塑料封裝可靠性問題淺析

摘要：

塑料封裝器件在現在的封裝產業中具有無可比擬的優勢,諸如成本、可靠性、尺寸以及重量等.但是還是有相當一部分人對于塑封器件的可靠性持懷疑態度.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用于高可靠性的要求時,這個問題顯得至關重要.文章總結了現階段對可靠性問題研究的成果與進度,并且在生產、測試以及應用儲存等方面提供了一定的思路。
關鍵詞: 塑封器件; 可靠性; 失效原理; 環氧模塑料;

引言

塑料封裝器件很容易由于多種原因而導致早期失效:這些缺陷產生的根源很多，他們能夠導致在塑封體各個部位產生一系列的失效模式和失效機理。缺陷的產生主要足由于原材料的不匹配、設計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理性失效。同時也將討論避免產生缺陷的各種方法以及生產過程的優化和完善的設計。這些都是為了保證最后成品的質量和可靠性。

1 塑料封裝器件的缺陷及其預防

有些缺陷很自然地歸類于熱機性能造成的而其他的缺陷通常和一些特殊的制成有關系，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，同時其中的某些缺陷在分類上還是相互交叉的。

1.1、熱機缺陷

某些缺陷能夠導致失效，而這些缺陷都與熱以及微觀物質的移動有密切關系產生的主要原因就是環氧塑封料和不同接觸界面材料的線膨脹系數不-致比如說當EMC固化時，熱收縮應力也隨之產生這些應力將會導致巨大的拉伴和剪功應力作用于直接接觸的芯片表面特別是在邑片的角部應力將會成幾何級數增長，很容易導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。這些應力同樣也容易導致EMC和芯片/芯片基板/引線框架之間出現分層斷裂以及分層將會導致電路斷開、短路以及問歇性斷路問題出現。同樣它們;也為潮氣和污染源更容易進人塑封體內部提供了通路。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所有材料的線膨脹系數必須盡可能地相互匹配;芯片上部和下部塑封料的序度應該盡可能地接近;盡量避免在設計和排版過程中出現邊緣尖端以及尖角樣可以防止出現應力集中，從而避免斷裂的出現;最后，提倡使用低應力塑封料以及低應力芯片焊接劑，可以最大限度防止在封裝的過程中出現多余應力。

1.2芯片缺陷

芯片缺陷通常都是和半導體圓片制造以及塑料封裝器件特有的缺陷(比如在應力作用下所產生的金屬化分層以及鈍化層破裂現象) 有關系的。這里不再詳細描述所有缺陷，僅限于討論對塑封體結構關系非常密切的缺陷以及塑封體獨有的缺陷。

1.3芯片粘接缺陷

出現在氣密性封裝的缺陷同樣也會出現在塑料封裝器件中，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致的，比如不臺適的材料韋備以及固化等。它們會導致不均勻的熱分配(局部過熱) ,從而形成芯片分層或者芯片斷裂。由于過熱產生的應力或者內部開路會導致突變失效。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特的芯片粘接材料有關的缺陷。如果原材料的熱膨脹系數和芯片、芯片基板以及塑封體的熱膨脹系數嚴重不匹配這樣過余的應力在模玉操作時就作用于芯片。此外，一些聚合物芯片粘接劑在高濕環境下吸收了相當數量的潮氣，這將會導致塑封體斷裂現象的出現。

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。塑封料的收縮應力大于鈍化層的強度時就會出現鈍化層斷裂。在雙層鍍金屬系統上面的鈍化層更容易破裂，這是因為其幾何外形和高度會導致更大的收縮應力。鈍化層破裂將會導致開路、間斷或者較高的漏電流。它司樣和焊球的虛焊及剪切應力有關，這是因為剪切應力集中在芯片的邊緣，會導致接近鈍化層破裂區域的焊球對芯片造成損傷。低應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力。同樣，在芯片排版設計中，一定要牢記尖角及邊緣是應力集中的區域，因此在這些地方應該避免設計活性的電路。

1.5封裝后的缺陷

當塑封體固化完成以后，同樣會有-一定數量的缺陷發生。相比看yga線焊接。材料不良或者過程缺陷都會導致印字產生拖尾效應。這些印字會消失或者模糊不清，從而造成產品制造商、器件號碼、生產日期等的不可追溯。

2與缺陷無關的失效機理和模式

并不是所有的塑封器件都-定會有相應的缺陷。缺陷或者設計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從周圍環境中吸收一定量的潮氣如果吸收潮氣過多，將會導致-系列的問題。如果湖氣中含有一系列的離子，這就會出現芯片的金屬化腐蝕現象。金屬化腐蝕通常出現在焊球附近，這些焊球通常都是裸露的以便進行焊絲。。焊球的腐蝕可能不會直接導致失效，但是會導致接觸電阻的增大，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理的發生,由于潮氣和離子的存在使得金絲間的內部連接同樣容易受到腐蝕雜質水解后產生的一些離子能夠和焊球中的金鋁共熔相中的鋁發生反應。焊絲和芯片的金屬化腐蝕失效模式包括電性能參數移動、過大的漏電流、短路以及斷路。應該采取一些措施來防止和腐蝕有關的失效發生,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計塑封料配方時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濕涂料比如硅樹脂來密封焊球(這個過程應該在焊接以后封裝以前進行),并且在劃片時應該嚴格控制磷的進入。此外,引線和塑封料之間粘接力的增強也是十分重要的,可以防止污染源進人,并且可以防止內部引線表面的腐蝕發生。

2.2爆米花現象

塑封體在焊接到電路板上時，所吸收的潮氣將會導致系列的嚴重問題。悍接過程中所產生的熱量能夠導致所謂爆米花現象。爆米花現象是一個術語，就是用來描述PWB焊接時由于器件吸收過多潮氣所產生的塑封體開裂現象。這種現象一般都出現在塑封體暴露于高溫中或者塑封體所經受的溫度急劇升高，比如說表面安裝時將器件焊接PWB到上時所進行的回流焊，當熱量開始向外散發時，塑封體內部所吸收的潮氣開始急劇氣化并且膨脹這就會在塑封體內部產生一個壓力，導致塑封體和引線框架的分層慢慢出現塑封體彎曲現象。如果塑封體內部潮氣的數量很多焊接次數和溫度足夠時，就會出現塑封體斷裂的現象(經常伴有可以聽見的燥米花的聲音)。斷裂既可能出現在塑封體膨脹時，也可能出現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象影響很大的因素

(1)內部所吸收湖氣數量高于0.11 %;
(2)焊接溫度高于220’C;
(3)在焊接時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惡化這個問題，主要足因為相鄰的元件受到了附加的熱應力或者熱機應力這將會導致先前潛在的斷裂得以繼續進行。這同樣也會導致電路開路，增加接觸電阻以及金絲斷裂。

2.3焊接板縮陷

當焊接所產生的熱量傳遞至吸收過量潮氣的表面封裝器件時，就很容易出現焊接板縮陷的現象。通常在薄片加工時在焊接應力(比如超聲波焊接時所產生的震動)的協同作用下這些硅球可能會導致在鋁鈍化層下面絕緣層的內部損壞如局部氧化。當焊接所產生的熱量作用于塑封體時，吸收的潮氣氣化成氣體。其所產生的壓力以及塑封料所產生的熱應力同時作用在焊球上，這就導致絕緣層損壞加劇，出現了所謂的縮陷現象。這種現象會擴散到底部基板上，從而造成焊球脫離基板，出現電路斷開的現象?通過選擇合適的塑封料可以避免爆米花以及焊板縮陷現象發生。
這種塑封料應當通過周密的配方設計，具有優異的防水性能以及粘接性能。同樣也可以采用其他-些技術比如:修改引線框架的設計(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; 要避免基板設計時出現尖端或者芯片設計時出現容易應力集中的尖角區域,再加工或者回流焊時要控制最高焊接溫度，運輸過程中使用干燥劑以及在焊接之前預先進行烘烤這樣就可以釋放出內部所吸收的潮氣。

2.4芯片斷裂

在芯片切割及打晶時以及由于塑封體內各種材料的熱膨脹系數的不匹配所產生的應力容易造成芯片斷裂。在芯片粘接的時候，粘接材料中出現氣孔或者施加了過多的機械應力同樣也會導致邑片破裂。失效主要表現為開路、短路以及漏電流過大通過使用低應力塑封料、選擇熱膨張系數匹配的原材料、減少粘接材料的厚度、消除粘接材料的內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過程中產生芯片斷裂現象:屈化分層芯片上面的鋁鈍化層可能會由于塑封料收縮產生的應力而導致分層。
在收縮時出現剪切應力，剪切應力最大的地方出現在芯片的邊緣因此，芯片的邊緣也是鈍化最可能出現分層的地方。塑封體和芯片表面之間的粘接性差會使得塑封體沿著毖片表面移動這也增加了鈍化分層的幾率。有些因素會提高剪切應力。通常來說，芯片周圍的基板剩余空間比較大的時侯就很容易產生過高的應力。定位以及毖片的展弦比是影響芯片邊緣應力產生的兩個重要因素。

3磨損失效機理(疲勞型)

熱膨脹系數的不匹配，再加上更寬范圍的溫度循環，會導致應力來回作用在塑封體的表面，最終導致老化失效的產生以及塑封體變脆很可能出現斷裂，并且為潮氣以及污染源提供了進人塑封體的通道。前面已經談論過和潮氣以及污染源有關的失效模式。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力不會超過塑封體的承受范圍。
在焊絲的區域PEM同樣也會遭受到有害的金-鋁的共融現象。在氣密性封裝中單一的金屬超聲波焊接的金屬化系統可以用來防止此類現象的發生這在過去的20多年里被大家發現并且接受。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，這主要是因為這種方法能夠適用于不同的基板排版而且產量也很高。因此PEM的使用者必須要知道這種潛在的金屬共熔問題。過量的共熔現象發生會導致氣孔以及過早的焊接破壞。制造商應該在生產過程中嚴格控制生產工藝，避免雜質的進人以及過高的溫度。如果在生產過程中存在過多的金屬共熔現象那么延長升溫時間將會惡化這個缺陷。

4 結論

總而言之，隨著電子產品輕、港短、小趨勢的發展，半導體制程技術飛快地進展，迫使IC構裝技術必須不斷提升，朝向更先進技術發展。但是封裝的缺陷是影響塑封器件性能及應用的主要因素。隨著塑料封裝器件在現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注的程度越來越高。
本文只是簡單地敘述了塑料封裝器件缺陷產生的機理以及外在表現形式，為器件制造商以及終端產品提供一定的參考隨著電子塑料封裝的迅猛發展，了解缺陷的產生機理以便能夠采取相應以及必要的措施來防止這些缺陷的發生，具有十分重要的意義。