Методы испытаний коррозионной устойчивости полупроводниковых изделий

УДК 621.793

МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ КОРРОЗИОННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ИЗДЕЛИЙ

В.В. Зенин, И.А. Каданцев, Б.А. Спиридонов, С.Ю. Чистяков

Разработан экспресс-метод оценки качества микросоединений испытаниями на коррозию. Рассмотрено влияние качества микросварных контактов А1-Аи на их коррозионную устойчивость. Проанализированы особенности испытаний коррозионной устойчивости полупроводниковых изделий

Ключевые слова: коррозия, испытания, коррозионная устойчивость

Разработка, изготовление и эксплуатация высоконадежной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) невозможны без обеспечения соответствующей устойчивости соединений элементов полупроводниковых изделий (ППИ) к воздействию климатических условий (температура, влажность и т.д.). Под действием этих факторов происходит ускорение физикохимических процессов в контактах, что приводит к деградации их параметров и активации скрытых дефектов. Всегда уделяется большое внимание (особенно при разработке новых ППИ) исследованию влияния климатических условий (и в первую очередь повышенной влажности и температуры) на надежность контактных соединений с целью прогнозирования их отказов при эксплуатации или длительном хранении [1,2]. При решении вопроса о надежности микросоединений наряду с выбором оптимальных способов и режимов монтажа учитывают качество пленочной металлизации контактных площадок кристалла и траверс корпусов, а также свойства присоединяемой микропроволоки [3-5].

Для ускоренных испытаний кинетики разрушения контактов А1-Аи была разработана и изготовлена специальная установка (рис. 1). С этой целью контакты А1-Аи погружали в электролит, имитирующий конденсат влаги промышленной атмосферы (КПА) состава (моль/л): №С1 - 0,01; №2803 - 0,001; №2804 - 0,001. Устойчивость контактов оценивалась временем, фиксирующим разрыв электрической цепи, в которую они были включены.

Установлено [6] влияние режимов термокомпрессионной сварки и воспроизводимости сварных соединений на физико-химическую устойчивость контактов А1-Аи. Для экспериментов были изготовлены две партии образцов (по 16 шт. в каждой) с алюминиевой перемычкой с траверсы на траверсу (ножка транзистора 2Т312). Первая партия была выполнена с петлей оптимальной формы и соблюде-

Зенин Виктор Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 89050511979 Каданцев Игорь Александрович - ВГТУ, аспирант, тел. 89081484362

Спиридонов Борис Анатольевич - ВГТУ, канд. техн. наук,

доцент, тел. 89601106979

Чистяков Сергей Юрьевич - ВГТУ, аспирант,

тел. 89042115515

нием оптимальных режимов термокомпрессионнои сварки, а вторая - с отклонениями режимов на одной из траверс («передавленные» сварные соединения, касание проволоки позолоченного края траверсы). Ускоренные испытания двух партий образцов в электролите, имитирующем КПА, показали, что скорость коррозионного разрушения контактов во второй партии в 3 - 5 раз выше, чем в первой (рис. 2).

Рис. 1. Структурная схема установки для изучения кинетики разрушения контакта алюминий-золото кондуктометрическим методом с одновременным измерением потенциала коррозионной пары: 1 - позолоченный вывод транзистора; 2 - алюминиевая проволока; 3 - электролитический ключ; 4 - каломельный электрод; 5 - вольтметр ВК2-22; 6 -омметр Щ-34; 7 - конденсат промышленной атмосферы

кттЛ

Г 1-і I I I I I

10 30 50 70 90 110 т, мин

Рис. 2. Гистограмма разрушения контактов алюминий-золото: а - изготовленных с соблюдением технологических режимов; б - с нарушениями технологии микросварки на одной из траверс

Основной причиной разрушения образцов второй партии являлось нарушение контактов на одной из траверс. Из этого следует, что отклонения от оптимальных технологических режимов формирования микросоединений способствует значительному ускорению коррозионного разрушения контактов А1-Аи.

В работе [7] предложен подход к оценке возможности применения ИС в условиях воздействия повышенной влажности при их длительном хранении и наработке, превышающих установленные на них НТД. Подход основан на использовании закономерностей течения паров воды через микропоры корпусов ИС при хранении и модели комплексного влияния температуры и влажности в корпусе на время наработки до отказа ИС вследствие миграции заряда на поверхности 8Ю2.

Повышение коррозионной устойчивости ППИ может быть достигнуто путем рационального выбора конструкции, совершенствования технологии производства, применения соответствующих материалов, а также способов их коррозионной защиты. В результате обобщения многолетних испытаний ППИ на коррозионную устойчивость установлено, что главной причиной отказов является коррозия основного металла, обусловленная пористостью покрытий [8].

Ускоренные испытания позволяют прогнозировать коррозионную устойчивость металлических материалов, покрытий и ППИ при длительном хранении или в процессе эксплуатации. Прогнозирование надежности элементов и ППИ зависит от того, как ускоренные испытания воспроизводят механизм коррозионных разрушений приборов в реальных условиях. Основным методом оценки коррозионной устойчивости ППИ считается испытание на воздействие соляного тумана [9]. Прогнозирование надежности и долговечности микросоединений в ИС и микросборках невозможно без изучения механических и климатических внешних факторов, действующих на РЭА в процессе эксплуатации объектов [10].

Составной частью коррозионных исследований наряду с лабораторными испытаниями являются натурные испытания в различных климатических зонах России. Одной из основных задач этих испытаний является разработка физико-математических моделей, описывающих воздействие факторов окружающей среды на свойства ППИ.

Повышение надежности контактов в ППИ может быть достигнуто только на основе комплексного подхода к решению технологических проблем, среди которых контроль влаги в герметизирующей атмосфере, а также адсорбированных веществ и соединений является одной из основных.

Существующие способы герметизации не обеспечивают идеальной влагозащиты ППИ вследствие неизбежного наличия микронеплотностей в сварных и паяных швах корпусов, металлостеклянных спаях, а при герметизации полимерными материалами - из-за способности этих материалов сорбировать и пропускать пары воды [11]. Поэтому

выбор влаги в качестве среды для исследований коррозионной устойчивости обусловлен высокой вероятностью ее попадания в подкорпусное пространство при изготовлении, хранении или эксплуатации ППИ. В работе [12] рассмотрена коррозионная устойчивость металлизации интегральных схем к воздействию влаги. Показано, что время разрушения алюминиевой металлизации под действием конденсированной влаги на 4-6 порядков меньше, чем в условиях адсорбированной пленки воды.

Для определения критического значения влажности атмосферы внутри корпуса существует методология ускоренной оценки влагостойкости маломощных интегральных схем, основанная на учете доминирующего механизма деградации активных элементов интегральных схем при адсорбции паров воды поверхностью кристалла [13]. Оценивать влажность внутри герметичного корпуса микросхемы можно с помощью встроенных датчиков [14, 15]. Существует несколько конструкций датчиков: в виде тонкой алюминиевой пленки, на основе А1203 , на основе толстой пленки, наносимой на внутреннюю поверхность крышки корпуса микросхемы. Высокая точность измерений микроконцентрации влаги при вскрытии изделий достигается при использовании масс-спектрометра [16].

Для определения влагопроницаемости полимеров в виде компаундов, премиксов и других подобных материалов толщиной до 2-2,5 мм разработан и испытан скоростной метод [17], который позволяет определять коэффициент влагопроницаемости в десятки раз быстрее, чем стандартными приемами. В данном методе образец служит мембраной, разделяющей ячейку на два объема: сухой и влажный. С помощью датчика регистрируют небольшие изменения относительной влажности в замкнутом объеме.

Испытания на воздействия повышенной влажности воздуха (кратковременное или длительное) проводят в камере влаги, которая должна поддерживать испытательный режим, не допуская, чтобы конденсированная вода попадала со стекол или потолка камеры на испытываемые ИС. При этом ИС испытывают без электрической нагрузки [2]. Испытания проводят при температуре 40 ± 2 °С и влажности 93 ± 3 % в течение 4 суток (кратковременное) и 10 или 21 сутки (длительное), что указывается в ТУ.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ 08-08-99033.

Литература

1. Горлов М.И., Емельянов В.А., Ануфриев Д.Л. Технологические отбраковочные и диагностические испытания полупроводниковых изделий. -Мн.: Бел. наука, 2006. - 367 с.

2. Горлов М.И. Контроль качества изделий полупроводниковой электроники: учеб. пособие. -Воронеж, 1998. - 144 с.

3. Зенин В.В., Водянов Ю.М., Осенков В.Н. Влияние технологических факторов на коррозион-

ную стойкость микросварных контактов алюминиевая проволока-пленка золота // Прогрессивная технология в сварочном производстве - Воронеж: ВПИ, 1985, с. 36-43.

4. Колычев А.И., Спиридонов Б.А., Зенин В.В. Исследование влияния некоторых ингибиторов на коррозионную стойкость микросоединений алюминий - золото // Прогрессивные способы микросварки и пайки в радиоэлектронике и приборостроении -М.: МДНТП, 1990., с. 148-151.

5. Водянов Ю.М., Зенин В.В., Осенков В.Н. Исследование коррозионной стойкости микросвар-ных контактов алюминиевый проводник - пленка золота // Производственно-технический опыт., 1982., № 5, с. 12-15.

6. Зенин В.В., Сегал Ю.Е., Спиридонов Б.А. Физико-химические процессы в микросоединениях полупроводниковых изделий: Монография. Воронеж: Воронеж. гос. техн. ун-т, 2003. - 168 с.

7. Русанова А.Л. Оценка возможности длительного применения интегральных схем в условиях повышенной влажности // Электронная техника. Сер.8. Управление качеством, стандартизация, метрология и испытания, 1985, вып.1, с.43-45.

8. Вальская М.Ф., Федорова К.М., Вердникова Г. В. Анализ результатов испытаний изделий электронной техники на коррозионную стойкость // Электронная техника. Сер.8. Управление качеством, стандартизация, метрология и испытания, 1981, вып. 6, с. 52-53.

9. Белоусова Л.Г., Вальская М.Ф., Веселова С.С. Прогнозирование коррозионной стойкости материалов и изделий электронной техники // Электронная промышленность, 1980, вып. 10, с. 41- 45.

10. Лысов В.Б., Якушенко Е.А. Метрологическое обеспечение испытаний изделий электронной техники на механические и климатические внешние воздействующие факторы: Обзор - М.: ЦНИИ “Элек

троника”, 1984.-79 с. (Обзоры по электронной технике. Сер.8. Управление качеством, стандартизация, метрология и испытания, вып.2).-52 с.

11. Глудкин О.П., Черняев В.Н. Технология испытания микроэлементов радиоэлектронной аппаратуры и интегральных микросхем: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергия, 1980.-360 с.

12. Волков С.И., Григорашвили Ю.Е., Полякова Е.В. Моделирование коррозионных отказов интегральных схем // Электронная техника. Сер.8. Управление качеством, стандартизация, метрология и испытания, 1981, вып.4, с. 24-27.

13. Русанова А.Л., Глудкин О.П., Абрамов С.В. Методология ускоренной оценки влагоустойчивости маломощных интегральных схем с учетом требований, предъявляемых к их сохраняемости, и ресурса // Электронная техника. Сер.8. Управление качеством, стандартизация, метрология и испытания, 1982, вып.7, с. 56-59.

14. Meyer Domald F. Miniature moisture sensors for in-package use by the microelectronics industry // 13th Annu. Proc. Reliabil. Rhys., Las Vegas, Nev., 1975, New York, 1975, p. 48-52.

15. Горлов М.И., Ануфриев Л.П., Николаева Е.В. Контроль содержания паров воды внутри корпусов интегральных схем. - Мн.: Беспринт, 2002. -96 с.

16. Шиманюк Л.М. Методика оценки содержания влаги в микросхемах // Электронная техника. Сер.8. Управление качеством, метрология, стандартизация, 1979, вып.8, с. 10-14.

17. Григорян О.Б., Чирун В.И., Ванчина И.И. Метод и установка для экспрессного определения влагонепроницаемости органических полимерных материалов // Электронная техника. Сер.8. Управление качеством, стандартизация, метрология и испытания, 1977, вып.1, с. 100-107.

Воронежский государственный технический университет

THE METHODS OF CORROSION RESISTANCE TESTING OF SEMICONDUCTOR DEVICES

V.V. Zenin, I.A. Kadanstev, B.A. Spiridonov, S.Y. Chistyakov

The method of quick testing has been developed, which evaluates the durability of microconnections by means of corrosion tests. The article considers the impact of the quality of Al-Au microwelded bonds upon their corrosion resistance. The features of corrosion tests of semiconductor devices have been analyzed

Key words: corrosion, tests, corrosion resistance