内部气氛对元器件可靠性影响的机理研究

赵昊，刘沛江，彭泽亚，赵振博

（工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 511370）

0 引言

电子元器件内部气氛[1]含量过高会给元器件的性能、寿命和可靠性造成严重的影响，异常的内部气氛容易造成元器件性能降低或不稳定，甚至失效[2]。气氛导致的失效难以通过无损检测或者初期使用被发现，这主要是因为这种失效要在元器件储存或使用过一段时间后才会被察觉。一旦被发现，一般是批次性的，往往会给研发生产造成进度拖后、成本提升等后果。因此，研究内部气氛对元器件失效的影响在很大程度上能够降低使用成本和提高元器件运行寿命。基于对我所大量元器件失效报告的跟踪分析，本文总结和研究了元器件受内部气氛影响而发生失效的主要机理。

1 水汽导致漏电

在内部气氛引发的失效中，漏电是比较常见的失效原因，它往往容易造成元器件绝缘性能下降、输出频率低于规格要求的下限或参数波动。内部气氛引发漏电的主要原因是水蒸气达到饱和后会在元件器件内部凝结成液体，当液体中的各种离子含量满足导电要求时，该液体能够导电形成导体，在元器件内部表面形成漏电通道，从而导致漏电流增大，引起元器件的绝缘性能下降[3]。

某谐振器的输出频率为40 MHz，低于规格要求的下限。经失效分析，其内部气氛中水汽含量达到6.114×10-3。同时，密封性能良好，内部晶片未见开裂、划痕和起泡等可能导致输出频率发生变化的缺陷或损伤，如图1所示。综上，其输出频率降低的失效机理是当使用环境温度降低时，腔体内部水汽凝结在石英晶片上，改变石英晶片的荷质比，形成漏电，导致晶片频率偏低、甚至不起振。

图1 样品开封后的形貌

2 水汽及其他气氛引发电化学迁移

电化学迁移（ECM:Electrochemical Migration）是造成元器件失效最常见的原因之一，它常发生在用于连接焊丝、焊点和包层的金属材料中，像Ag、Ni、Sn、Pb、Cu和Au等[4]。在这些金属材料中，Au产生电化学迁移的模型是比较成熟的。在水气环境中，Au容易与卤素原子发生反应，在阳极溶解然后迁移到阴极，从而形成树枝晶状沉积物，反应式如下所示。

1）阳极:

2）阴极:

电化学迁移一般与元器件的工作电场、周围气氛、温度和时间有关，其中，最容易受到气氛和温度的影响，本文将从内部气氛引发电化学迁移的角度来分析元器件失效机理。

某谐振器的引脚焊点与端头焊点之间生成枝晶状、呈金属光泽的异常物，如图2中的A和B区域所示。该异常物质地疏松，主要元素成分为Pb和Sn，呈现典型的迁移形貌，如图3所示。经对其机理进行研究，该样品内部由于水汽含量较高，焊料在潮气和电场的作用下发生电化学迁移，使得器件引脚的焊点之间发生漏电，最终导致样品失效。

图2 某谐振器背面形貌

图3 异常物的典型形貌

除了水汽引起焊料的电化学迁移外，其他内部气氛冷凝的液体也能引起其他金属成分的电化学迁移。某MOSFET的内部腔体中含有大量的气氛凝结而成的透明液体，其被液体覆盖的边缘位置可见黑色物质从芯片侧面延伸至S极金属化边缘（如图4所示）。该黑色物质的微观形貌呈枝晶状，主要成分为Ag，与芯片粘接银浆的主要成分相同。该MOSFET的失效机理是粘接银浆中的Ag在不明液体和电场的共同作用下发生电化学迁移，迁移到S极金属化边缘导致漏电。

图4 某MOSFET形貌图

3 水汽和氧气引发金属氧化

活泼金属在氧气和水分存在的环境中，容易发生氧化反应，生成金属氧化物[5]。相比于具有良好导电能力的金属成分，金属氧化物表现出绝缘或半导体性质，导致元器件不能正常运作。某石英晶片银电极表面多处氧化沾污，并且还存在一定程度的变色，经分析，异物的主要元素成分包括碳（C）、氧（O）和铁（Fe），如图5所示。该石英晶片失效的机理是由于样品内部水汽和氧气含量超标，共同导致银电极表面被氧化污染，从而造成样品的输出频率不连续，不稳定。

图5 银电极表面沾污形貌和沾污异物的EDS分析结果

4 内部气氛引发材料腐蚀

由于元器件内引线和键合点直接暴露在内部气氛中，在腐蚀介质作用下容易发生腐蚀，被腐蚀部位的电阻会增大、电容和机械强度会降低，发生失效。比较常见的有吸氧腐蚀，在潮湿的空气环境中，活泼金属表面在氧气和水分的共同作用下发生化学反应而产生腐蚀[6]，其反应式为2M+2H2O+O2=2M（OH）2。此外，酸性气氛、碱性气氛和臭氧气氛等也能够引起金属材料腐蚀。其中，铜在酸性气氛和氧气的共同作用下易发生析氢腐蚀；金箔暴露于SO2、NO2等酸性气氛中，会因为冷加工变形导致的高缺陷密度而产生腐蚀；臭氧会造成金属和高分子材料的氧化腐蚀。

某光模块T3端的键合点发生了脱离，脱离后的键合焊盘有膨松灰色异物，呈现腐蚀的形貌特征，如图6a和6b所示。该灰色异物区域的主要元素组成为C、O、F、Al，同时O元素的比例很高（如图6c所示）。其中，Al为铝焊盘的元素，由此判断键合铝焊盘被含有C、O、F元素成分的异物所腐蚀，导致键合强度下降，直至键合点脱离而开路。经红外光谱分析（如图6d所示），灰色异物中含有大量的有机酸盐成分。该光模块的失效机理是塑封料释放出有机酸腐蚀内部键合铝焊盘，生成有机酸盐，导致键合点开路失效。

图6 光模块T3腐蚀形貌及分析结果

5 结束语

综上所述，元器件因内部气氛导致失效等质量问题严重地影响元器件产品的质量与可靠性。为了杜绝内部气氛失效的发生，可以采取以下措施加以防范:首先，根据气氛超标原因协调元器件生产单位加强生产过程控制；其次，检验过程严格执行相关标准要求，推荐使用MIL-STD-883K。因此，为了提高器件可靠性，需要从研究内部气氛对元器件的影响机理出发，不断地优化、控制封装工艺，严格地限制器件内部气氛含量，降低器件的失效概率，以保证电子元器件长期使用的质量与可靠性。