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西安微电子技术研究所李志鑫摘 要
本文报道了半导体分立器件和集成电路应用尤其是航天型号产品应用中暴露出的若干重要问题，剖析了这些问题的成因，提出了相应的对策，供生产厂家和用户参考。
关键词
半导体器件集成电路
一、序言
随着航空、航天和宇航技术的发展以及军用、民用等复杂电子装备的研制和大量生产，人们对电子元器件和微电子器件的质量与可靠性提出愈来愈苛刻的要求。特别是对于可能导致飞行失败或机毁人亡灾难性后果的关键件、重要件更加关注。虽然在电子产品中采用冗余设计和降额设计技术可以在一定范围内减小风险压力，但在实际工作中这种方法并非都能实行得通。如容积的占用分配或功耗、效率要求存在难以克服的矛盾等，而且有的从技术上就难以实现冗余。所以只有提高微电子器件的设计和制造工艺水平以及各种原材料的质量水平，强化各项质量管理和质量保证，才能从根本上找到解决可靠性问题的途径。
从近期航天型号产品元器件使用中和破坏性物理分析（DPA）中暴露出的半导体器件和集成电路（IC）的质量与可靠性问题来看，存在的问题还是比较严重的。根据中国航天工业总公司质量可靠性信息中心1998年2月提供的《故障和事故信息通报》，应用于某重点工程型号的半导体器件和IC器件总共197种（批），在DPA检查中不合格品高达46种（批），占被检查批的23％。其问题分布为：①内引线键合力不合格的有20种,占不合格批的43.5％；②粘片剪切力不合格的有19种，占不合格批的41.3％；③粘片存在缺陷的（擦伤，划伤，沾污，花斑，裂纹等）有20种，占不合格批的43.5％；④PIND试验有多余物的1种，占不合格批的2％（前3项中有重叠情况）。在不合格的46种（批）中，进口器件为5种（批），其DPA不合格率为7.7％；国产器件为41种（批），其DPA不合格率为31.1％（检查批数分别为65和132）。由此可以看出，与进口器件相比较，国产器件在可靠性方面还存在着较大的差距。
现在，就生产和应用中在可靠性存在方面的几个重要问题，根据我们的分析和认识作一概略的介绍和讨论。
二、键合强度问题
目前，在国内外半导体器件和IC的组装工艺中，质量等级较高的产品，如883B级、JANTX级、G级等，其内引线连接仍以铝丝—金层或金丝—铝层超声键合为主。长期以来的实践表明，相同金属材料，Al－Al或Au－Au，键合强度较好，可靠性易于保证，但不同金属材料间的键合，可靠性问题较多。典型的键合失效是开路。人们对Au－Al系的可靠性问题进行了大量的研究，也发表了诸多的文章和见解。前些年，国外流行的说法是由于金铝键合时，生成了许多金铝系化合物，即所谓白斑、紫斑效应，易引起键合开路。后来，又发现这些色斑导电性不差，似乎并非开路元凶。接着，在罗马分析中心出版的资料中，又转而提出克肯达尔孔洞理论，认为开路原因是由于在高温应力作用下，键合点周围形成许多小的孔洞连成一线，导致开路和键合脱落。
我所可靠性分析工作多年的探讨、大量的试验和解剖观测表明，导致高温下Au－Al系开路的原因，除了个别起因于沾污或设备、材料（底座键合面不平整）外，很重要的因素是可伐表面的镀金层厚度不当或不匀所致，应当对镀金工艺实行强化控制。
良好器件的Au－Al键合的剖面磨片表明，经各项高温筛选后的键合力仍然高达15gf以上。可以清楚地看到，该键合处下面的Au－Al已充分化合，可伐柱表面已无纯金存在，形似一个“光刻窗口”。与此相反，从已脱落的劣质键合的剖面磨片，可以清晰地看到，该键合处可伐基体表面仍留有纯金镀层，直观表明底部金铝未形成化合的事实。由此可以推断，在Au－Al系键合工艺中，因材料原子扩散而充分生成各种成分的金铝化合物才是正常现象，而劣质键合的原因就在于未形成充分化合甚至未化合。
经过反复比较和测量统计，在相同的键合环境下（人员、设备、温度等），要保证良好的键合，镀金层厚度应严格控制在2～3微米。大于4微米的镀金层，在高温环境下就可能发生键合力明显降低以至脱焊。值得注意的是，单靠控制外壳电镀批的平均厚度还不足以解决问题。由于电镀工艺操作中的不均匀性，镀槽中上下左右各处的被镀元件存在着分布差异，其镀层厚度也就存在不均匀性。在一个多条引出线的外壳上，只要有局部引线镀金层偏厚，该处内引线键合就易开路。对此，曾作过多次现场调查和分析，事实与人们的认识相当吻合。所谓克肯达尔孔洞线，实际上就是偏厚的镀金层，压焊时因表层下陷产生的微裂纹在高温下的扩大和劣化。
三、粘片剪切力问题
小功率和微功耗器件，目前流行的粘片方式大多仍然是银浆粘片，中大功率器件多采用加铅锡合金片热熔粘片。由于多数为手工操作或设备落后，温度均匀性差，质量一致性往往得不到保证，在器件DPA检查和产品试验中常常发生问题，其问题和故障比率与引线键合几乎相当。由于DPA检查中粘片强度不合格，被迫从装成的电子整机上整批更换器件的事时有发生，给工程带来很大的困难。也有人认为剪切力低是粘片材料的质量不稳定，但是用同一批材料加工的不同批次器件差异又很大。看来是一个较简单的工艺，QC的五大因素（人、机、法、料、环）都起作用，因而需要全面加强控制，才能保证粘片的质量和可靠性。
四、断腿问题
这是一个多年来一直存在的老问题，时至今日并未得到满意的解决，尤其当气候潮湿时问题更加突出。某型号火箭，在发射阵地作发射前检查时，发现一块板子有时好时坏故障。开始，分析人员疑为IC块问题，经过近半月时间反复检查，最后确诊为一只三极管的出线严重腐蚀断腿。1998年中期，在我所发给用户的产品和成品库房中也发现F003等几个品种，镀金引线有较严重的腐蚀或断腿现象。我们与交大扫描电镜室共同分析后，确诊为电镀质量问题。SEM成分分析表明，除了底部Ni层太薄之外，在已腐蚀的引线上和断裂面因清洗不干净而残留的Na、K、Ca、Mg、Cl等成分的离子大量存在。而在同批外壳未见腐蚀的引线上则未见上述离子存在。由此说明，要解决应力腐蚀断腿，一是要减少生产加工中的应力；二是要在电镀中着实清洗干净，不得残留带腐蚀性的杂质元素；三是要采用多层涂覆保护。由于潮气是杂质元素发生腐蚀反应的媒介，故器件的保存和包装方式也应倍加注意。
五、器件的降额应用问题
为了保证和提高器件在应用中的可靠性，正确的降额使用是一个很重要的问题。关于降额的等级要求，在许多国家标准和行业标准中都能找到依据。但是，在实际工作中有时只注意到稳定工作状态，而没有仔细分析电路在开启和关闭时的瞬态现象，导致器件在多次暂态冲击下损坏。机器在开/关机情况下易发生故障，一个重要原因就是降额设计考虑不周。
例如有一种电压调节器TL431，阴阳极间的耐压为47V。在原电路设计中，该器件在稳态下的两端电压为35V，按理说降额系数为0.74是可行的。但是为了确保后级马达负载的启动，在开机的3秒内，有意将电源输出电压由±34V提升到±40V以上。在设备交付使用后，试验中发现开机时该调压器有重复性阴阳极间击穿问题。后经详细分析，用记忆示波器观测记录开机时的瞬态现象，发现在高压启动时该器件两端的电压高达45.5V，已经临近极限耐压值。如果此时出现一些外界和机内干扰毛剌，就会超出47V，使器件受到损伤或损坏，而设计中忽略了这个问题。根据分析，将电路这部分设计加以调整，使得高压启动时器件两端的电压降低21V，成功地解决了问题归零和该器件的正确使用，此后该故障再未发生。其它电路元件，如钽电容器等也有类似的问题，常温下工作正常，高温下易发生问题，说明对器件的正确降额设计应用是非常重要的，不能一有问题就简单地认为是元器件质量不好。
六、其它问题
经过多年的努力，过去由于气密性不良或封装内部气氛不良而产生的铝腐蚀（长白毛）问题，以及生产环境条件不良出现多余物的问题，目前虽不能说完全杜绝，却已得到较好的纠正，使器件的早期失效明显降低。但芯片制造或组装加工中发生的表面铝条划伤、缺损，电阻断条，隔离断墙，芯片裂纹，钝化层龟裂等问题，在出厂产品中仍常有所见。由于在电测试方面还存在某些不完善，以致一些有缺陷的产品被漏测、漏检。这些问题的存在，对器件长期工作的可靠性会有危害。
去年某型号产品的用户，在检测一种W78M12三端稳压器时，发现少部分器件输入电压Vi由高到低测试时工作正常，但当Vi变化由低到高测试时（由低压进入工作区），器件工作不正常。经解剖分析，内部芯片上存在断铝、断电阻条、断隔离问题。经了解，生产方在器件出厂测试中，将Vi变化确定为由高到低，造成有缺陷产品的外流。
对上述问题，除了进行技术上的归零处理外，还应当进行管理归零，对操作人员的素质和配备的生产资源（如光刻版、显微镜等）也应进行检查。没有高倍显微镜不能看清，有了高倍显微镜视场又太小，检查速度就会慢，完不成定额任务，这些就是需要管理者合理解决的矛盾。
七、结束语
通过这些年来的发展和改造，我国的微电子工业水平有了长足的进步，质量与可靠性也有显著的提高，已能为国防重点工程和卫星、武器等许多型号配套大量的电子器件。但是，现实的情况是质量与可靠性还远不能适应和满足客观的要求，与国外先进水平比较，还存在很大的差距。某型号上的DC/DC隔离变换器共用9种微电子器件，由于国产器件的性能和可靠性不能满足要求，以致有5种需要从国外采购。这就迫切要求我们从技术上、管理上奋起直追，把技术基础工业搞上去，把国产器件的可靠性搞上去。
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