塑料封裝可靠性問題淺析

摘 要：

塑料封裝器件在現(xiàn)在的封裝產(chǎn)業(yè)中具有無可比擬的優(yōu)勢,諸如成本、可靠性、尺寸以及重量等.但是還是有相當(dāng)一部分人對于塑封器件的可靠性持懷疑態(tài)度.文章的目的就是使讀者能夠更深入地了解到塑封器件的可靠性,尤其是在塑封器件應(yīng)用于高可靠性的要求時(shí),這個(gè)問題顯得至關(guān)重要.文章總結(jié)了現(xiàn)階段對可靠性問題研究的成果與進(jìn)度,并且在生產(chǎn)、測試以及應(yīng)用儲(chǔ)存等方面提供了一定的思路。
關(guān)鍵詞: 塑封器件; 可靠性; 失效原理; 環(huán)氧模塑料;

引言

塑料封裝器件很容易由于多種原因而導(dǎo)致早期失效:這些缺陷產(chǎn)生的根源很多，他們能夠?qū)е略谒芊怏w各個(gè)部位產(chǎn)生一系列的失效模式和失效機(jī)理。缺陷的產(chǎn)生主要足由于原材料的不匹配、設(shè)計(jì)存在缺陷或者不完善的制造工藝。塑料封裝器件同樣也存在著非缺陷機(jī)理性失效。同時(shí)也將討論避免產(chǎn)生缺陷的各種方法以及生產(chǎn)過程的優(yōu)化和完善的設(shè)計(jì)。這些都是為了保證最后成品的質(zhì)量和可靠性。

1 塑料封裝器件的缺陷及其預(yù)防

有些缺陷很自然地歸類于熱機(jī)性能造成的而其他的缺陷通常和一些特殊的制成有關(guān)系，比如芯片的制造、芯片的粘接、塑封、芯片的鈍化、引線框架芯片基板的制造、焊絲或者后道成品包裝。這些都將在下面的討論中看到， 同時(shí)其中的某 些缺陷在分類上還是相互交叉的。

1.1、熱機(jī)缺陷

某些缺陷能夠?qū)е率?#xff0c;而這些缺陷 都與熱以及微觀物質(zhì)的移動(dòng)有密切關(guān)系產(chǎn)生的主要原因就是環(huán)氧塑封料和不同接觸界面材料的線膨脹系數(shù)不-致比如說當(dāng)EMC固化時(shí)，熱收縮應(yīng)力也隨之產(chǎn)生這些應(yīng)力將會(huì)導(dǎo)致巨大的拉伴和剪功應(yīng)力作用于直接接觸的芯片表面特別是在邑片的角部應(yīng)力將會(huì)成幾何級數(shù)增長，很容易導(dǎo)致芯片薄膜鈍化層或者芯片焊接材料以及，芯片本 身的破裂。這些應(yīng)力同樣也容 易導(dǎo)致EMC和芯片/芯片基板/引線框架之間出現(xiàn)分層斷裂以及分層將會(huì)導(dǎo)致電路斷開、短路以及問歇性斷路問題出現(xiàn)。同樣它們;也為潮氣和污染源更容易進(jìn)人塑封體內(nèi)部提供了通路。這些類型的缺陷可以通過以下措施來避免:在選擇塑封料、引線框架、芯片焊接劑以及芯片鈍化層的原材料時(shí)所有材料的線膨脹系數(shù)必須盡可能地相互匹配;芯片上部和下部塑封料的序度應(yīng)該盡可能地接近;盡量避免在設(shè)計(jì)和排版過程中出現(xiàn)邊緣尖端以及尖角樣可以防止出現(xiàn)應(yīng)力集中，從而避免斷裂的出現(xiàn);最后，提倡使用低應(yīng)力塑封料以及低應(yīng)力芯片焊接劑，可以最大限度防止在封裝的過程中出現(xiàn)多余應(yīng)力。

1.2芯片缺陷

芯片缺陷通常都是和半導(dǎo)體圓片制造以及塑料封裝器件特有的缺陷(比如在應(yīng)力作用下所產(chǎn)生的金屬化分層以及鈍化層破裂現(xiàn)象) 有關(guān)系的。這里不再詳細(xì)描述所有缺陷，僅限于討論對塑封體結(jié)構(gòu)關(guān)系非常密切的缺陷以及塑封體獨(dú)有的缺陷。

1.3芯片粘接缺陷

出現(xiàn)在氣密性封裝的缺陷同樣也會(huì)出現(xiàn)在塑料封裝器件中，芯片和基板的粘接性能差在芯片焊接劑中去侶現(xiàn)氣孔以及不完全充填等。這些缺陷通常都是因過程控制較差導(dǎo)致的，比如不臺(tái)適的材料韋備以及固化等。它們會(huì)導(dǎo)致不均勻的熱分配(局部過熱) ,從而形成芯片分層或者芯片斷裂。由于過熱產(chǎn)生的應(yīng)力或者內(nèi)部開路會(huì)導(dǎo)致突變失效。此外，氣孔很可能為潮氣以及污染源提供通路。同樣也存在著和塑封體獨(dú)特的芯片粘接材料有關(guān)的缺陷。如果原材料的熱膨脹系數(shù)和芯片、芯片基板以及塑封體的熱膨脹系數(shù)嚴(yán)重不匹配這樣過余的應(yīng)力在模玉操作時(shí)就作用于芯片。此外，一些聚合 物芯片粘接劑在高濕環(huán)境下吸收了相當(dāng)數(shù)量的潮氣，這將會(huì)導(dǎo)致塑封體斷裂現(xiàn)象的出現(xiàn)。

1.4鈍化層缺陷

一般的鈍化層缺陷，比如斷裂、多孔以及粘接性差，使得塑封體更容易失效。塑封料的收縮應(yīng)力大于鈍化層的強(qiáng)度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)鈍化層斷裂。在雙層鍍金屬系統(tǒng)上面的鈍化層更容易破裂，這是因?yàn)槠鋷缀瓮庑魏透叨葧?huì)導(dǎo)致更大的收縮應(yīng)力。鈍化層破裂將會(huì)導(dǎo)致開路、間斷或者較高的漏電流。它司樣和焊球的虛焊及剪切應(yīng)力有關(guān)，這是因?yàn)榧羟袘?yīng)力集中在芯片的邊緣，會(huì)導(dǎo)致接近鈍化層破裂區(qū)域的焊球?qū)π酒斐蓳p傷。低應(yīng)力塑封料的使用以及在芯片鈍化層表面使用了彈性硅橡膠這些措施都極大地降低作用于芯片鈍化層的應(yīng)力。同樣，在芯片排版設(shè)計(jì)中，一定要牢記尖角及邊緣是應(yīng)力集中的區(qū)域，因此在這些地方應(yīng)該避免設(shè)計(jì)活性的電路。

1.5封裝后的缺陷

當(dāng)塑封體固化完成以后，同樣會(huì)有-一定數(shù)量的缺陷發(fā)生。相比看yga線焊接。材料不良或者過程缺陷都會(huì)導(dǎo)致印字產(chǎn)生拖尾效應(yīng)。這些印字會(huì)消失或者模糊不清，從而造成產(chǎn)品制造商、器件號碼、生產(chǎn)日期等的不可追溯。

2與缺陷無關(guān)的失效機(jī)理和模式

并不是所有的塑封器件都-定會(huì)有相應(yīng)的缺陷。缺陷或者設(shè)計(jì)不良都起著很敏感的作用，而其他因素也一起加劇了諸如腐蝕這樣的自然哀降過程。

2.1腐蝕

所有封裝好的器件都會(huì)從周圍環(huán)境中吸收一定量的潮氣如果吸收潮氣過多，將會(huì)導(dǎo) 致-系列的問題。如果湖氣中含有一系列的離子，這就會(huì)出現(xiàn)芯片的金屬化腐蝕現(xiàn)象。金屬化腐蝕通常出現(xiàn)在焊球附近，這些焊球通常都是裸露的以便進(jìn)行焊絲。。焊球的腐蝕可能不會(huì)直接導(dǎo)致失效，但是會(huì)導(dǎo)致接觸電阻的增大，這很容易使得器件變得沒有任何功能。腐蝕的基本原理如下:

對鋁布線的腐蝕Al+4Cl→ 2AICI +3e2AICI +6HO→2A(OH) +6H 8Cl對金屬共熔物的腐蝕AuAl+6Br→ Au+AI Br +6e2Al+Au- > AuAlAuAI +Au→2AuAI

高溫及高壓通常能夠加速這些機(jī)理的發(fā)生,由于潮氣和離子的存在使得金絲間的內(nèi)部連接同樣容易受到腐蝕雜質(zhì)水解后產(chǎn)生的一些離子能夠和焊球中的金鋁共熔相中的鋁發(fā)生反應(yīng)。焊絲和芯片的金屬化腐蝕失效模式包括電性能參數(shù)移動(dòng)、過大的漏電流、短路以及斷路。應(yīng)該采取一些措施來防止和腐蝕有關(guān)的失效發(fā)生,這些措施包括選擇的塑封材料可水解離子含量要少于10x10,尋找更適合的阻燃劑來取代嗅類阻燃劑在設(shè)計(jì)塑封料配方時(shí)耍考慮使用離子捕捉劑來捕捉塑封料中的離子而且也要充分考慮到塑封材料和引線框架之間的粘接性能以阻止潮氣人侵用抗?jié)裢苛媳热绻铇渲瑏砻芊夂盖?這個(gè)過程應(yīng)該在焊接以后封裝以前進(jìn)行),并且在劃片時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格控制磷的進(jìn)入。此外,引線和塑封料之間粘接力的增強(qiáng)也是十分重要的,可以防止污染源進(jìn)人,并且可以防止內(nèi)部引線表面的腐蝕發(fā)生。

2.2爆米花現(xiàn)象

塑封體在焊接到電路板上時(shí)， 所吸收的潮氣將會(huì)導(dǎo)致系列的嚴(yán)重問題。悍接過程中所產(chǎn)生的熱量能夠?qū)е滤^爆米花現(xiàn)象。爆米花現(xiàn)象是一個(gè)術(shù)語，就是用來描述PWB焊接時(shí)由于器件吸收過多潮氣所產(chǎn)生的塑封體開裂現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一般都出現(xiàn)在塑封體暴露于高溫中或者塑封體所經(jīng)受的溫度急劇升高，比如說表面安裝時(shí)將器件焊接PWB到上時(shí)所進(jìn)行的回流焊，當(dāng)熱量開始向外散發(fā)時(shí)，塑 封體內(nèi)部所吸收的潮氣開始急劇氣化并且膨脹這就會(huì)在塑封體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)壓力，導(dǎo)致塑封體和引線框架的分層慢慢出現(xiàn)塑封體彎曲現(xiàn)象。如果塑封體內(nèi)部潮氣的數(shù)量很多焊接次數(shù)和溫度足夠時(shí)，就 會(huì)出現(xiàn)塑封體斷裂的現(xiàn)象(經(jīng)常伴有可以聽見的燥米花的聲音)。斷裂既可能出現(xiàn)在塑封體膨脹時(shí)，也可能出現(xiàn)在塑封體后來冷卻收縮至正常尺寸，下面列出一些對爆米花現(xiàn)象影響很大的因素

• (1)內(nèi)部所吸收湖氣數(shù)量高于0.11 %;
• (2)焊接溫度高于220’C;
• (3)在焊接時(shí)溫升速度變化率大于10*C s。

在PWB上取出失效的器件， 重新焊接新的器件將會(huì)惡化這個(gè)問題，主要足因?yàn)橄噜彽脑艿搅烁郊拥臒釕?yīng)力或者熱機(jī)應(yīng)力這將會(huì)導(dǎo)致先前潛在的斷裂得以繼續(xù)進(jìn)行。這同樣也會(huì)導(dǎo)致電路開路，增加接觸電阻以及金絲斷裂。

2.3焊接板縮陷

當(dāng)焊接所產(chǎn)生的熱量傳遞至吸收過量潮氣的表面封裝器件時(shí)，就很容易出現(xiàn)焊接板縮陷的現(xiàn)象。通常在薄片加工時(shí)在焊接應(yīng)力(比如超聲波焊接時(shí)所產(chǎn)生的震動(dòng))的協(xié)同作用下這些硅球可能會(huì)導(dǎo)致在鋁鈍化層下面絕緣層的內(nèi)部損壞如局部氧化。當(dāng)焊接所產(chǎn)生的熱量作用于塑封體時(shí)，吸收的潮氣氣化成氣體。其所產(chǎn)生的壓力以及塑封料所產(chǎn)生的熱應(yīng)力同時(shí)作用在焊球上，這就導(dǎo)致絕緣層損壞加劇，出現(xiàn)了所謂的縮陷現(xiàn)象。這種現(xiàn)象會(huì)擴(kuò)散到底部基板上，從而造成焊球脫離基板，出現(xiàn)電路斷開的現(xiàn)象?通過選擇合適的塑封料可以避免爆米花以及焊板縮陷現(xiàn)象發(fā)生。
這種塑封料應(yīng)當(dāng)通過周密的配方設(shè)計(jì)，具有優(yōu)異的防水性能以及粘接性能。同樣也可以采用其他-些技術(shù)比如:修改引線框架的設(shè)計(jì)(比如表面花紋增多)來提高和塑封料的粘接性能:使用低吸濕的芯片焊接材料;控制芯片基板的尺寸以及塑封料在基板上下的厚度; 要避免基板設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)尖端或者芯片設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)容易應(yīng)力集中的尖角區(qū)域,再加工或者回流焊時(shí)要控制最高焊接溫度，運(yùn)輸過程中使用干燥劑以及在焊接之前預(yù)先進(jìn)行烘烤這樣就可以釋放出內(nèi)部所吸收的潮氣。

2.4芯片斷裂

在芯片切割及打晶時(shí)以及由于塑封體內(nèi)各種材料的熱膨脹系數(shù)的不匹配所產(chǎn)生的應(yīng)力容易造成芯片斷裂。在芯片 粘接的時(shí)候，粘接材料中出現(xiàn)氣孔或者施加 了過多的機(jī)械應(yīng)力同樣也會(huì)導(dǎo)致邑片破裂。失效主要表現(xiàn)為開路、短路以及漏電流過大通過使用低應(yīng)力塑封料、選擇熱膨張系數(shù)匹配的原材料、減少粘接材料的厚度、消除粘接材料的內(nèi)部氣孔以及保持塑封料在芯片!基板周圍足夠的厚度就可以避免在后道生產(chǎn)過程中產(chǎn)生芯片斷裂現(xiàn)象:屈化分層芯片上面的鋁鈍化層可能會(huì)由于塑封料收縮產(chǎn)生的應(yīng)力而導(dǎo)致分層。
在收縮時(shí)出現(xiàn)剪切應(yīng)力，剪切應(yīng)力最大的地方出現(xiàn)在芯片的邊緣因此，芯片的邊緣也是鈍化最可能出現(xiàn)分層的地方。塑封體和芯片表面之間的粘接性差會(huì)使得塑封體沿著毖片表面移動(dòng)這也增加了鈍化分層的幾率。有些因素會(huì)提高剪切應(yīng)力。通常來說，芯片周圍的基板剩余空間比較大的時(shí)侯就很容易產(chǎn)生過高的應(yīng)力。定位以及毖片的展弦比是影響芯片邊緣應(yīng)力產(chǎn)生的兩個(gè)重要因素。

3磨損失效機(jī)理(疲勞型)

熱膨脹系數(shù)的不匹配，再加上更寬范圍的溫度循環(huán)，會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力來回作用在塑封體的表面，最終導(dǎo)致老化失效的產(chǎn)生以及塑封體變脆很可能出現(xiàn)斷裂，并且為潮氣以及污染源提供了進(jìn)人塑封體的通道。前面已經(jīng)談?wù)撨^和潮氣以及污染源有關(guān)的失效模式。PEM的使用者必須很熟悉塑封材料的熱限并且必須確保其所要使用的熱膨脹應(yīng)力不會(huì)超過塑封體的承受范圍。
在焊絲的區(qū)域PEM同樣 也會(huì)遭受到有害的金-鋁的共融現(xiàn)象。在氣密性封裝中單一的金屬超聲波焊接的金屬化系統(tǒng)可以用來防止此類現(xiàn)象的發(fā)生這在過去的20多年里被大家發(fā)現(xiàn)并且接受。但是在塑料封裝器件中金絲一般都是使用熱熔融球的方法焊接到鋁板上的，這主 要是因?yàn)檫@種方法能夠適用于不同的基板排版而且產(chǎn)量也很高。因此PEM的使用者必須要知道這種潛在的金屬共熔問題。過量的共熔現(xiàn)象發(fā)生會(huì)導(dǎo)致氣孔以及過早的焊接破壞。制造商應(yīng) 該在生產(chǎn)過程中嚴(yán)格控制生產(chǎn)工藝，避免雜質(zhì)的進(jìn)人以及過高的溫度。如果在生產(chǎn)過程中存在過多的金屬共熔現(xiàn)象那么延長升溫時(shí)間將會(huì)惡化這個(gè)缺陷。

4 結(jié)論

總而言之，隨著電子產(chǎn)品輕、港短、小趨勢的發(fā)展，半導(dǎo)體制程技術(shù)飛快地進(jìn)展，迫使IC構(gòu)裝技術(shù)必須不斷提升，朝向更先進(jìn)技術(shù)發(fā)展。但是封裝的缺陷是影響塑封器件性能及應(yīng)用的主要因素。隨著塑料封裝器件在現(xiàn)在的電子封裝中所占的比重增加,其可靠性問題弓起制造商以及使用者關(guān)注的程度越來越高。
本文只是簡單地?cái)⑹隽怂芰戏庋b器件缺陷產(chǎn)生的機(jī)理以及外在表現(xiàn)形式，為器件制造商以及終端產(chǎn)品提供一定的參考隨著電子塑料封裝的迅猛發(fā)展，了解缺陷的產(chǎn)生機(jī)理以便能夠采取相應(yīng)以及必要的措施來防止這些缺陷的發(fā)生，具有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 試論環(huán)氧塑封料性能與器件封裝缺陷 楊光敏 - 《科技風(fēng)》

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的塑料封装可靠性问题浅析的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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