中選取100只芯片燒結空洞率小于15%的產品作為本次試驗的樣品。
    2.1芯片剪切強度結果
    該電路共進行了溫度循環試驗1000次,每100次溫度循環試驗后對電路進行鍵合拉力測試,測試電路為試驗電路中隨機抽取的10只電路,對10電路的全部芯片剪切力試驗,對比試驗數據,得到溫度循環試驗過程后芯片剪切強度的變化規律,表I為試驗后拉力測試的數據統計。
    芯片通過燒結材料與管殼進行固定。芯片、管殼、粘接材料間具有不同的膨脹系數,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。溫度循環試驗將不斷變化的溫度應力施加到產品上,使芯片、管殼、粘接材料不斷產生形態上的變化,從而在各接觸面間產生機械應力。當使用的芯片、管殼、粘接材料的膨脹系數非常接近時,所產生的機械應力較小,粘接性能退化慢,反之會造成粘接性能的急劇退化。

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    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次溫度循環試驗后對電路進行鍵合拉力測試,測試電路為試驗電路中隨機抽取的10只電路,對10電路的全部引線進行試驗,對比試驗數據,得到溫度循環試驗過程中引線拉力強度的變化規律,表2為試驗后拉力測試的數據統計。

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    2.3芯片粘接空洞結果

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    溫度循環試驗過程中由于封裝材料間的熱膨脹系數不一樣,在溫度變化過程中材料間的接觸面可以因熱膨脹系數的差異產生剪切應力,當剪切應力作用試驗足夠長、應力足夠大時,可以對產品的結構產生影響。溫度循環試驗可能造成芯片粘接空洞的擴大,造成產品芯片粘接強度的降低,影響產品的使用可靠性。
    從試驗前后X射線檢測圖片對比可以看到,該電路在1000次溫度循環試驗前后的空洞缺陷沒有出現擴大、惡化的情況,試驗前后的空洞面積基本一致。參考芯片剪切強度測試結果,芯片剪切強度未出現明顯的退化。說明在經過1000次溫度循環后,產品的結構和可靠性沒有出現異變,測試結果均滿足標準的要求。
    溫度循環試驗造成了芯片粘接可靠性的退化,并且具備累計效應,在溫度劇烈變化時,會加快芯片粘接性能退化速度。但該結構電路的芯片、管殼、粘接材料間的熱匹配較好,抗溫度變化的性能較高,在1000次溫度循環試驗后,沒有出現剪切強度不合格的情況,粘接強度的退化比較輕微,在正常使用情況下可以保證長期的粘接可靠性。
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于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,這個結果與GJB548B中試驗前合格拉力判別值高于試驗后合格拉力判別值的規定值相符合的。但隨著溫度循環試驗的持續進行,引線拉力強度是否會出現二次退化,由于試驗次數的限制,不能進行進一步的驗證。

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