芯片焊盘金属层腐蚀问题研究

摘要

塑封半导体器件广泛应用于各领域，因其非密闭性封装特性在潮气环境中会导致内部芯片出现金属铝焊盘腐蚀情况。焊盘腐蚀会造成焊接点接触不良，功能失效或者性能退化等问题。为提升器件可靠性需要对此问题进行优化和解决。
　　本工作从理论开始，首先回顾了铝金属的腐蚀原理，然后对腐蚀样品进行了分析，随后通过实验对分析过程中观察到的现象进行验证，并提出了解决方法。
　　利用可靠性实验的方法制备腐蚀样品能够忠实反映器件老化过程中出现的腐蚀问题。超声波扫描结果观察到样品芯片和塑封料交界面出现离层。截面分析证明了离层的存在，并且看见铝焊盘表面有体积膨胀的腐蚀生成物充斥在焊盘和塑封料之间。扫描电镜观察到样品铝焊盘表面有不规则形状的生成物，X射线能谱仪检测出其主要成分为铝、氧、硅和碳元素。焙烧腐蚀生成物发现其氧元素大幅减少，证明它为氢氧化铝。样品的研究表明铝焊盘发生了腐蚀反应，腐蚀生成物为氢氧化铝。
　　确认了工厂制造流程引入的和原材料内所含卤族元素不是本次研究中造成腐蚀的关键因素，即便是使用更高卤族元素含量的原材料，样品腐蚀严重程度也几乎一样。故控制水汽入侵成为减少腐蚀的唯一办法。
　　实验证明了塑封料和其他材料受热产生的热应力不平衡导致了离层的产生。离层连通了外界和芯片内部，水汽顺着离层通道来到芯片表面和铝焊盘发生腐蚀反应。通过优化塑封料配方和成分来达到平衡热应力从而减少离层的方法被证明成本太高，普及困难。改良框架能成功阻止离层的产生，并且方法简单成本便宜具有可行性。
　　此外本文也通过实验得知可靠性实验中的高压蒸煮可快速制备腐蚀样品，超声波扫描结果可快速表征腐蚀的严重程度，据此可节省时间提高实验效率。

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第一章 绪论

1.1研究对象

1.2研究方法和技术路线图

第二章 铝腐蚀理论分析

2.1金属腐蚀原理

2.2铝腐蚀

2.3铝腐蚀的类型

2.4本章小结

第三章 腐蚀样品分析

3.1 样品制备

3.2微观分析仪器工具

3.3 样品分析过程

3.4 样品腐蚀类型

3.5卤族元素引入机理分析

3.6 水汽引入机理分析

3.7本章小结

第四章 实验设计

4.1四因素DOE实验

4.2塑封料热应力与离层关系实验

4.3不同饱和度水汽环境下离层严重程度关系实验

4.4不同饱和度水汽环境下腐蚀严重程度关系实验

4.5优化塑封料配方

4.6 V型槽结构

4.7本章小结

第五章 结论与展望

致谢

参考文献