塑料封装可靠性问题浅析
摘 要：
塑料封装器件在现在的封装产业中具有无可比拟的优势,诸如成本、可靠性、尺寸以及重量等.但是还是有相当一部分人对于塑封器件的可靠性持怀疑态度.文章的目的就是使读者能够更深入地了解到塑封器件的可靠性,尤其是在塑封器件应用于高可靠性的要求时,这个问题显得至关重要.文章总结了现阶段对可靠性问题研究的成果与进度,并且在生产、测试以及应用储存等方面提供了一定的思路。
关键词: 塑封器件; 可靠性; 失效原理; 环氧模塑料;
引言
塑料封装器件很容易由于多种原因而导致早期失效:这些缺陷产生的根源很多，他们能够导致在塑封体各个部位产生一系列的失效模式和失效机理。缺陷的产生主要足由于原材料的不匹配、设计存在缺陷或者不完善的制造工艺。塑料封装器件同样也存在着非缺陷机理性失效。同时也将讨论避免产生缺陷的各种方法以及生产过程的优化和完善的设计。这些都是为了保证最后成品的质量和可靠性。
1 塑料封装器件的缺陷及其预防
有些缺陷很自然地归类于热机性能造成的而其他的缺陷通常和一些特殊的制成有关系，比如芯片的制造、芯片的粘接、塑封、芯片的钝化、引线框架芯片基板的制造、焊丝或者后道成品包装。这些都将在下面的讨论中看到， 同时其中的某 些缺陷在分类上还是相互交叉的。
1.1、热机缺陷
某些缺陷能够导致失效，而这些缺陷 都与热以及微观物质的移动有密切关系产生的主要原因就是环氧塑封料和不同接触界面材料的线膨胀系数不-致比如说当EMC固化时，热收缩应力也随之产生这些应力将会导致巨大的拉伴和剪功应力作用于直接接触的芯片表面特别是在邑片的角部应力将会成几何级数增长，很容易导致芯片薄膜钝化层或者芯片焊接材料以及，芯片本 身的破裂。这些应力同样也容 易导致EMC和芯片/芯片基板/引线框架之间出现分层断裂以及分层将会导致电路断开、短路以及问歇性断路问题出现。同样它们;也为潮气和污染源更容易进人塑封体内部提供了通路。这些类型的缺陷可以通过以下措施来避免:在选择塑封料、引线框架、芯片焊接剂以及芯片钝化层的原材料时所有材料的线膨胀系数必须尽可能地相互匹配;芯片上部和下部塑封料的序度应该尽可能地接近;尽量避免在设计和排版过程中出现边缘尖端以及尖角样可以防止出现应力集中，从而避免断裂的出现;最后，提倡使用低应力塑封料以及低应力芯片焊接剂，可以最大限度防止在封装的过程中出现多余应力。
1.2芯片缺陷
芯片缺陷通常都是和半导体圆片制造以及塑料封装器件特有的缺陷(比如在应力作用下所产生的金属化分层以及钝化层破裂现象) 有关系的。这里不再详细描述所有缺陷，仅限于讨论对塑封体结构关系非常密切的缺陷以及塑封体独有的缺陷。
1.3芯片粘接缺陷
出现在气密性封装的缺陷同样也会出现在塑料封装器件中，芯片和基板的粘接性能差在芯片焊接剂中去侣现气孔以及不完全充填等。这些缺陷通常都是因过程控制较差导致的，比如不台适的材料韦备以及固化等。它们会导致不均匀的热分配(局部过热) ,从而形成芯片分层或者芯片断裂。由于过热产生的应力或者内部开路会导致突变失效。此外，气孔很可能为潮气以及污染源提供通路。同样也存在着和塑封体独特的芯片粘接材料有关的缺陷。如果原材料的热膨胀系数和芯片、芯片基板以及塑封体的热膨胀系数严重不匹配这样过余的应力在模玉操作时就作用于芯片。此外，一些聚合 物芯片粘接剂在高湿环境下吸收了相当数量的潮气，这将会导致塑封体断裂现象的出现。
1.4钝化层缺陷
一般的钝化层缺陷，比如断裂、多孔以及粘接性差，使得塑封体更容易失效。塑封料的收缩应力大于钝化层的强度时就会出现钝化层断裂。在双层镀金属系统上面的钝化层更容易破裂，这是因为其几何外形和高度会导致更大的收缩应力。钝化层破裂将会导致开路、间断或者较高的漏电流。它司样和焊球的虚焊及剪切应力有关，这是因为剪切应力集中在芯片的边缘，会导致接近钝化层破裂区域的焊球对芯片造成损伤。低应力塑封料的使用以及在芯片钝化层表面使用了弹性硅橡胶这些措施都极大地降低作用于芯片钝化层的应力。同样，在芯片排版设计中，一定要牢记尖角及边缘是应力集中的区域，因此在这些地方应该避免设计活性的电路。
1.5封装后的缺陷
当塑封体固化完成以后，同样会有-一定数量的缺陷发生。相比看yga线焊接。材料不良或者过程缺陷都会导致印字产生拖尾效应。这些印字会消失或者模糊不清，从而造成产品制造商、器件号码、生产日期等的不可追溯。
2与缺陷无关的失效机理和模式
并不是所有的塑封器件都-定会有相应的缺陷。缺陷或者设计不良都起着很敏感的作用，而其他因素也一起加剧了诸如腐蚀这样的自然哀降过程。
2.1腐蚀
所有封装好的器件都会从周围环境中吸收一定量的潮气如果吸收潮气过多，将会导 致-系列的问题。如果湖气中含有一系列的离子，这就会出现芯片的金属化腐蚀现象。金属化腐蚀通常出现在焊球附近，这些焊球通常都是裸露的以便进行焊丝。。焊球的腐蚀可能不会直接导致失效，但是会导致接触电阻的增大，这很容易使得器件变得没有任何功能。腐蚀的基本原理如下:
对铝布线的腐蚀
Al+4Cl→ 2AICI +3e
2AICI +6HO→2A(OH) +6H 8Cl
对金属共熔物的腐蚀
AuAl+6Br→ Au+AI Br +6e
2Al+Au- > AuAl
AuAI +Au→2AuAI
高温及高压通常能够加速这些机理的发生,由于潮气和离子的存在使得金丝间的内部连接同样容易受到腐蚀杂质水解后产生的一些离子能够和焊球中的金铝共熔相中的铝发生反应。焊丝和芯片的金属化腐蚀失效模式包括电性能参数移动、过大的漏电流、短路以及断路。应该采取一些措施来防止和腐蚀有关的失效发生,这些措施包括选择的塑封材料可水解离子含量要少于10x10,寻找更适合的阻燃剂来取代嗅类阻燃剂在设计塑封料配方时耍考虑使用离子捕捉剂来捕捉塑封料中的离子而且也要充分考虑到塑封材料和引线框架之间的粘接性能以阻止潮气人侵用抗湿涂料比如硅树脂来密封焊球(这个过程应该在焊接以后封装以前进行),并且在划片时应该严格控制磷的进入。此外,引线和塑封料之间粘接力的增强也是十分重要的,可以防止污染源进人,并且可以防止内部引线表面的腐蚀发生。
2.2爆米花现象
塑封体在焊接到电路板上时， 所吸收的潮气将会导致系列的严重问题。悍接过程中所产生的热量能够导致所谓爆米花现象。爆米花现象是一个术语，就是用来描述PWB焊接时由于器件吸收过多潮气所产生的塑封体开裂现象。这种现象一般都出现在塑封体暴露于高温中或者塑封体所经受的温度急剧升高，比如说表面安装时将器件焊接PWB到上时所进行的回流焊，当热量开始向外散发时，塑 封体内部所吸收的潮气开始急剧气化并且膨胀这就会在塑封体内部产生一个压力，导致塑封体和引线框架的分层慢慢出现塑封体弯曲现象。如果塑封体内部潮气的数量很多焊接次数和温度足够时，就 会出现塑封体断裂的现象(经常伴有可以听见的燥米花的声音)。断裂既可能出现在塑封体膨胀时，也可能出现在塑封体后来冷却收缩至正常尺寸，下面列出一些对爆米花现象影响很大的因素
- (1)内部所吸收湖气数量高于0.11 %;
- (2)焊接温度高于220’C;
- (3)在焊接时温升速度变化率大于10*C s。
在PWB上取出失效的器件， 重新焊接新的器件将会恶化这个问题，主要足因为相邻的元件受到了附加的热应力或者热机应力这将会导致先前潜在的断裂得以继续进行。这同样也会导致电路开路，增加接触电阻以及金丝断裂。
2.3焊接板缩陷
当焊接所产生的热量传递至吸收过量潮气的表面封装器件时，就很容易出现焊接板缩陷的现象。通常在薄片加工时在焊接应力(比如超声波焊接时所产生的震动)的协同作用下这些硅球可能会导致在铝钝化层下面绝缘层的内部损坏如局部氧化。当焊接所产生的热量作用于塑封体时，吸收的潮气气化成气体。其所产生的压力以及塑封料所产生的热应力同时作用在焊球上，这就导致绝缘层损坏加剧，出现了所谓的缩陷现象。这种现象会扩散到底部基板上，从而造成焊球脱离基板，出现电路断开的现象?通过选择合适的塑封料可以避免爆米花以及焊板缩陷现象发生。
这种塑封料应当通过周密的配方设计，具有优异的防水性能以及粘接性能。同样也可以采用其他-些技术比如:修改引线框架的设计(比如表面花纹增多)来提高和塑封料的粘接性能:使用低吸湿的芯片焊接材料;控制芯片基板的尺寸以及塑封料在基板上下的厚度; 要避免基板设计时出现尖端或者芯片设计时出现容易应力集中的尖角区域,再加工或者回流焊时要控制最高焊接温度，运输过程中使用干燥剂以及在焊接之前预先进行烘烤这样就可以释放出内部所吸收的潮气。
2.4芯片断裂
在芯片切割及打晶时以及由于塑封体内各种材料的热膨胀系数的不匹配所产生的应力容易造成芯片断裂。在芯片 粘接的时候，粘接材料中出现气孔或者施加 了过多的机械应力同样也会导致邑片破裂。失效主要表现为开路、短路以及漏电流过大通过使用低应力塑封料、选择热膨张系数匹配的原材料、减少粘接材料的厚度、消除粘接材料的内部气孔以及保持塑封料在芯片!基板周围足够的厚度就可以避免在后道生产过程中产生芯片断裂现象:屈化分层芯片上面的铝钝化层可能会由于塑封料收缩产生的应力而导致分层。
在收缩时出现剪切应力，剪切应力最大的地方出现在芯片的边缘因此，芯片的边缘也是钝化最可能出现分层的地方。塑封体和芯片表面之间的粘接性差会使得塑封体沿着毖片表面移动这也增加了钝化分层的几率。有些因素会提高剪切应力。通常来说，芯片周围的基板剩余空间比较大的时侯就很容易产生过高的应力。定位以及毖片的展弦比是影响芯片边缘应力产生的两个重要因素。
3磨损失效机理(疲劳型)
热膨胀系数的不匹配，再加上更宽范围的温度循环，会导致应力来回作用在塑封体的表面，最终导致老化失效的产生以及塑封体变脆很可能出现断裂，并且为潮气以及污染源提供了进人塑封体的通道。前面已经谈论过和潮气以及污染源有关的失效模式。PEM的使用者必须很熟悉塑封材料的热限并且必须确保其所要使用的热膨胀应力不会超过塑封体的承受范围。
在焊丝的区域PEM同样 也会遭受到有害的金-铝的共融现象。在气密性封装中单一的金属超声波焊接的金属化系统可以用来防止此类现象的发生这在过去的20多年里被大家发现并且接受。但是在塑料封装器件中金丝一般都是使用热熔融球的方法焊接到铝板上的，这主 要是因为这种方法能够适用于不同的基板排版而且产量也很高。因此PEM的使用者必须要知道这种潜在的金属共熔问题。过量的共熔现象发生会导致气孔以及过早的焊接破坏。制造商应 该在生产过程中严格控制生产工艺，避免杂质的进人以及过高的温度。如果在生产过程中存在过多的金属共熔现象那么延长升温时间将会恶化这个缺陷。
4 结论
总而言之，随着电子产品轻、港短、小趋势的发展，半导体制程技术飞快地进展，迫使IC构装技术必须不断提升，朝向更先进技术发展。但是封装的缺陷是影响塑封器件性能及应用的主要因素。随着塑料封装器件在现在的电子封装中所占的比重增加,其可靠性问题弓起制造商以及使用者关注的程度越来越高。
本文只是简单地叙述了塑料封装器件缺陷产生的机理以及外在表现形式，为器件制造商以及终端产品提供一定的参考随着电子塑料封装的迅猛发展，了解缺陷的产生机理以便能够采取相应以及必要的措施来防止这些缺陷的发生，具有十分重要的意义。
参考文献：
[1] 塑封微电子器件失效机理研究进展 李新，周毅，孙承松-《半导体技术》
[2] 塑封集成电路分层的研究 刘培生，卢颖，王金兰 - 《电子元件与材料》
[3] 试论环氧塑封料性能与器件封装缺陷 杨光敏 - 《科技风》