電子封裝的牢靠性｜封裝缺點和生效的方式
簡介：電子機件是一度無比簡單的零碎，其封裝進程的缺點和生效也是無比簡單的。因而，鉆研封裝缺點和生效需求對于封裝進程有一度零碎性的理解，那樣能力從多個立場去綜合缺點發生的緣由。
1.
封裝缺點與生效的鉆研辦法論
封裝的生效機理能夠分成兩類：過應力和磨損。過應力生效常常是剎時的、苦難性的；磨喪失效是臨時的累積保護，常常率先示意為功能退步，接著才是機件生效。生效的負載類型又能夠分成機器、熱、電氣、輻照和化學負載等。反應封裝缺點和生效的要素是多種多樣的，
資料因素和屬性、封裝設想、條件環境和工藝參數等都會有所反應。肯定反應要素和防止封裝缺點和生效的根本大前提。反應要素能夠經過實驗或者許模仿仿真的辦法來肯定，正常多采納情理模子法和數值參數法。關于更簡單的缺點和生效機理，往往采納試差法肯定要害的反應要素，然而某個辦法需求較長的實驗工夫和設施改正，頻率低、破費高。正在綜合生效機理的進程中，
采納魚骨圖（報應圖）展現反應要素是事業通用的辦法。魚骨圖能夠注明簡單的緣由及反應要素和封裝缺點之間的聯系，也能夠辨別多種緣由并將其分類。消費使用中，有一類魚骨圖被稱為6Ms：從工具、辦法、資料、溫度、人工和做作力等六個維度綜合反應要素。這一張圖所示的是展現塑封芯片分層緣由的魚骨圖，從設想、工藝、條件和資料四個范圍停止了綜合。經過魚骨圖，明晰地展示了一切的反應要素，為生效綜合奠定了優良根底。2.
引發作效的負載類型
如上一節所述，封裝的負載類型能夠分成機器、熱、電氣、輻照和化學負載。機器負荷：囊括情理沖鋒陷陣、振動、填充顆粒正在硅芯片上強加的應力（如膨脹應力）和彈性力（如星辰飛艇的碩大減速度）等。資料對于該署負荷的呼應能夠體現為慣性形變、塑性形變、翹曲、脆性或者柔性折斷、界面分層、疲倦裂痕發生和擴大、蠕變以及蠕變開裂之類。熱負荷：囊括芯片黏結劑固化時的低溫、引線鍵合前的預加熱、成型工藝、后固化、臨近元機件的再加工、浸焊、氣相鉚接和回暖鉚接之類。內部熱負荷會使資料因熱收縮而發作分寸變遷，同聲也會改觀蠕變速率等情理屬性。如發作熱收縮系數失配（CTE失配）進而引發全部應力，并最終招致封裝構造生效。過大的熱負荷以至能夠會招致機件內易爆資料發作熄滅。電負荷：囊括驟然的電沖鋒陷陣、電壓沒有穩或者口傳播輸時驟然的振蕩（如接地沒有良）而惹起的直流電穩定、靜電尖端放電、過電應力等。該署內部電負荷能夠招致介質擊穿、電壓名義擊穿、動能的熱消耗或者電遷徙。也能夠增多電解侵蝕、樹枝狀結晶成長，惹起漏直流電、熱致退步等。化學負荷：囊括化學運用條件招致的侵蝕、氧化和離子名義枝晶成長。因為濕疹能經過塑封料浸透，因而正在濕潤條件下濕疹是反應塑封機件的次要成績。被塑封料吸引的濕疹能將塑封料中的催化劑殘留萃取進去，構成副產物進入芯片粘接的非金屬底座、半超導體資料和各族界面，誘發招致機件功能退步以至生效。相似，拆卸后殘留正在機件上的助焊劑會經過塑封料遷徙到芯片名義。正在高頻通路中，介質屬性的纖細變遷（如吸潮后的介電常數、耗散因數等的變遷）都無比要害。正在高電壓轉換器等機件中，封裝體擊穿電壓的變遷無比要害。于是，一些環氧聚酰胺和聚氨酯如若臨時裸露正在低溫高濕條件中也會惹起降解（有時也稱為“惡化”）。一般采納減速實驗來鑒定塑封料能否易發作該種生效。需求留意的是，當強加沒有同類型負荷的時分，各族生效機理能夠同聲正在塑封機件上發生交互作用。相似，熱負荷會使封裝體構造內相鄰資料間發作熱收縮系數失配，從而惹起機器生效。其余的交互作用，囊括應力輔佐侵蝕、應力侵蝕裂紋、場致非金屬遷徙、鈍化層和電介質層裂痕、干冷招致的封裝體開裂以及量度招致的化學反響減速之類。正在該署狀況下，生效機理的分析反應并沒有定然等于集體反應的總數。
3.
封裝缺點的總結
封裝缺點次要囊括引線變形、底座偏偏移、翹曲、芯片決裂、分層、空泛、沒有勻稱封裝、毛邊、國產顆粒和沒有徹底固化等。
3.1
引線變形
引線變形一般指塑封料活動進程中惹起的引線位移或者許變形，一般采納引線最大橫向位移x與引線長短L之間的比率x/L來示意。引線蜿蜒能夠會招致電料短路（尤其是正在高密度I/O機件封裝中）。有時，蜿蜒發生的應力會招致鍵合點開裂或者鍵合強度降落。反應引線鍵合的要素囊括封裝設想、引線格局、引線資料與分寸、模塑料屬性、引線鍵合工藝和封裝工藝等。反應引線蜿蜒的引線參數囊括引線直徑、引線長短、引線折斷負荷和引線密度之類。3.2
底座偏偏移
底座偏偏移指的是支持芯片的載體（芯片底座）涌現變形和偏偏移如圖所示為塑封料招致的底座偏偏移，這時，上上層模塑腔體內沒有勻稱的塑封料活動會招致底座偏偏移。反應底座偏偏移的要素囊括塑封料的活動性、引線框架的拆卸設想以及塑封料和引線框架的資料屬性。薄型小分寸封裝（TSOP）和薄型方形扁平封裝（TQFP）等封裝機件因為引線框架較薄，簡單發作底座偏偏移和引腳變形。3.3
翹曲
翹曲是指封裝機件正在立體外的蜿蜒和變形。因塑封工藝而惹起的翹曲會招致如分層和芯片開裂等一系列的牢靠性成績。
翹曲也會招致一系列的打造成績，如正在塑封球柵陣列（PBGA）機件中，翹曲會招致焊料球共面性差，使機件正在拆卸到印刷通路板的回暖焊進程中發作貼裝成績。翹曲形式囊括內凹、外凸和結合形式三種。正在半超導體公司中，有時分會把內凹稱為“笑容”，外凸稱為“哭臉”。招致翹曲的緣由次要囊括CTE失配和固化/緊縮膨脹。后者一開端并沒有遭到太多的關心，深化鉆研發覺，模塑料的化學膨脹正在IC機件的翹曲中也表演著主要角色，特別是正在芯片高低兩側薄厚沒有同的封裝機件上。正在固化和后固化的進程中，塑封料正在高固化量度下將發作化學膨脹，被稱為“熱化學膨脹”。經過進步玻璃化改變量度和升高Tg左近的熱收縮系數變遷，能夠減小固化進程中發作的化學膨脹。
招致翹曲的要素還囊括諸如塑封料因素、模塑料濕疹、封裝的多少何構造之類。經過對于塑封資料和因素、工藝參數、封裝構造和封裝前條件的把控，能夠將封裝翹曲升高到最小。正在某些狀況下，能夠經過封裝電子組件的反面來停止翹曲的彌補。相似，大陶瓷通路板或者多層板的內部聯接坐落同一側，對于他們停止反面封裝能夠減小翹曲。
3.4
芯片決裂
封裝工藝中發生的應力會招致芯片決裂。封裝工藝一般會減輕前道拆卸工藝中構成的微裂痕。晶圓或者芯片減薄、反面研磨以及芯片粘結都是能夠招致芯片裂痕萌發的方法。決裂的、機器生效的芯片沒有定然會發作電氣生效。芯片決裂能否會招致機件的霎時電氣生效還起源于裂痕的成長門路。相似，若裂痕涌現正在芯片的反面，能夠沒有會反應就任何遲鈍構造。由于硅晶圓比擬薄且脆，晶圓級封裝更簡單發作芯片決裂。因而，必需嚴厲掌握轉移成型工藝中的夾持壓力和成型轉換壓力等工藝參數，以預防芯片決裂。3D重疊封裝中因疊層工藝而簡單涌現芯片決裂。正在3D封裝中反應芯片決裂的設想要素囊括芯片疊層構造、基板薄厚、模塑容積和模套薄厚等。3.5
分層
分層或者粘結沒有牢指的是正在塑封料和其相鄰資料界面之間的結合。分層地位能夠發作正在塑封微電子機件中的任何海域；同聲也能夠發作正在封裝工藝、后封裝打造階段或者許機件運用階段。封裝工藝招致的沒有良粘接界面是惹起分層的次要要素。界面空泛、封裝時的名義凈化和固化沒有徹底都會招致粘接沒有良。其余反應要素還囊括固化和結冰時膨脹應力與翹曲。正在結冰進程中，塑封料和相鄰資料之間的CTE沒有婚配也會招致熱-機器應力，從而招致分層。3.6
空泛
封裝工藝中，卵泡嵌入環氧資料中構成了空泛，空泛能夠發作正在封裝工藝進程中的恣意階段，囊括轉移成型、填充、灌封和塑封料至于氣氛條件下的印刷。經過最小化氣氛量，如排空或者許抽真空，能夠縮小空泛。有簡報采納的真空壓力范疇為1~300Torr（一度空氣壓為760Torr）。填模擬真綜合以為，是底部熔體前沿與芯片接觸，招致了活動性遭到障礙。全體熔體前沿向下流動并經過芯片核心的大住口海域填充半模頂板。新構成的熔體前沿和吸附的熔體前沿進入半模頂板海域，從而構成腹痛。
3.7
沒有勻稱封裝
非勻稱的塑封體薄厚會招致翹曲和分層。保守的封裝技能，諸如轉移成型、壓力成型和灌注封裝技能等，沒有易發生薄厚沒有勻稱的封裝缺點。晶圓級封裝因其工藝特性，而尤其簡單招致沒有勻稱的塑封薄厚。為了確保失掉勻稱的塑封層薄厚，應流動晶圓載體使其歪斜度最小再不于刮刀裝置。于是，需求停止刮刀地位掌握以確保刮刀壓力穩固，從而失去勻稱的塑封層薄厚。正在軟化前，當填充粒子正在塑封料中的全部海域匯集并構成沒有勻稱散布時，會招致沒有同質或者沒有勻稱的資料組成。塑封料的沒有充足混合將會招致封裝灌封進程中沒有同質景象的發作。3.8
毛邊
毛邊是教正在塑封成型工藝中經過分型線并堆積正在機件引腳上的模塑料。夾持壓力有余是發生毛邊的次要緣由。假如引腳上的模料殘留沒有及時肅清，將招致拆卸階段發生各族成績。相似，正在下一度封裝階段中鍵合或者許附著沒有充足。樹脂走漏是較稠密的毛邊方式。3.9
國產顆粒
正在封裝工藝中，封裝資料若裸露正在凈化的條件、設施或者許資料中，國產粒子就會正在封裝平分秋色散并匯集正在封裝內的非金屬位置上（如IC芯片和引線鍵合點），從而招致侵蝕和其余的后續牢靠性成績。3.10
沒有徹底固化
固化工夫有余或者許固化量度偏偏低都會招致沒有徹底固化。此外，正在兩種封裝料的灌注中，混合對比的細微偏偏移都將招致沒有徹底固化。為了最大化完成封裝資料的特點，必需確保封裝資料徹底固化。正在很多封裝辦法中，答應采納后固化的辦法確保封裝資料的徹底固化。并且要留意保障封裝料對比的準確配比。4.
封裝生效的總結
正在封裝拆卸階段或者許機件運用階段，都會發作封裝生效。尤其是當封裝微電子機件拆卸到印刷通路板上時更簡單發作，該階段機件需求接受高的回暖量度，會招致塑封料界面分層或者許決裂。
4.1
分層
如上一節所述，分層是指塑封資料正在粘接界面處與相鄰的資料結合。能夠招致分層的內部負荷和應力囊括水汽、濕疹、量度以及它們的單獨作用。正在拆卸階段往往發作的一類分層被稱為水汽誘導（或者蒸汽誘導）分層，其生效機理次要是絕對于低溫下的水汽壓力。正在封裝機件被拆卸到印刷通路板上的時分，為使焊料消融量度需求到達220℃以至更高，這遠高于模塑料的玻璃化改變量度（約110~200℃）。正在回暖低溫下，塑封料與非金屬界面之間具有的水汽沸騰構成蒸氣，發生的蒸汽壓與資料間熱失配、吸濕收縮惹起的應力等要素單獨作用，最終招致界面粘接沒有牢或者分層，以至招致封裝體的決裂。無鉛焊料相比保守鉛基焊料，其回暖量度更高，更簡單發作分層成績。吸濕收縮系數（CHE），別稱濕疹收縮系數（CME）濕疹分散到封裝界面的生效機理是水汽和濕疹惹起分層的主要要素。濕疹可經過封裝體分散，或者許沿著引線框架和模塑料的界面分散。鉆研發覺，當模塑料和引線框架界面之間存正在優良粘接時，濕疹次要經過塑封體進入封裝外部。然而，當某個粘結界面因封裝工藝沒有良（如鍵合量度惹起的氧化、應力開釋沒有充足惹起的引線框架翹曲或者許適度修枝和方式應力等）而退步時，正在封裝輪廓上會構成分層和微裂痕，況且濕疹或者許水汽將易于沿這一門路分散。更蹩腳的是，濕疹會招致極性環氧黏結劑的水競爭用，從而弱化和升高界面的化學鍵合。名義干凈是完成優良粘結的要害請求。名義氧化往往招致分層的發作（如上一篇中所談到的事例），如銅合金引線框架裸露正在低溫下就往往招致分層。氮氣或者其余分解氣體的具有，有益于防止氧化。模塑料中的光滑劑和黏著力推進劑會推進分層。光滑劑能夠協助模塑料與楦子型腔結合，但會增多界面分層的危險。另一范圍，黏著力推進劑能夠確保模塑料和芯片界面之間的優良粘結，但卻難以從楦子型腔內肅清。分層沒有只為水汽分散需要了門路，也是樹脂裂痕的源流。分層界面是裂痕萌發的地位，當接受交大內部負荷的時分，裂痕會經過樹脂擴大。鉆研標明，發作正在芯片底座天空和樹脂之間的分層最簡單惹起樹脂裂痕，其它地位涌現的界面分層對于樹脂裂痕的反應較小。4.2
氣相誘導裂痕（玉米花景象）
水汽誘導分層進一步停滯會招致氣相誘導裂痕。當封裝體內水汽經過裂痕逃逸時會發生爆炸聲，和玉米花的聲響無比像，因而又被稱為玉米花景象。裂痕往往從芯片底座向塑扉頁面擴大。正在鉚接后的通路板中，外觀審查難以發覺該署裂痕。QFP和TQFP等大而薄的塑封方式最簡單發生玉米花景象；于是也簡單發作正在芯片底座面積與機件面積之比擬大、芯片底座面積與最小塑封料薄厚之比擬大的的機件中。玉米花景象能夠會隨同其余成績，囊括鍵合球從鍵合盤上折斷以及鍵合球上面的硅凹坑等。塑封機件內的裂痕一般來源于引線框架上的應力集合區（如旁邊和毛邊），況且正在最薄塑封海域內擴大。毛邊是引線框架名義正在沖壓工藝中發生的小分寸變形，改觀沖壓位置使毛邊坐落引線框架頂板，或者許刻蝕引線框架（模壓）都能夠縮小裂痕。縮小塑封機件內的濕疹是升高玉米花景象的要害。常采納低溫烘烤的辦法縮小塑封機件內的濕疹。后人鉆研發覺，封裝內答應的保險濕疹含量約為1100×10^-6（0.11
wt.%)。正在125℃下烘烤24h，能夠充足去除封裝內吸引的濕疹。4.3
脆性折斷
脆性折斷時常發作正在低屈從強度和非慣性資料中（如硅芯片）。到資料遭到過應力作用時，驟然的、苦難性的裂痕擴大會來源于如空泛、攙雜物或者沒有陸續等巨大缺點。4.4
韌性折斷
塑封資料簡單發作脆性和韌性兩種折斷形式，次要起源于條件和資料要素，囊括量度、集合樹脂的黏塑特點和填充負荷。即便正在含有脆性硅骨料的高加載塑封資料中，因集合樹脂的黏塑特點，依然能夠發作韌性折斷。4.5
疲倦折斷
塑封料遭遭到極限強度范疇內的周期性應力作用時，會因累積的疲倦折斷而折斷。強加到塑封資料上的濕、熱、機器或者分析負荷，都會發生重復應力。疲倦生效是一種磨喪失效機理，裂痕正常會正在連續點或者缺點地位萌發。疲倦折斷機理囊括三個階段：裂紋萌發（階段Ⅰ）；穩固的裂痕擴大（階段Ⅱ）；爆發的、沒有肯定的、苦難性生效（階段Ⅲ）。正在周期性應力下，階段Ⅱ的疲倦裂痕擴大指的是裂痕長短的穩固增加。塑封資料的裂紋擴大速率要遠高于非金屬資料疲倦裂痕擴大的垂范值（約3倍）。5.
減速生效的要素
條件和資料的負荷和應力，如濕疹、量度和凈化物，會減速塑封機件的生效。塑封工藝正正在封裝生效中起到了要害作用，如濕疹分散系數、飽滿濕疹含量、離子分散速率、熱收縮系數和塑封資料的吸濕收縮系數等特點會極大地反應生效速率。招致生效減速的要素次要有水分、量度、凈化物和溶劑性條件、剩余應力、做作條件應力、打造和拆卸負荷以及分析負荷應力環境。水分 能減速塑封微電子機件的分層、裂痕和侵蝕生效。正在塑封機件中，
水分是一度主要的生效減速因數。與水分招致生效減速相關的機理囊括粘結面退步、吸濕收縮應力、水汽壓力、離子遷徙以及塑封料特點改觀之類。水分可以改觀塑封料的玻璃化改變量度Tg、慣性模量和容積電阻率等特點。量度 是另一度要害的生效減速因數，一般應用與模塑料的玻璃化改變量度、各族資料的熱收縮洗漱以及由此惹起的熱-機器應力有關的量度頭銜來評價量度對于封裝生效的反應。量度對于封裝生效的另一度反應要素體現正在會改觀與量度有關的封裝資料屬性、濕疹分散系數和非金屬間分散等生效。凈化物和溶劑性條件 凈化物為生效的萌發和擴大需要了場合，凈化源次要有空氣凈化物、濕疹、助焊劑殘留、塑封料中的沒有干凈事例、熱退步發生的侵蝕性元素以及芯片黏結劑單排出的副產物（一般為環氧）。塑料封裝體正常沒有會被侵蝕，然而濕疹和凈化物會正在塑封料平分秋色散并到達非金屬位置，惹起塑封機件內非金屬全體的侵蝕。剩余應力 芯片粘結會發生單于應力。應力程度的大小，次要起源于芯片粘接層的特點。因為模塑料的膨脹大于其余封裝資料，
因而模塑成型時發生的應力是相等大的。能夠采納應力測試芯片來內定拆卸應力。做作條件應力 正在做作條件下，塑封料能夠會發作降解。降解的特性是集合鍵的折斷，往往是液體集合物改變成蘊含單體、二聚體和其余低成員量品種的黏性固體。降低的量度和密閉的條件往往會減速降解。日光中的紫內線和空氣領導層是降解的強無力催化劑，可經過切斷環氧樹脂的成員鏈招致降解。將塑封機件與易誘發降解的條件隔離、采納存正在抗降解威力的集合物都是預防降解的辦法。需求正在干冷條件雇用務的貨物請求采納抗降解集合物。打造和拆卸負荷 打造和拆卸環境都有能夠招致封裝生效，囊括低溫、高溫、量度變遷、操作負荷以及因塑封料活動而正在鍵合引線和芯片底座上強加的負荷。停止塑封機件拆卸時涌現的玉米花景象就是一度垂范的事例。分析負荷應力環境 正在打造、拆卸或者許操作的進程中，諸如量度和濕疹等生效減速因數往往是同聲具有的。分析負荷和應力環境往往會進一步減速生效。這一特性常被使用于以缺點元件挑選和易生效封裝機件甄別為手段的減速實驗設想。
