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塑料封装可靠性问题浅析发布时间:2015-02-23

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。


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。

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。

1.4、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。

1.5、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。

1.6、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。

1.7、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。

完善的过程控制是十分重要的, 可以确保焊丝在起始的时候有足够的强度同样, 塑封料在模具中流动时对温度、私度以及流动速率的控制也一样重要, 建议使用低应力的塑封料。电路的设计应该避免局部应力过大。金丝本身很容易出现的一个问题就是冲丝现象。冲丝就是指在上面所说的流动应力的影响下, 在流动的方向上金丝所产生的永久变形或者位置移动。因此在模压时应该尽可能地完善过程控制将这种应力降至最低, 否则, 邻近的金丝可能相互接靠甚至造成金丝断开。在金丝焊接时避免了金丝过长或者金丝跨度过大, 就能够降低冲丝的危险性。

1.8、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vga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一定会有相应的缺陷。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衰降过程。

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,将会导致一系列的问题。如果潮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。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。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 →2AlCl +3e
2AlCl +6H O→2Al(OH) +6H 8Cl

对金属共熔物的腐蚀:
AuAl+6Br→Au+AlBr+6e
2Al+Au→AuAl
AuAl+Au→2AuAl
AuAl+Au→AuAl
2AuAl_Au→AuAl

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10×10,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要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人。

引线框架同样也容易由于受到腐蚀或者与应力有关的腐蚀造成断裂。引线框架镀层上的针孔、裂纹或者气孔都可能使框架金属与潮气以及污染源发生腐蚀。断裂在最后引线框架整理阶段同样也很容易出现。对于引线腐蚀来说最容易出现的地方就是塑封料和引线内部接触界面。这些失效可以通过在电镀以前合适的表面处理的技术,以及电镀过程中完善的过程控制和彻底的清洗操作来避免。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一系列的严重问题。焊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爆米花的声音)。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的时候,下面列出一些对爆米花现象影响很大的因素:
(1)内部所吸收潮气数量高于0.11﹪;
(2)焊接温度高于220℃;
(3)在焊接时温升速度变化率大于10℃·s ,事实上焊接线能量。

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,主要是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到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一些技术,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、选择热膨胀系数匹配的原材料、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。

2.5、金属化分层
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候就很容易产生过高的应力。定位以及毖片的展弦比(即它的长度与宽度的比值)是影响芯片边缘应力产生的两个重要因素。手机数据线焊接。比如说:当一个矩形塑封体内使用矩形芯片时,如果芯片的长边平行于塑封体的长边,其所产生的应力远大于芯片长边垂直于塑封体长边所产生的应力芯片周围的塑封体厚度不均匀也一样会产生很高的应力。

设计芯片基板时要充分考虑到使之和毖片尺寸匹配, 从而可以避免不必要的应力产生。优化芯片和塑封体之间的定位,保持芯片周围匀称的塑封体厚度同样有助于减少应力的产生如果在芯片的表面涂上一层有弹力的硅材料,就可以作为应力吸收剂来吸收所产生的大部分收缩应力,这样就可以起到保护芯片表面特性的作用。

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(比如铝丝-铝基板)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(比如燃烧)将会恶化这个缺陷。

4、结论

总而言之,随着电子产品轻、薄、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,其可靠性问题引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。


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