集成電路封裝失效機理是指與集成電路封裝相關(guān)的，導致失效發(fā)生的電學、溫度、機械、氣候環(huán)境和輻射等各類應(yīng)力因素及其相互作用過程。根據(jù)應(yīng)力條件的不同，可將失效機理劃分為電應(yīng)力失效機理、溫度-機械應(yīng)力失效機理、氣候環(huán)境應(yīng)力失效機理和輻射應(yīng)力失效機理等幾大類。

1. 電應(yīng)力失效機理

電應(yīng)力失效包括封裝中的靜電放電，集成電路中存在n-p-n-p結(jié)構(gòu)而形成正反饋（月鎖效應(yīng)） 或鈍化層介質(zhì)受潮/污染/損傷 （白道擊穿）等過電應(yīng)力損傷導致內(nèi)引線熔斷，外引出端之間漏電引起參數(shù)漂移甚至短路、燒毀開路等功能失效。

當部分金屬外殼封裝的器件外引腳表面為鎮(zhèn)銀層或采用銀絲作為鍵合絲時，在水汽、電場的作用下，Ag電離產(chǎn)生 Ag'樹枝狀遷移，從而導致短路失效的發(fā)生。

2.溫度-機械應(yīng)力失效機理

溫度-機械應(yīng)力失效主要包括如下9種情形。

(1） 空腔結(jié)構(gòu)密封過程中擠人內(nèi)腔的焊料，鍍層或封口熔融材料脫落，劃槽中工藝控制監(jiān)測因形 (Process Control Monitor, PCM)剝落等形成腔內(nèi)多余物，均會引起短路或偶發(fā)短路失效。

(2） Au-A1 鍵合點在高溫條件下生成脆性、高阻性的 AuAl， “紫斑”失效和Au,AI “白斑” 失效山。

（3）封裝內(nèi)的芯片、鍵合引線、引線框架或基板、模塑料 等因熱膨脹系數(shù)、彈性系數(shù)不一致，當溫度發(fā)生變化時，材料漲縮產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，引起鍵合引線拉脫拉斷、芯片開裂，或者與基板分層失效131。

(4） 底部填料工藝中 Si0,顆粒填充不均勻，填充壓力和固化溫度不匹配引起填料分層，焊點底部開裂引起的失效，如圖1所示；熱膨脹系數(shù)失配和高溫工藝（如回流焊）超過內(nèi)凸點的熔點，引起凸點熔化產(chǎn)生的互連失效，如圖2所示。

(5）倒裝芯片焊接區(qū)的Au、Sn、Pb、Cu、 Ag 等焊料生成的金屬問化合物(Intermetallic Compound. IMC) 在溫度變化、加電發(fā)熱或機械應(yīng)力下，與基板焊盤和芯片間的熱膨脹系數(shù)失配，IMC 龜裂引起焊點 “金脆”開裂失效；焊料焊接溫度不匹配，引起焊點內(nèi)部因各種焊料的相互擴散速率差異出現(xiàn)孔洞，從而破壞焊點的電氣連接和機械性能四，如圖所示。

(6）周期性溫度變化下，2.5D、3D堆疊結(jié)構(gòu)中 TSV 銅填充與硅孔壁、焊盤與焊球、堆疊裸芯片、堆疊封裝等因熱膨賬系數(shù)失配產(chǎn)生應(yīng)力而導致開裂、分層、翹曲失效。

(7）周期性溫度變化或機械應(yīng)力下，鍵合引線發(fā)生形變、碰絲、疲勞斷裂，金屬．玻璃或陶瓷，模塑料等材料發(fā)生蠕變 疲勞裂縫擴展、斷裂和密封漏氣等失效。

(8） 金屬或釬焊材料中的氫向應(yīng)力集中部位聚集、析出，與材料內(nèi)部的殘留應(yīng)力及外部應(yīng)力組合，產(chǎn)生巨大壓力導致“氫脆” 斷裂失效。

(9）含Sn 焊料、釬焊材料及含 Sn 鍍層在過低溫度下存儲、工作時可導致粉末 Sn 的“錫瘟〞 失效；純Sn 或 Sn 合金鍍層封裝因 Sn 層內(nèi)應(yīng)力、晶體位錯、環(huán)境因素等發(fā)生 Sn 須生長引起相鄰引腳之間的漏電、短路失效。

3. 氣候環(huán)境應(yīng)力失效機理

氣候環(huán)境應(yīng)力失效主要包括如下3種情形。

（1）模塑料、層壓有機基板或底部填料吸濕后，在高溫下水分迅速膨賬，迫使其與其上附著的其他材料（如芯片、引線框架等）發(fā)生分離，引起芯片開裂、內(nèi)焊接點接觸不良或斷裂、分層或爆裂失效。

(2）外部離子和污染物、封裝料中的雜質(zhì)離子溶人水汽生成電解液，在內(nèi)鍵合引線或曝鐸的 A1 或 Au-AI 結(jié)合處發(fā)生長期、緩慢的化學腐蝕或電化學腐蝕．生成“白毛”狀A(yù)I （OH)?或腐蝕斑。

(3) Sn、Au、Ni 等保護鍍層過薄、針孔密度過大或缺損，以及有Na、K、Cl等雜質(zhì)離子污染存在，金屬殼體、蓋板和外引腳在水汽、電場作用下，產(chǎn)生電化學腐蝕引起漏電短路、掉腳等。

4.輻射應(yīng)力失效機理

輻射應(yīng)力失效是指，封裝材料中含有的放射性元素裂變放射出a粒子后，其沿途產(chǎn)生的電子-空穴對在電場作用下，在芯片某些區(qū)域被集結(jié)，引起DRAM、SRAM 等存儲單元中的電荷量發(fā)生改變，導致電路發(fā)生誤翻轉(zhuǎn)的a粒子軟失效。

審核編輯：劉清