瑞萨谈DRAM封装的耐湿性故障：“30多年来首次公开提及”
时间：2011-07-20 05:30:00
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[导读]笔者感觉最具有冲击力的是瑞萨的演讲。演讲者是田中政树（品质保证统括部MCU品质保证第一部高级专家）（图1）。田中介绍了30～40年前在日立制作所发生的、与DRAM封装的耐湿性相关联的故障。该故障是首次在日立以外的
笔者感觉最具有冲击力的是瑞萨的演讲。演讲者是田中政树（品质保证统括部MCU品质保证第一部高级专家）（图1）。田中介绍了30～40年前在日立制作所发生的、与DRAM封装的耐湿性相关联的故障。该故障是首次在日立以外的公开场合提及…… 第41届可靠性及可维护性学术研讨会于7月14日和15日在东京举行（由日本科学技术联盟主办）。14日下午举行了以半导体及电子部件的故障分析和可靠性为主题的会议（Session 1和Session 2）。两会议合计有6项发表。演讲者所属单位分别为东芝、浜松光电、东京大学、瑞萨电子、索尼及京瓷。
图1：田中政树在演讲中
摄影：Tech-On!。（点击放大）
虽说是个人判断，但笔者感觉最具有冲击力的是瑞萨的演讲。演讲者是田中政树（品质保证统括部MCU品质保证第一部高级专家）（图1）。田中介绍了30～40年前在日立制作所发生的、与DRAM封装的耐湿性相关联的故障。该故障是首次在日立以外的公开场合提及。瑞萨认为，在可靠性工程师之间广泛分享通过故障所获得的教训及经验十分重要，从而决定发表。
据田中介绍，日立于1970年前后首次使IC树脂封装实用化，将其应用在了DRAM上。当时，树脂封装成为日立DRAM的卖点之一。在选择该树脂封装使用的树脂时，日立将候选对象最终锁定为两种。接着进行了被称为PCT（Pressure Cooker Test）的加速试验，选择了经该试验判断具有长寿命的树脂A。PCT试验是一项在121℃、湿度100％的高温、高湿度环境下的加速试验。
然而在供货1～2年期间，使用树脂A封装的DRAM却频频发生Al布线腐蚀的故障。甚至还有故障率达到供货量10％的产品。因为这是在通过PCT试验的IC上发生的故障，所以在日立内部又被称为“PCT事件”。在该事件发生后，日立再次使用树脂A以及在PCT试验中被剔除的树脂B进行了与耐湿性相关的寿命试验。
图2：对DRAM封装用树脂实施重新评测的结果
图片源自瑞萨。（点击放大）
图3：随着试验环境的变化，结果发生剧变。
图片源自瑞萨。（点击放大）
结果得出了在65℃等低温下树脂B的寿命更长的结果（图2）。也就是说，由此可以判断，在实际使用环境下，树脂B的寿命要比PCT试验中表现出色的树脂A更长。从中可以得到的教训是：“对可靠性进行评测时，加速试验并不是万能的，应该优先实施接近实际使用环境的试验”。 原因来自可靠性试验人员的汗水
虽然PCT事件随着将树脂A换成树脂B而结束，但直到1980年代耐湿性问题一直未能得到根本性解决。300毫英寸的DIP、QFP、SOP等小型封装无法确保充分的耐湿性。比如，在因为接近实际使用环境而受到重视的“65℃/湿度95％”的耐湿性试验中，存在焊盘腐蚀问题。虽然在原因未指定的情况下采取了改变封装材料及制造方法等措施，但一直未能充分防止腐蚀。
图4：通过开发在新试验中获得合格的树脂，彻底解决了耐湿性问题。
图片源自瑞萨。（点击放大）
图5：利用有机溶剂来溶解芯片间的粘合剂。
图片源自东芝。（点击放大）
原因与可靠性试验人员和场所的变化（可靠性试验环境的变化）有关。具体情况是，以前在25℃的房间内实施的试验从某时起被拿到30℃的房间内进行，可靠性试验结果由此迅速恶化（图3）。在寻找恶化原因时发现，问题出在试验人员的汗水上。汗水中含有的氯（Cl）造成了污染。由此得出的结论是，小型封装无法确保充分耐湿性的原因出在IC使用环境中还有的盐身上，于是便诞生了新的可靠性试验方法。
图6：太赫兹微光显微镜的特点
图片源自浜松光电。（点击放大）
图7：加速电极的效果
图片源自东京大学。（点击放大）
具体操作时，通过浸在1％的食盐水（进行Cl污染）中实施“65℃/湿度95％”的耐湿性试验。在该试验中合格的树脂材料便被挖掘出来，从而消除了在野外时耐湿性不足所导致的故障。由此，树脂封装实现了与陶瓷封装相同的耐湿性（图4）。这种新型树脂目前已有25年以上的应用业绩。
另外，据田中介绍，焊盘之所以会被食盐中的盐所腐蚀是源于盐的潮解作用。在高湿度状态下，随着潮解的发生，含盐的水分会顺着引线框架和焊丝传递，从而使焊盘受到腐蚀。
通过使用有机溶剂，利用低浸蚀处理使芯片实现分离
下面来介绍一下其他发表的要点。东芝的演讲者住吉贵充（半导体公司大分工厂品质保证部故障分析技术负责人）介绍了对封装内纵向层叠的芯片实施分离的方法。为了去除纵向层叠的芯片间的粘合剂，以往一直使用发烟硝酸和研磨法，但容易发生断裂和焊盘腐蚀问题。因此，东芝通过使用有机溶剂，利用低浸食处理使芯片实现了分离（图5）。
浜松光电的演讲者是松本彻（系统事业部第3设计部第18部门专职成员）。松本介绍了使用飞秒激光器和太赫波检测器的微光显微镜（图6）。特点是无需在外部以电气方式操作作为被检查对象的芯片。松本在演讲中展示了试用时的图像示例等。但遗憾的是主要检查的是0.35μm的芯片。希望能够有半导体厂商提供65nm及45nm等尖端芯片。
东京大学的演讲者是伊藤诚吾（生产技术研究所机械及生体系部门滝口研究室特聘研究员）。伊藤介绍了对准静电场实施检测的故障分析技术的改进。对象物为半导体时，准静电场容易检测出来，但树脂封装等绝缘体的话就很难检测了。因此，伊藤通过在传感器上增加“加速电极”，获得了在绝缘体时也可检测的S/N（图7）。[!--empirenews.page--]
图8：对已封装完的印刷基板实施反复弯曲试验的概要
图片源自索尼。（点击放大）
图9：栅极绝缘性劣化
图片源自京瓷。（点击放大）
索尼的演讲者是尾崎晋佑（PDSG半导体事业本部品质可靠性部门可靠性技术部LSI可靠性技术课可靠性工程师）。尾崎介绍了对封装完的印刷基板实施的反复弯曲试验。该试验向已封装完的IC封装与印刷基板的焊点接合部实施应力（反复弯曲），观察其影响（图8）。此次就弯曲的频率和形状进行了考察。结论是：“形成最大5Hz的正弦波推压波形时说明可靠性出色”。
京瓷的演讲者是今原和光（滋贺野洲工厂薄膜部件品质保证部野洲品质保证课）。今原介绍了LCD显示器的故障和可靠性试验。在演讲前半程介绍了LCD显示器会发生的主要可靠性故障。包括栅极绝缘性劣化、TEF阈值漂移及单元内残留CD的影响等（图9）。虽然每项故障都有策可施，但为了完全消除可靠性故障，需要采取更系统的举措。比如，为了防止重蹈覆辙，确定设计及制造工艺的规则，予以遵守。（记者：小岛 郁太郎）
图1：田中政树在演讲中
摄影：Tech-On!。（点击放大）
虽说是个人判断，但笔者感觉最具有冲击力的是瑞萨的演讲。演讲者是田中政树（品质保证统括部MCU品质保证第一部高级专家）（图1）。田中介绍了30～40年前在日立制作所发生的、与DRAM封装的耐湿性相关联的故障。该故障是首次在日立以外的公开场合提及。瑞萨认为，在可靠性工程师之间广泛分享通过故障所获得的教训及经验十分重要，从而决定发表。
据田中介绍，日立于1970年前后首次使IC树脂封装实用化，将其应用在了DRAM上。当时，树脂封装成为日立DRAM的卖点之一。在选择该树脂封装使用的树脂时，日立将候选对象最终锁定为两种。接着进行了被称为PCT（Pressure Cooker Test）的加速试验，选择了经该试验判断具有长寿命的树脂A。PCT试验是一项在121℃、湿度100％的高温、高湿度环境下的加速试验。
然而在供货1～2年期间，使用树脂A封装的DRAM却频频发生Al布线腐蚀的故障。甚至还有故障率达到供货量10％的产品。因为这是在通过PCT试验的IC上发生的故障，所以在日立内部又被称为“PCT事件”。在该事件发生后，日立再次使用树脂A以及在PCT试验中被剔除的树脂B进行了与耐湿性相关的寿命试验。
图2：对DRAM封装用树脂实施重新评测的结果
图片源自瑞萨。（点击放大）
图3：随着试验环境的变化，结果发生剧变。
图片源自瑞萨。（点击放大）
结果得出了在65℃等低温下树脂B的寿命更长的结果（图2）。也就是说，由此可以判断，在实际使用环境下，树脂B的寿命要比PCT试验中表现出色的树脂A更长。从中可以得到的教训是：“对可靠性进行评测时，加速试验并不是万能的，应该优先实施接近实际使用环境的试验”。 原因来自可靠性试验人员的汗水
虽然PCT事件随着将树脂A换成树脂B而结束，但直到1980年代耐湿性问题一直未能得到根本性解决。300毫英寸的DIP、QFP、SOP等小型封装无法确保充分的耐湿性。比如，在因为接近实际使用环境而受到重视的“65℃/湿度95％”的耐湿性试验中，存在焊盘腐蚀问题。虽然在原因未指定的情况下采取了改变封装材料及制造方法等措施，但一直未能充分防止腐蚀。
图4：通过开发在新试验中获得合格的树脂，彻底解决了耐湿性问题。
图片源自瑞萨。（点击放大）
图5：利用有机溶剂来溶解芯片间的粘合剂。
图片源自东芝。（点击放大）
原因与可靠性试验人员和场所的变化（可靠性试验环境的变化）有关。具体情况是，以前在25℃的房间内实施的试验从某时起被拿到30℃的房间内进行，可靠性试验结果由此迅速恶化（图3）。在寻找恶化原因时发现，问题出在试验人员的汗水上。汗水中含有的氯（Cl）造成了污染。由此得出的结论是，小型封装无法确保充分耐湿性的原因出在IC使用环境中还有的盐身上，于是便诞生了新的可靠性试验方法。
图6：太赫兹微光显微镜的特点
图片源自浜松光电。（点击放大）
图7：加速电极的效果
图片源自东京大学。（点击放大）
具体操作时，通过浸在1％的食盐水（进行Cl污染）中实施“65℃/湿度95％”的耐湿性试验。在该试验中合格的树脂材料便被挖掘出来，从而消除了在野外时耐湿性不足所导致的故障。由此，树脂封装实现了与陶瓷封装相同的耐湿性（图4）。这种新型树脂目前已有25年以上的应用业绩。
另外，据田中介绍，焊盘之所以会被食盐中的盐所腐蚀是源于盐的潮解作用。在高湿度状态下，随着潮解的发生，含盐的水分会顺着引线框架和焊丝传递，从而使焊盘受到腐蚀。
通过使用有机溶剂，利用低浸蚀处理使芯片实现分离
下面来介绍一下其他发表的要点。东芝的演讲者住吉贵充（半导体公司大分工厂品质保证部故障分析技术负责人）介绍了对封装内纵向层叠的芯片实施分离的方法。为了去除纵向层叠的芯片间的粘合剂，以往一直使用发烟硝酸和研磨法，但容易发生断裂和焊盘腐蚀问题。因此，东芝通过使用有机溶剂，利用低浸食处理使芯片实现了分离（图5）。
浜松光电的演讲者是松本彻（系统事业部第3设计部第18部门专职成员）。松本介绍了使用飞秒激光器和太赫波检测器的微光显微镜（图6）。特点是无需在外部以电气方式操作作为被检查对象的芯片。松本在演讲中展示了试用时的图像示例等。但遗憾的是主要检查的是0.35μm的芯片。希望能够有半导体厂商提供65nm及45nm等尖端芯片。
东京大学的演讲者是伊藤诚吾（生产技术研究所机械及生体系部门滝口研究室特聘研究员）。伊藤介绍了对准静电场实施检测的故障分析技术的改进。对象物为半导体时，准静电场容易检测出来，但树脂封装等绝缘体的话就很难检测了。因此，伊藤通过在传感器上增加“加速电极”，获得了在绝缘体时也可检测的S/N（图7）。[!--empirenews.page--]
图8：对已封装完的印刷基板实施反复弯曲试验的概要
图片源自索尼。（点击放大）
图9：栅极绝缘性劣化
图片源自京瓷。（点击放大）
索尼的演讲者是尾崎晋佑（PDSG半导体事业本部品质可靠性部门可靠性技术部LSI可靠性技术课可靠性工程师）。尾崎介绍了对封装完的印刷基板实施的反复弯曲试验。该试验向已封装完的IC封装与印刷基板的焊点接合部实施应力（反复弯曲），观察其影响（图8）。此次就弯曲的频率和形状进行了考察。结论是：“形成最大5Hz的正弦波推压波形时说明可靠性出色”。
京瓷的演讲者是今原和光（滋贺野洲工厂薄膜部件品质保证部野洲品质保证课）。今原介绍了LCD显示器的故障和可靠性试验。在演讲前半程介绍了LCD显示器会发生的主要可靠性故障。包括栅极绝缘性劣化、TEF阈值漂移及单元内残留CD的影响等（图9）。虽然每项故障都有策可施，但为了完全消除可靠性故障，需要采取更系统的举措。比如，为了防止重蹈覆辙，确定设计及制造工艺的规则，予以遵守。（记者：小岛 郁太郎）
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