塑料封装可靠性问题浅析

塑料封装可靠性问题浅析

1、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。缺陷的产生主要是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, 比如PEM在空气中吸潮, 所吸收的潮气将会导致很多的问题出现, 包含在这一类失效中的就是所谓的磨损型失效机理。这些类型的失效在后面将会进行详细的论述。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。

2、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。

2.1、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一致比如说, 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伸和剪切应力, 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、短路以及间歇性断路问题出现。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厚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, 这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。

2.2、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。

2.3、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, 比如不合适的材料制备以及固化等。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压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。

2.4、封装缺陷

一般来说封装缺陷包括气孔、分层、芯片基板移动以及冲丝。芯片焊接温度。此外塑

封料本身也包含了一些杂质, 最关键的就是离子杂质和潮气以及能够形成腐蚀机理的化合物。

气孔是塑封结构中一个严重的问题。产生气孔的因素很多, 如封装压力的不足、塑封

料在进料口提前固化以及套筒中空气残留都会导致不完全充填或者是遍布塑封体的气孔。气孔为潮气和污染源的聚集提供了空间, 也降低了塑封体的热、电和机械性能。接近芯片及芯片基板位置的气孔会引起更严重的问题, 靠近芯片的气孔会影响芯片的散热性能, 这样就

会出现局部热量集中, 将会降低材料的电性能；接近芯片基板的气孔会让潮气很容易腐蚀毫无防护的铝布线。遍布于塑封体内部的众多小气孔将会增加塑封体的多孔性, 很容易导致由于吸潮而产生的各种失效。

随着半导体器件体积变得越来越小且越来越薄, 气孔就成为影响可靠性的最主要因

素。随着封装尺寸的收缩, 塑封体和芯片的尺寸比率变得越来越小, 这样如果气孔存在的话, 就会增加气孔处于重要区域的机率, 其后果就是增加了失效几率。界面粘接性差分层是另外一个比较严重的缺陷。分层产生的原因主要是引线框架的污染或者引线框架在焊接的时候由于温度过高而发生了氧化反应。它同样也可能是由于引线框架的应力释放或者添加过多的润滑剂而产生, 比如塑封料中的脱模成分。分层是潮气进入的一个主要起因, 并且会导致早期的塑封体失效。分层的发生位置主要是顺着引线方向以及芯片的表面, 沿着芯片的边缘到达塑封体边缘。芯片分层之所以引起关注, 主要是因为分层在芯片的边缘引起应力集中, 并且对芯片的特性造成损害。分层会导致一系列的失效模式, 包括塑封体断裂、腐蚀、金属化分层、焊球移动以及金丝断裂。这将会导致电性能失效、短路以及断路。

表面清洁是保证良好粘接性的一个基本要求。因此在制成的时候要注意避免引人杂质。此外, 应该避免过高的焊接温度并且在进行焊接操作时应当引人惰性气体加以保护, 这样

就能避免引线框架的氧化。同样塑封料中的粘接促进剂也对粘接有益。特殊的设计对引线框架和塑封料的粘接也起到了很重要的作用,包括定位带、定位孔以及表面纹理和表面凹坑等。

2.5、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。它同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。vga线焊接。

2.6、引线框架/芯片基板缺陷

引线框架及芯片基板缺陷包括过蚀刻、压模缺陷、毛边、引线错位、引线断裂以及电镀时表面针孔。引线框架蚀刻过度或者在冲压时不平整, 会降低框架的强度, 在模压时容易出现一系列问题。过蚀刻产生的原因主要是磨损和掩模不重合,这对于细节距的引线框架来说是一个很严重的问题。因为为了保护引线通过的区域并且由于引线展弦比接近于1,通常引线框架都设计得非常薄。如果切割工具磨损,引线框架通常在加工以后会出现毛边现象,这就会引起塑封材料的分层并导致应力集中引起塑封体断裂。电镀膜上的针孔会导致焊接时出现浸润问题或引起框架腐蚀现象。对于芯片焊接温度vga线焊接方法。过蚀刻或者压延框架不正确会导致硬度变小,并且在塑封过程中更容易受到流动所产生的应力的冲击,高脚数细间距引线器件尤其要关注。流动时所产生的应力会使得引线偏离原来的连接方向,这就很容易在焊接到电路板上时出现问题。这些流动所产生的应力同样会移动芯片基板,其结果就是塑封整体外形变得不对称,会在塑封体内部残留一些不适当的应力。粘接芯片的芯片基板不再位于中心位置,将会缩短水分进人塑封体的路径。此外,芯片在基板上的任何移动都会导致芯片和框架之间的金丝绷紧, 导致金丝以及焊球上应力增大。

防止引线框架/芯片基板的缺陷主要有以下办法在框架制造时严格控制表面抛光、边缘抛光、残余应力以及精细的尺寸误差。光滑的表面将会有助于无缺陷电镀。当把引线框架放人模具型腔成型的时候,边缘抛光和制作材料尺寸精确在模封时对于确保框架的平整度很有好处。热退火工艺对于移出残余应力是十分有利的, 否则这种应力会导致内部引线脚排列的移动。

2.7、丝焊/金丝互联缺陷

PEM的金丝焊接金丝互联缺陷和陶瓷封装缺陷基本上都是一样的, 焊接板上的污染源或者处理过程不完善都会导致焊接不良。在应力的直接作用下就会出现虚焊、剪切以及碎裂。这种焊接失效机理在塑封体器件失效中经常看到, 这主要是因为在塑封过程中塑封料流经芯片表面时产生较大的应力。值得注意的是塑封料收缩应力以及后固化所残留的应力都会导致焊接失效以及电路断路。