半导体器件封装的可靠性研究.doc

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无锡工艺职业技术学院

电子信息工程系

毕业设计论文

半导体器件封装的可靠性研究

专业名称应用电子技术

学生姓名

学号

指导教师鲍小谷

毕业设计时间2010年2月20日~6月12日

摘要

半导体器件是经过衬底制备、外延、氧化、光刻、掺杂、封装等工序做出来的。

但要保证做出的产品在正式生产后可以让顾客使用，且安全可靠、经久耐用，就必须在研究发展期间就将可靠度设计于产品质量中，因此试验的工作是不可少的。

试验是评估系统可靠度的一种方法，就是将成品或组件仿真实际使用环境或过应力的情况下予以试验，利用过程中失效之左证数据来评估可靠度。

当然佐证资料越多，对所估计的可靠度信心也越大，可是人们又不希望采用大量样本来进行试验。

若不做试验或做某种程度的试验，就根本不知道产品可靠的程度。

本文主要介绍了可靠性试验在半导体器件封装中是怎样使用的，从而来突出可靠性试验在封装中起着很重要的作用。

关键词：

半导体器件；封装类型；可靠性；试验

Abstract

Semiconductorsubstrateafterthepreparation,epitaxy,oxidation,lithography,doping,packagingandotherprocessesdone.However,toensurethatproductsmadeaftertheofficialproductionforcustomerstouse,andsafe,reliable,anddurable,itisnecessarytoresearchanddevelopmentinreliabilityduringthedesignwillbeinproductquality,andthereforetheworkoftestisindispensable.

Trialistoassessthesystemreliabilityofthemethodisthatsimulationwillbefinishedproductsorcomponentsoftheactualuseoftheenvironmentorthecircumstanceshavetobestresstest,usingtheprocessoffailuredatatoassessthereliabilityofproof.Ofcourse,themoresupportinginformation,thereliabilityoftheestimatethegreatertheconfidence,butpeopledonotwanttoadoptalargenumberofsamplestested.Donottestordosomedegreeoftesting,simplydonotknowtheextentofproductreliability.

Thispaperintroducesthereliabilitytestinsemiconductordevicesishowtousethepackage,andthustohighlightthereliabilitytestinthepackageplaysaveryimportantrole.

Keywords:

Semiconductordevices;Packagetype;Reliability;Trial

目录

第一章引言 1

1.1半导体行业的发展 1

1.2半导体材料简介 1

1.3半导体器件的制造技术 3

第二章半导体器件封装的基本概念 5

2.1封装的发展 5

2.2封装的方法 6

2.3封装的形式 14

2.4封装的技术参数 15

第三章可靠性试验基本概念 16

3.1可靠性试验的目的 16

3.2可靠性试验的方法 16

3.3可靠性试验的分类及要求 17

3.4可靠性试验的应用 18

第四章半导体器件封装的可靠性研究 19

4.1IC生命周期浴缸曲线 19

4.2试验项目 19

4.3可检测的缺陷 20

4.4器件封装的可靠性检测方法 20

4.5器件封装的可靠性试验 26

第五章小结 29

参考文献：

30

第六章致谢....................................................31

第一章引言

1.1半导体行业的发展

回顾半导体行业的历史发展，就会发现该领域长期以来的增长趋势正在放缓。

在未来几年，我们很难看到80、90年代所出现的两位数的市场增长速度。

但幸运的是，市场波动也将趋缓，大的下降态势同样不会出现。

现在半导体领域仍然继续吸引大量的投资。

全球范围内行业快速增长，尤其是亚洲。

在此经济区域内，中国所起到的作用举足轻重。

从整个行业的发展来看，应用才是真正的驱动力量，而非技术。

90年代，PC行业曾一度蓬勃，并拥有大量办公和个人用户；但是现在，该领域的发展在明显变缓。

今天，真正的行业驱动者是像手机等消费类电子，因为你和我无一例外，都是消费者。

从技术角度来看，半导体行业内可能出现两大发展趋势：

第一，技术的复杂性使得系统开发变得更加困难。

但作为供应商，却需要提供使系统易于使用、可靠，且更加便宜的方案；

第二，在过去的30－40年间，摩尔定律一直在半导体发展过程中发挥重要作用。

但是今天，行业内出现了多种超越摩尔定律的差异性。

从应用角度出发，今后的市场重点将围绕在三个方面：

第一，网络带来的影响。

宽带接入以及消费者对随时随地获得信息的需求，正在改变原有的商业和消费行为；

第二，绿色概念。

人类对能源的消耗在持续增长（有数据表明，到2010年，人类所消耗的能量将较当前增长60%），因此如何利用技术实现节能减排，是今后发展的方向；

第三，老龄化问题。

老龄人群希望科技能够为他们提供更好的医疗和其它服务，例如能够将诊断信息以无线方式传送（涉及到了网络通信和信息处理）、能够驾驶更为智能化且更安全的交通工具，方便交流。

在过去三年中，原材料、处理技术、硅制造、IP以及产品开放等方面的投入，每年都超过12亿美元。

众所周知，几乎半导体中所有的半导体产品都涉及汽车电子、工业控制、无线手机、消费电子以及网络架构等多个应用领域。

面对上述应用，解决方案包括互联网技术、多内核技术、领先的45nm工艺、芯片的超级封装能力等等。

因此对开发商面临诸多挑战，这是因为：

多内核应用的复杂性和灵活性要求可扩展的基于软件的解决方案；在系统功率预算内，平衡架构必须提供优于摩尔定律的性能；必须在新架构上充分利用原有代码，以保留用户所熟悉的使用体验。

1.2半导体材料简介

一般说来，材料依电流的传导能力可分为非导体（绝缘体）与导体，导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。

半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电的电子材料，其电导率在10-3～10-9欧姆/厘米范围内。

半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。

利用半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。

半导体材料是半导体工业的基础，它的发展对半导体技术的发展有极大的影响。

半导体材料按化学成分和内部结构，大致可分为：

1、元素半导体，即是由单一元素制成的半导体材料，例如锗、硅、硒、硼、碲、锑等。

目前的集成电路大多数是用硅材料制造的；

2、化合物半导体，化合物半导体分为二元系、三元系、多元系和有机化合物半导体。

二元系化合物半导体有Ⅲ-Ⅴ族（如砷化镓、磷化镓、磷化铟等）、Ⅱ-Ⅵ族（如硫化镉、硒化镉、碲化锌、硫化锌等）、Ⅳ-Ⅵ族（如硫化铅、硒化铅等）、Ⅳ-Ⅳ族（如碳化硅）化合物。

三元系和多元系化合物半导体主要为三元和多元固溶体，如镓铝砷固溶体、镓锗砷磷固溶体等。

有机化合物半导体有萘、蒽、聚丙烯腈等，还处于研究阶段。

其中砷化镓是制造微波器件和集成电的重要材料；

3、无定形半导体材料，例如用作半导体的玻璃，它是一种非晶体无定形半导体材料；

4、有机增导体材料，例如萘、蒽、聚丙烯腈、酞菁和一些芳香族化合物等，目前尚未得到应用。

半导体材料最主要的特性是掺杂，如掺杂硼或磷，可减小电阻值，成为导电体。

在一块完整的硅片上，用不同的掺杂工艺使一边形成N型半导体，另一边形成P型半导体。

在P型半导体和N型半导体结合后，由于N型区内电子很多而空穴很少，而P型区内空穴很多电子很少，在交界处就形成电子和空穴的浓度差别。

这样，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度低的地方扩散。

于是有些电子从N型区向P型区扩散，有些空穴要从P型区向N型区扩散。

扩散的结果就是P区一边失去空穴，留下带负电的杂质离子；N区一边失去电子，留下带正电的杂质离子。

这些杂质离子在P区和N区的交界面附近，形成了一个很薄的空间电荷区，即PN结。

PN结具有单向导电性。

当没有外加电压时，扩散运动与漂移运动处于动态平衡，通过PN结的电流为零。

PN结是构成各种半导体器件的重要基础。

随着半导体微细化制成技术和设计的进步，使GB千兆位存储器或128位微处理器也能实用化。

此外，将多种器件结构混合封装在同一芯片的技术、低消耗功率技术、以及复杂而多元化功能的设计技术也已开发，而且可以将电子机器的基本功能用一个大规模集成电路LSI芯片予以实现。

总之，半导体产品正日益走进人们的生活，应用日趋广泛。

1.3半导体器件的制造技术

在半导体器件制造过程中，主要工艺流程有七个步骤，分别为：

表面清洗、硅片制备、外延生长、氧化、光刻、掺杂、剪切成形、印字、检测、封装。

1、表面清洗：

在制作前必须进行化学刻蚀和表面清洗。

常用的清洗液有氢氟酸、硝酸、氢氧化钠等作为主要成分的清洗液。

2、硅片制备：

从砂子（二氧化硅）经过提纯，氯化、氢还原得到多晶硅，然后采用直拉法或者悬浮区熔法制备符合要求的单晶硅。

最后经过定位、切割、倒角、研磨等得到一个很少缺陷的平整的硅片。

3、外延生长法：

 外延生长法能生长出和单晶衬底的原子排列同样的单晶薄膜。

在双极型集成电路中，为了将衬底和器件区域隔离（电绝缘），在P型衬底上外延生长N型单晶硅层。

用外延生长法外延一层杂质浓度低的供形成的单晶层、衬底则为高浓度的基片，以降低电阻，达到基极电位稳定的目的。

4、氧化：

采有热氧化法生成SiO2 缓冲层，用来减小后续中Si3N4对晶圆的应力。

5、光刻：

光刻就是使掩膜版的图形仅通过光刻胶转移到衬底表面。

器件制造过程中，往往需采用很多道光刻工序。

光刻过程主要包括涂胶、前烘、曝光、显影、后烘、腐蚀、去胶。

涂胶：

就是将光刻胶均匀的涂抹在衬底的表面，达到一定的厚度；前烘：

将涂敷好的光刻胶在800C左右的烘箱中烘15～30min，去除光刻胶中的溶剂；

曝光：

将高压水银灯的g线（436nm），i线（365nm）通过掩模照射在光刻胶上，使光刻胶获得与掩模图形同样的感光图形；

显影：

将显影液全面地喷在光刻胶上，或将曝光后的样片浸在显影液中几十秒钟，则正胶的曝光部分（或负胶的未曝光部分）被溶解；

后烘：

将基片在12