塑料封裝可靠性問題淺析

1、塑料封裝可靠性問題淺析1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(chǎn)生的根源很多，他們能夠?qū)е略谒芊怏w各個部位產(chǎn)生一系列的失效模式和失效機理。缺陷的產(chǎn)生主要是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，比如PEM在空氣中吸潮，所吸收的潮氣將會導致很多的問題出現(xiàn)，包含在這一類失效中的就是所謂的磨損型失效機理。這些類型的失效在后面將會進行詳細的論述。同時也將討論避免產(chǎn)生缺陷的各種方法以及生產(chǎn)過程的優(yōu)化和完善的設計。這些都是為了保證最后成品的質(zhì)量和可靠性。2、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

2、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。2.1、熱機缺陷某些缺陷能夠?qū)е率В@些缺陷都與熱以及微觀物質(zhì)的移動有密切關系，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)不一致比如說，當EMC固化時，熱收縮應力也隨之產(chǎn)生這些應力將會導致巨大的拉伸和剪切應力，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(shù)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

3、片基板/引線框 架之間出現(xiàn)分層斷裂以及分層將會導致電路斷開、短路以及間歇性斷路問題出現(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，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厚度應該盡可能地接近；盡量避免在設計和排版過程中出現(xiàn)邊緣尖端以及尖角，這樣可以防止出現(xiàn)應力集中，從而避免斷裂的出現(xiàn)；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(xiàn)多余應力。2.2、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

4、應力作用 下所產(chǎn)生的金屬化分層以及鈍化層破裂現(xiàn)象）有關系的。這里不再詳細描述所有缺陷 ，僅限于討論對塑封體結(jié)構(gòu)關系非常密切的缺陷以及塑封體獨有的缺陷。2.3、芯片粘接缺陷出現(xiàn)在氣密性封裝的缺陷同樣也會出現(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致的，比如不合適的材料制備以及固化等。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(chǎn)生的應力或者內(nèi)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(shù)和 芯片、芯片

5、基板以及塑封體的熱膨脹系數(shù)嚴重不匹配，這樣過余的應力在模壓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(huán)境下吸收了相當數(shù)量的潮氣，這將會導致塑封體斷裂現(xiàn)象的出現(xiàn)。2.4、封裝缺陷一般來說封裝缺陷包括氣孔、分層、芯片基板移動以及沖絲。芯片焊接溫度。此外塑 封料本身也包含了一些雜質(zhì)，最關鍵的就是離子雜質(zhì)和潮氣以及能夠形成腐蝕機理的化合 物。氣孔是塑封結(jié)構(gòu)中一個嚴重的問題。產(chǎn)生氣孔的因素很多，如封裝壓力的不足、塑封料在進料口提前固化以及套筒中空氣殘留都會導致不完全充填或者是遍布塑封體的氣孔。氣孔為潮氣和污染源的聚集提供了空間，也降低了塑封體的熱、 電和機械性能。接近芯片及芯片基板位置的氣孔會

6、引起更嚴重的問題，靠近芯片的氣孔會影響芯片的散熱性能，這樣就會出現(xiàn)局部熱量集中，將會降低材料的電性能；接近芯片基板的氣孔會讓潮氣很容易腐蝕毫 無防護的鋁布線。遍布于塑封體內(nèi)部的眾多小氣孔將會增加塑封體的多孔性，很容易導致由于吸潮而產(chǎn)生的各種失效。隨著半導體器件體積變得越來越小且越來越薄，氣孔就成為影響可靠性的最主要因素。隨著封裝尺寸的收縮，塑封體和芯片的尺寸比率變得越來越小，這樣如果氣孔存在的話 就會增加氣孔處于重要區(qū)域的機率，其后果就是增加了失效幾率。界面粘接性差分層是另外 一個比較嚴重的缺陷。分層產(chǎn)生的原因主要是引線框架的污染或者引線框架在焊接的時候由 于溫度過高而發(fā)生了氧化反應。它同樣也

7、可能是由于引線框架的應力釋放或者添加過多的潤 滑劑而產(chǎn)生，比如塑封料中的脫模成分。分層是潮氣進入的一個主要起因，并且會導致早期 的塑封體失效。分層的發(fā)生位置主要是順著引線方向以及芯片的表面，沿著芯片的邊緣到達塑封體邊緣。芯片分層之所以引起關注，主要是因為分層在芯片的邊緣引起應力集中，并且對芯片的特性造成損害。分層會導致一系列的失效模式，包括塑封體斷裂、腐蝕、金屬化分 層、焊球移動以及金絲斷裂。這將會導致電性能失效、短路以及斷路。表面清潔是保證良好粘接性的一個基本要求。因此在制成的時候要注意避免引人雜質(zhì)。此外，應該避免過高的焊接溫度并且在進行焊接操作時應當引人惰性氣體加以保護，這樣就能避免引線框

8、架的氧化。同樣塑封料中的粘接促進劑也對粘接有益。特殊的設計對引線框架和塑封料的粘接也起到了很重要的作用，包括定位帶、定位孔以及表面紋理和表面凹坑等。2.5、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(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。它同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(qū)域的焊球?qū)π酒斐蓳p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

9、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(qū)域，因此在這些地方應該避免設計活性的電路。 vga線焊接。2.6、引線框架/芯片基板缺陷引線框架及芯片基板缺陷包括過蝕刻、壓模缺陷、毛邊、引線錯位、引線斷裂以及電鍍時表面針孔。引線框架蝕刻過度或者在沖壓時不平整，會降低框架的強度，在模壓時容易出現(xiàn)一系列問題。過蝕刻產(chǎn)生的原因主要是磨損和掩模不重合，這對于細節(jié)距的引線框架來說是一個很嚴重的問題。因為為了保護引線通過的區(qū)域并且由于引線展弦比接近于1,通常引線框架都設計得非常薄。如果切割工具磨損，引線框架通常在加工以后會出現(xiàn)毛邊現(xiàn)象，這就會引起塑封材料的分

10、層并導致應力集中引起塑封體斷裂。電鍍膜上的針孔會導致焊接時出現(xiàn)浸潤問題或引起框架腐蝕現(xiàn)象。對于芯片焊接溫度 vga線焊接方法。過蝕刻或者壓延框架不正確會導致硬度變小，并且在塑封過程中更容易受到流動所產(chǎn)生的應力的沖擊，高腳數(shù)細間距引線器件尤其要關注。流動時所產(chǎn)生的應力會使得引線偏離原來的連接方向，這就很容易在焊接到電路板上時出現(xiàn)問題。這些流動所產(chǎn)生的應力同樣會移動芯片基板，其結(jié)果就是塑封整體外形變得不對稱，會在塑封體內(nèi)部殘留一些不適當?shù)膽?。粘接芯片的芯片基?不再位于中心位置，將會縮短水分進人塑封體的路徑。此外，芯片在基板上的任何移動都會導致芯片和框架之間的金絲繃緊 ，導致金絲以及焊球上應力增

11、大。防止引線框架/芯片基板的缺陷主要有以下辦法在框架制造時嚴格控制表面拋光、邊緣拋光、殘余應力以及精細的尺寸誤差。光滑的表面將會有助于無缺陷電鍍。當把引線框架放人模具型腔成型的時候，邊緣拋光和制作材料尺寸精確在模封時對于確保框架的平整度很有 好處。熱退火工藝對于移出殘余應力是十分有利的，否則這種應力會導致內(nèi)部引線腳排列的移動。2.7、絲焊/金絲互聯(lián)缺陷PEM勺金絲焊接金絲互聯(lián)缺陷和陶瓷封裝缺陷基本上都是一樣的，焊接板上的污染源或者處理過程不完善都會導致焊接不良。在應力的直接作用下就會出現(xiàn)虛焊、剪切以及碎裂。這種焊接失效機理在塑封體器件失效中經(jīng)?？吹剑@主要是因為在塑封過程中塑封料流經(jīng)芯片表面時

12、產(chǎn)生較大的應力。 值得注意的是塑封料收縮應力以及后固化所殘留的應力都會導 致焊接失效以及電路斷路。完善的過程控制是十分重要的，可以確保焊絲在起始的時候有足夠的強度同樣，塑封料在模具中流動時對溫度、私度以及流動速率的控制也一樣重要，建議使用低應力的塑封料。電路的設計應該避免局部應力過大。金絲本身很容易出現(xiàn)的一個問題就是沖絲現(xiàn)象。沖絲就是指在上面所說的流動應力的影響下，在流動的方向上金絲所產(chǎn)生的永久變形或者位置移動。因此在模壓時應該盡可能地完善過程控制將這種應力降至最低，否則，鄰近的金絲可能相互接靠甚至造成金絲斷開。在金絲焊接時避免了金絲過長或者金絲跨度過大，就能夠降低沖絲的危險性。2.8、封裝后

13、的缺陷當塑封體固化完成以后，同樣會有一定數(shù)量的缺陷發(fā)生。相比看 vga線焊接。材料不 良或者過程缺陷都會導致印字產(chǎn)生拖尾效應。這些印字會消失或者模糊不清，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。3、與缺陷無關的失效機理和模式并不是所有的塑封器件都一定會有相應的缺陷。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衰降過程。3.1、腐蝕所有封裝好的器件都會從周圍環(huán)境中吸收一定量的潮氣，如果吸收潮氣過多，將會導致一系列的問題。如果潮氣中含有一系列的離子 ，這就會出現(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行焊絲。高

14、溫及高壓通常能夠加速這些機理的發(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。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、過大的漏電流、短路以及斷路。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：AI+4CI t 2AICI +3e2AICI +6H O t 2AI(0H) +6H 8CI對金屬共熔物的腐蝕：AuAI +6Br t Au+AI Br +6e2AI+Au t AuAIAuAI +Au t 2AuAIAuAI+Au

15、t Au Al2Au AI_Au t Au Al應該采取一些措施來防止和腐蝕有關的失效發(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10X 10 ,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要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人。引線框架同樣也容易由于受到腐蝕或者與應力有關的腐蝕造成斷裂。引線框架鍍層上的針孔、裂紋或者氣孔都可能使框架金屬與潮氣以及污染源發(fā)生腐蝕。斷裂在最后引線框架整理階段同樣也很容易出現(xiàn)

16、。對于引線腐蝕來說最容易出現(xiàn)的地方就是塑封料和引線內(nèi)部接觸界面。這些失效可以通過在電鍍以前合適的表面處理的技術，以及電鍍過程中完善的過程控制和徹底的清洗操作來避免。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(nèi)部引線表面的腐蝕發(fā)生。3.2、爆米花現(xiàn)象塑封體在焊接到電路板上時，所吸收的潮氣將會導致一系列的嚴重問題。焊接過程中所產(chǎn)生的熱量能夠?qū)е滤^爆米花現(xiàn)象。爆米花現(xiàn)象是一個術語，就是用來描述PWB旱接時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，比如說表面安裝時將器件焊接 PWB1U上時

17、所進行的回流焊，當熱量開始向外散發(fā)時塑封體內(nèi)部所吸收的潮氣開始急劇氣化并且膨脹這就會在塑封體內(nèi)部產(chǎn)生一個壓力 果塑封體內(nèi)部潮氣的數(shù)量很多 伴有可以聽見的爆米花的聲音 來冷卻收縮至正常尺寸的時候，導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 ，焊接次數(shù)和溫度足夠時，就會出現(xiàn)塑封體斷裂的現(xiàn)象 (經(jīng)常 )。斷裂既可能出現(xiàn)在塑封體膨脹時，也可能出現(xiàn)在塑封體后，見圖3及圖4。下面列出一些對爆米花現(xiàn)象影響很大的因素 ：(1) 內(nèi)部所吸收潮氣數(shù)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10Cs。事實上焊接線能量。在PWE上取出失效的器件，重新焊接新的

18、器件將會惡化這個問題，主要是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(xù)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。3.3、焊接板縮陷當焊接所產(chǎn)生的熱量傳遞到吸收過量潮氣的表面封裝器件時，就很容易出現(xiàn)焊接板縮陷的現(xiàn)象。通常在薄片加工時在焊接應力（比如超聲波焊接時所產(chǎn)生的震動）的協(xié)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(nèi)部損壞如局部氧化。當焊接所產(chǎn)生的熱量作用于塑封體時，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)生的熱應力同時作 用在焊球上，這就導致絕緣層損壞加劇，出現(xiàn)了所謂的縮陷現(xiàn)象。 這種現(xiàn)象會擴散到底部基 板上，如圖5,從而

19、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。這種塑封料應當通過 周密的配方設計，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一些技術，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(xiàn)尖端或者芯片設計時出現(xiàn)容易應力集中的尖角區(qū)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(nèi)部所吸收的潮氣。3.4、芯片斷裂在芯片切割及打晶時以及由于塑封體內(nèi)各種材料的熱膨脹系數(shù)的不匹配

20、所產(chǎn)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(xiàn)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(xiàn)為開路、短路以及漏電流過大通過使用低應力塑封料、 選擇熱膨脹系數(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。3.5、金屬化分層芯片上面的鋁鈍化層可能會由于塑封料收縮產(chǎn)生的應力而導致分層。在收縮時出現(xiàn)剪 切應力，剪切應力最大的地方出現(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

21、。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 時候就很容易產(chǎn)生過高的應力。定位以及毖片的展弦比 （即它的長度與寬度的比值）是影響芯片邊緣應力產(chǎn)生的兩個重要因素。手機數(shù)據(jù)線焊接。 比如說：當一個矩形塑封體內(nèi)使用矩形芯片時，如果芯片的長邊平行于塑封體的長邊，其所產(chǎn)生的應力遠大于芯片長邊垂直于 塑封體長邊所產(chǎn)生的應力芯片周圍的塑封體厚度不均勻也一樣會產(chǎn)生很高的應力。設計芯片基板時要充分考慮到使之和毖片尺寸匹配 ，從而可以避免不必要的應力產(chǎn) 生。優(yōu)化芯片和塑封體之間的定位，保持芯片周圍勻稱的塑封體厚度同樣有助于減少應力的 產(chǎn)生如果在芯片的表面涂上一層有彈力的硅材料 ，就可以作為應力吸收劑來吸收所產(chǎn)生的 大部分收縮應力，這樣就可以起到保護芯片表面特性的作用。4、磨損失效機理（疲勞型）熱膨