X射线照相发现的管壳缺陷

封装、检测与设备
Package，Test and Equipment 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶
DOI：10.3969/j.issn.1003－353x.2011.08.016
X射线照相发现的管壳缺陷分析
程春红，潘茹
（中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄050051）
摘要：现在对半导体器件的可靠性要求越来越高，因此对器件的质量检测提出了严格的要求，为了能准确检测器件质量是否合格，使用X射线检测技术对器件进行无损检测。

X射线对缺陷损伤做快速精确探测分析具有方便、直观等优点。

对一例不常见的X射线照相检查发现的晶体管空洞缺陷进行了分析、试验，确定空洞是由管壳存在的问题引起的，提出了解决空洞问题的措施。

说明了器件在筛选时进行X射线照相检查的必要性，可以将有缺陷的器件早期剔除，以保证器件的可靠性。

关键词：可靠性；无损检测；缺陷；X射线；空洞
中图分类号：TN307文献标识码：A文章编号：1003－353X（2011）08－0643－03
Analysis of Package Defect Found in X-Ray Inspection
Cheng Chunhong，Pan Ru
（The13th Research Institute，CETC，Shijiazhuang050051，China）
Abstract：There is higher and higher requirement for reliability of semiconductor devices，thus，the strict demands for quality of devices are presented．In order to test the quality of devices precisely，nondestructive testing is needed by X-ray.It is quickly and accurately by X-ray to detect and analyse defect damage.An abnormal transistor void defect found in X-ray inspection was analyzed，determining that it comed from package itself，and the means to solve problem was presented.The X-ray inspection becomes a necessary means during screening，and some devices with defects can be eliminated early to assure the reliability of devices.
Key words：reliability；nondestructive testing；defect；X-ray；void
EEACC：0170L
0引言
科学技术的飞速发展对半导体器件的质量检测提出了严格的要求。

目前常用于检测产品的无损探伤技术主要有X射线和超声。

相比之下，X射线对缺陷损伤做快速精确探测分析具有直观、方便等优点，因此X射线检测技术在航空航天、安检交通等领域得到了广泛的应用，特别是价值高的产品在出厂前必须进行100%的X射线照相检查［1］。

X 射线检测技术用于检查器件的封口缺陷及内部缺陷，如多余物、错误的内引线连接、芯片粘结材料中的空洞等。

半导体分立器件试验方法2076（X 射线照相检验）给出了检验的方法、判据和标准［2］。

本文通过使用X射线照相检查某型号器件，发现该器件具有较大面积的空洞，通过分析最终确定是由管壳存在的问题引起的，详细叙述了对此问题的试验分析过程，对存在空洞的原因进行了问题定位，并进行了机理分析，给出了解决方法。

1问题概述
在对50只某型号器件进行X射线照相检查时发现，有5只器件存在大面积空洞，空洞面积约为1mm2（芯片面积约3.6mm2）。

空洞典型照片见图1（a），器件的正常照片见图1（b）。

这些器件已经通过了所有的筛选试验，包括温度循环、离心及240h的功率老炼试验。

按照半导体分立器件试验方法2076的标准要求———接触区空洞面积小于总接触区面积的50%，并且空洞没有横贯设计接
程春红等：X 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶射线照相发现的管壳缺陷分析
触面，判断这些器件为合格器件，但空洞面积较大，为有缺陷产品。

对此进行了进一步分析。

图1比较典型空洞器件与正常器件
Fig.1
Comparision between the void typical device and the normal device
2
问题定位及机理分析
2.1
问题定位
器件剖面示意图如图2所示。

图2器件剖面示意图
Fig.2
Schematic of the device cross section
外壳在加工过程中BeO 瓷件与Mo /Cu 底盘采用AgCu 焊料高温焊接，芯片与外壳的BeO 瓷件采用AuSn 焊料高温烧结。

经分析大面积空洞位置可能处于这两个焊接界面，为了找到空洞的具体位置，对空洞较大的器件进行了超声扫描显微镜检查，结果发现芯片与BeO 瓷件的焊接部位没有空洞，而BeO 瓷件与Mo /Cu 底盘的焊接部位发现大面积空洞，即空洞是由外壳引起的，空洞照片如图3所示。

图3X 射线照相检查与超声扫描显微镜检查对照图Fig.3Comparison diagrams between X-ray inspection and
scanning acoustic microscope
为了寻求大面积空洞形成的根本原因，对外壳空洞现象进行复现试验。

试验了5只，采用AgCu 焊料在Mo /Cu 底盘（外壳底盘上镀镍）上焊接BeO 瓷件，出现了如图4所示的空洞现象．空洞现象均发生在BeO 瓷件与底盘焊接的中部位置，与器件故障现象基本一致。

图4外壳复现试验图
Fig.4
Experiment diagram of the package reappearance
BeO 瓷件与底盘通过一定形状的焊料焊接在管壳底盘上，所用焊料形状呈环形。

对试验结果分析，焊料形状是产生焊接空洞的主要因素，器件外壳大面积空洞现象定位为外壳BeO 瓷件钎焊用环形焊料所致。

2.2
机理分析
管壳设计借用了其他型号的管壳焊料，采用环形焊料钎焊。

由于是环形焊料，BeO 瓷件表面与Mo /Cu 底盘接触面不均匀一致：中心部位间隙较大，其他部位间隙较小；而焊料填缝速度与间隙大小有关，在小间隙处快，而在大间隙处较慢。

由于中心部位间隙较大，因此其焊料流散速度也就越慢。

管壳装配过程中，虽然采用链式钎焊炉钎焊，且升温曲线段较长，但实际加热温度存在一定的不均匀性。

加热的不均匀性致使边缘温度高于中央，也就是说环形焊料边缘部分最先润湿、铺展。

又因为钎焊前环形焊料在被焊接面中部形成一封闭区域，当边缘焊料融化、流散后，封闭区域中的气体无法有效及时排出，因此在被焊接面中部位置形成气泡，阻碍焊料的进一步流散。

钎焊工艺结束后，大面积空洞缺陷形成。

以上大面积空洞情况的发生均有两个相同的因素，即均发生在被焊接面的中部位置和采用环形焊料。

这两个因素是此大面积空洞发生的必要条件。

其他没有采用环形焊料的管壳，即便在被焊接面的中部位置，也没有大面积空洞的出现；在被焊接面的边缘位置，即使采用环形焊料也没有大面积空洞的出现，如封口环的钎焊。

程春红等：X 櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶
射线照相发现的管壳缺陷分析
3其他影响
空洞对器件主要有两个方面的影响：一是机械强度，二是热阻。

这些器件在筛选中100%做了离心试验，全部通过。

BeO 瓷件与Mo /Cu 底盘采用AgCu 焊料高温焊接，BeO 瓷件及管芯质量较小，在机械连接强度上不存在问题。

按照半导体分立器件试验方法进行了剪切力试验，结果合格。

并且器件一次性通过了质量一致性检验的冲击、扫频振动、随机振动和离心试验。

热阻类似于电阻，和接触面积成反比，和厚度成正比，因此空洞对器件的热阻有一定的影响。

抽取两只无空洞的器件（编号1#和2#）和两只有较大空洞的器件（编号3#和4#）。

在筛选功率老炼条件下，用红外热成像法测试器件最高结温，测试数据见表1，红外热成像图见图5和图6。

表1
红外结温
Tab.1
IR junction temperature
测试条件
样品编号
最高结温T j m /ħ壳温T C /ħV CE =18V I C =1A
无空洞
1#158.69585.22#161.04784.7有空洞
3#182.89285.14#
207.615
84.
3
从表1、图5及图6中可以看出，有空洞器件
的结温明显高于无空洞的器件
［2-3］。

钎焊用焊料均为AgCu 焊料，共晶点温度为779ħ，远远高于外
壳的使用温度，在外壳的正常使用温度内，被包覆的空洞缺陷不会继续扩展、恶化。

4纠正措施
为了保证产品质量，将外壳BeO 瓷件钎焊用的焊料形状由环形改为正方形。

图7所示为采用正方形焊料钎焊后连接面形貌。

从图中可以看出，焊接表面没有任何空洞的出现，界面结合良好，为可靠连接。

对改变焊料后的100只管壳进行超声扫描显微镜检查，没有空洞现象。

图7采用改进焊料后焊接面形貌
Fig.7Morphology of welded surface after using improved solder
（下转650页）
沈牧等：櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶高功率半导体激光器测试系统
表1
测试激光功率值与标准功率计读数对比
Tab.1
Contrast of test result and standard power meter reading
激光器工作电流值I /A
标准功率计读数P 0/W 测试系统功率值
P /W η/%2072.0072.080.1130180.87182.070.6640315.00312.940.6550441.25444.340.7060568.75579.32 1.8670696.25708.02 1.6980831.25839.72 1.0290965.00963.910.11100
1095.00
1090.52
0.40
4结语
本文基于LabVIEW 进行了高功率半导体激光
器测试系统的软件、硬件设计，并给出了测试结果，进行了测试误差分析。

测试结果表明：该测试系统准确度高、软件操作方便、结果显示直观、全面，可以满足各种封装形式的连续高功率半导体激
光器的生产测试需求，能够快速准确地为激光器的研究、生产提供数据。

参考文献：
［1］李强，曾显光，张永林等．基于LabVIEW 的半导体
光源P-I 特性测试系统［J ］.光学与光电技术，2010，8（2）：39－41．
［2］李强，杨乐平，李海涛，等．LabVIEW 高级程序设
计［
M ］．北京：清华大学出版社，2003．［3］黄德修，刘雪峰．半导体激光器及其应用［M ］．北
京：国防工业出版社，1995.
［4］江剑平．半导体激光器［M ］．北京：电子工业出版
社，2002．
（收稿日期：2011-05-13
）
作者简介：
沈
牧（1977—），男，山西绛县人，工
程师，主要从事大功率半导体激光器研究櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶。

（上接第645页）
5结论
通过对一例X 射线照相发现的晶体管缺陷进
行分析，确定空洞是由外壳引起的，大面积空洞出现在BeO 瓷件与Mo /Cu 底盘的界面层，出现的原因是采用环形焊料装配。

将环形焊料改为正方形焊料，钎焊效果良好，避免了类似空洞现象的出现。

由此可见，对器件进行X 射线照相检查是非常必要的，尤其是需要进行100%X 射线照相检查，可将有缺陷的器件早期剔除，以保证器件的质量。

参考文献：
［1］杨建生.揭示出隐藏各种缺陷的X 射线系统［J ］.集成
电路应用，
2005（8）：24－28．［2］陈颖，孙博，谢劲松，等.芯片粘接空洞对功率器件散
热特性的影响［J ］.半导体技术，2007，32（10）：859－862．
［3］施建根，孙伟峰，景伟平，等.车载IGBT 器件封装装片
工艺中空洞的失效研究［J ］.电子与封装，2010，10（2）：23－27．
（收稿日期：2011-04-27
）
作者简介：
程春红（1976—），女，山东潍坊人，工程师，主要研究方向为半导体器件的设计与应用櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶。

（上接第642页
）
作者简介：
童亮（1980—），男，湖北蕲春人，工程师，主要从事半导体元器件检验和可靠性研究；
彭浩（1984—），男，河北无极人，助理工程师，主要从事半导体元器件检验和可靠性研究；。