表面貼裝聲表器件封裝失效及其分析

楊建玲，馬 杰，金 梅，高 寧

（中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 210016）

1 引言

聲表面波是一種沿物體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?。聲表面波技術(shù)是20世紀(jì)60年代末期發(fā)展起來的一門新興科學(xué)技術(shù)，是聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合的一門邊緣學(xué)科。由于聲表面波器件具有小型化、高可靠性、多功能、一致性好以及設(shè)計靈活等優(yōu)點，所以在通信、廣播電視系統(tǒng)、無線遙控、雷達(dá)、空中交通管制、導(dǎo)航與敵我識別、電子戰(zhàn)、微波中繼等多個領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件的小型化、集成化的要求越來越高，聲表面波器件的封裝技術(shù)也得到了飛速的發(fā)展，從有引腳插裝型（圖1所示為采用全密封TO型金屬有引腳的封裝結(jié)構(gòu)）發(fā)展為片式無引腳貼裝型（圖2所示為5mm×5mm表面貼裝無引腿的封裝結(jié)構(gòu)），其封裝尺寸越來越小，元器件的體積和重量也越來越輕，因而對聲表面波器件封裝過程的要求也越來越高。為實現(xiàn)批量生產(chǎn)，獲得高可靠性的封裝產(chǎn)品，封裝的自動化要求也越來越高。

圖1 TO型金屬有引腳的封裝器件

圖2 5mm×5mm表面貼裝的封裝器件

本文主要介紹了本單位表面貼裝聲表面波器件的封裝過程，并分析了封裝過程中可能造成的器件前期失效模式，給出相應(yīng)的控制措施以實現(xiàn)產(chǎn)品的高品質(zhì)。

2 表面貼裝聲表面波器件的封裝過程

本單位表面貼裝聲表面波器件的封裝過程主要由以下幾道工序組成：劃片、裝架、引線鍵合、平行封焊。

劃片工序是將制作在一片基片材料上的幾百至上千個芯片切割開來。

裝架工序是將切割分離的各個芯片裝入到片式無引腳封裝載體內(nèi)，芯片與封裝載體之間采用有機(jī)硅膠予以粘接。

引線鍵合是將芯片電極與封裝載體內(nèi)電極實施互連。引線鍵合又可以分為熱壓焊、超聲焊和熱壓超聲焊三種。我們采用的是超聲焊，使用的是摻有少量硅的鋁絲。

平行封焊是將鍵合合格的封裝載體蓋上蓋板后予以氣密性的封焊。平行封焊屬于電阻焊，在封焊時，電極在移動的同時轉(zhuǎn)動（通過電極輪），在一定的壓力下電極之間斷續(xù)通電，使其蓋板與封裝載體焊框之間局部形成熔融狀態(tài)，凝固后形成焊點，從它的封焊軌跡看像一條縫，所以也稱為“縫焊”。

3 表面貼裝聲表器件封裝失效及其分析

3.1 基本概念

正常工作的電子元器件經(jīng)過一定時間使用后喪失規(guī)定的功能稱為失效。從質(zhì)量管理和可靠性工程角度可按產(chǎn)品使用過程對失效進(jìn)行分類。圖3所示的失效率曲線通常稱浴盆曲線，它表明了失效率隨使用時間的變化大致可以分為早期失效期、偶然失效期和損耗失效期。早期失效率高的主要原因是產(chǎn)品設(shè)計與制造中的缺陷；晚期失效率高的主要原因是產(chǎn)品部件經(jīng)長期使用后由于老化、疲勞、磨損、腐蝕等進(jìn)入失效期。早期失效可以通過加強(qiáng)質(zhì)量管理體系及采用環(huán)境應(yīng)力篩選等辦法來減少。

失效模式是指電子元器件失效的形式和現(xiàn)象，例如開路、短路、無功能、參數(shù)漂移等。失效模式只表示電子元器件是怎樣失效的，不涉及電子元器件為什么會失效。

失效機(jī)理是電子元器件失效的實質(zhì)原因，是指引起電子元器件失效的物理、化學(xué)過程。

失效分析是指通過對電子元器件的失效現(xiàn)象的系統(tǒng)研究，鑒別失效模式，確定失效機(jī)理，尋求解決途徑的全過程。失效分析是電子元器件工作中的一項重要內(nèi)容。

3.2 失效及其分析

在這里主要針對封裝過程中可能造成的早期失效予以分析和研究。聲表面波器件普遍存在的失效模式有開路、短路、參數(shù)漂移、器件電阻率超標(biāo)、器件性能變差等，其中開路、短路所占比例在80%左右。

3.2.1 開路

開路失效是聲表面波器件早期失效的主要失效模式之一。在封裝過程中其主要失效機(jī)理是芯片與管殼間的互連斷開了，也就是引線鍵合工序存在問題。

鍵合工序是聲表面波器件封裝過程中的關(guān)鍵工序。聲表面波器件的壓電基片表面以鋁為主，而鋁絲超聲焊工藝具有不需加熱、Al2Al 系統(tǒng)不易受腐蝕、可保證相當(dāng)好的可靠性及最低成本等優(yōu)點，因此鋁絲超聲焊工藝是聲表面波器件最主要的鍵合技術(shù)。鋁絲超聲焊工藝的缺點是對芯片、封裝載體等的平整度要求很高，否則不僅使焊接的接觸熱阻增大，而且會損傷芯片，嚴(yán)重時使芯片碎裂；同時要保證施加合適的壓力，壓力過大會損傷芯片。引線鍵合的質(zhì)量好壞往往通過破壞性實驗判定，通常使用鍵合拉力測試（BPT）、鍵合剪切力測試（BST）。影響B(tài)PT結(jié)果的因素除了工藝參數(shù)以外，還有引線參數(shù)（材質(zhì)、直徑、強(qiáng)度和剛度）、吊鉤位置、弧線高度等。因此除了確認(rèn)BPT的拉力值外，還需確認(rèn)引線斷裂的位置。主要有五個位置：（a）第一鍵合點的界面；（b）第一鍵合點的根切部；（c）引線拱弧中間；（d）第二鍵合點的根切部；（e）第二鍵合點的界面。如圖4所示。

圖4 引線斷裂的位置圖

在鍵合過程中，也許鍵合拉力測試結(jié)果符合要求，但引線斷裂的位置在（a）、（e）處（即鍵合焊點撥脫芯片面），那么該器件在使用中在（a）、（e）焊點處仍有可能存在開路失效的問題。比如，由于引線鍵合超聲作用不夠，在焊點處金屬原子融合不充分，（a）、（e）鍵合焊點實際是處在虛焊的狀態(tài)；或引線鍵合時超聲功率過高，在（a）、（e）處的鍵合焊點下形成空洞。因此，在生產(chǎn)控制過程中，如果實施鍵合拉力測試（BPT）時發(fā)現(xiàn)引線斷裂的位置多在（a）、（e）處，那么就有必要對超聲的各項參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以盡量確保鍵合焊點的牢固。

另外，鋁絲因其固有的抗彎曲性能差以及設(shè)備的設(shè)置可能不當(dāng)，鍵合參數(shù)、焊頭移動形式、鋁絲和劈刀的選擇等方面的原因，導(dǎo)致引線的根切部（b）、（d）處比較脆弱，以至于在使用過程中引線的根切部斷裂也可能造成器件的開路失效。鋁絲鍵合工藝的根切問題成為鋁絲鍵合與生俱來的缺陷，也使其成為器件高可靠性要求的一大障礙。解決該問題成為所有使用鋁絲鍵合工藝的微電子器件生產(chǎn)廠商面臨的最主要課題。

此外，鍵合過程中引線的弧線高度也可能造成器件的開路失效。圖5為一開路失效現(xiàn)象實例。鍵合引線將鍵合區(qū)內(nèi)的芯片鋁層局部撥脫，從而造成該器件的開路。在分析該現(xiàn)象的過程中，我們發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象并不是一開始就出現(xiàn)的。所有數(shù)據(jù)表明，在鍵合過程中，鍵合拉力測試結(jié)果符合要求，引線在b、d處斷裂，鍵合后鏡檢未發(fā)現(xiàn)任何此類現(xiàn)象。鍵合的功率、壓力和時間等參數(shù)應(yīng)該沒有問題。那么是什么原因造成該現(xiàn)象呢？連續(xù)分析多個同類現(xiàn)象的器件，我們發(fā)現(xiàn)該引線處存在引線特短、引線弧線高度明顯不夠的情況。原來引線是緊繃的，在后期使用中，由于熱脹冷縮的原因，導(dǎo)致緊繃的引線將鍵合點處芯片鋁層局部撥脫。后來，在改變引線長度和拱絲高度后，該器件再未發(fā)生同類現(xiàn)象。

圖5 一開路失效現(xiàn)象

可見，作為造成開路失效的主要工序，鍵合工序的控制應(yīng)該把握以下幾個方面：

（1）設(shè)備、劈刀、鋁絲的合理選擇；

（2）超聲功率、時間和鍵合壓力的調(diào)整；

（3）合理的弧線高度；

（4）符合要求的BPT值。

3.2.2 短路

短路失效也是聲表面波器件早期失效的主要失效模式之一。其主要失效機(jī)理是芯片的叉指狀換能器（IDT）指條短接。如圖6所示。

在封裝過程中造成指條短接的主要原因是封裝過程中對芯片叉指狀換能器（IDT）的意外損傷以及封裝過程中在器件腔體內(nèi)產(chǎn)生的異物。意外損傷可以在生產(chǎn)過程中通過鏡檢予以控制或剔除，而異物處理卻是比較難以控制的方面。各道工序有可能在芯片表面帶來異物，如環(huán)境塵埃，劃片時產(chǎn)生的粉末雜質(zhì)，裝架時帶來的碎屑顆粒，引線鍵合時引線上脫落的細(xì)小毛刺，平行封焊時蓋板上的塵埃脫落等。這些異物不容易通過鏡檢識別出來，特別是平行封焊工序，該工序完成后，器件封裝已然完成，已不可能實施鏡檢識別。

圖7為一芯片上異物造成短路的實例。圖中造成指條短接的是一個圓圓的金屬焊球。

圖7 芯片異物造成短路實例

這個金屬焊球是怎么出現(xiàn)的呢？原來這是在平行封焊過程中產(chǎn)生的金屬飛濺物。因平行封焊實質(zhì)上是電阻焊，在焊接過程中其電阻集中在電極與蓋板接觸處，這樣脈沖電流通過時，產(chǎn)生的熱量就集中在電極接觸處，使接觸處蓋板與焊框熔融而結(jié)合在一起。當(dāng)電極與蓋板接觸時，如果因為蓋板尺寸或位置有偏差，或是封裝載體的焊框面窄，那么蓋板與封裝載體的焊框接觸面積變小，則瞬間電流過大，在此處就可能產(chǎn)生火花，從而產(chǎn)生金屬飛濺物。產(chǎn)生在載體腔內(nèi)的金屬飛濺物移動即可造成器件短路。一般平行封焊的蓋板尺寸應(yīng)比封裝載體的焊框尺寸小0.05mm～0.2mm，且確定尺寸后同一批蓋板產(chǎn)品公差應(yīng)在±0.03mm之內(nèi)，否則平行封焊過程中的成品率會出現(xiàn)較大波動，甚至使生產(chǎn)無法正常進(jìn)行。

因此，針對封裝過程中在器件腔體內(nèi)產(chǎn)生異物造成的短路問題，我們采取以下措施：

（1）嚴(yán)格原材料的檢驗；

（2）嚴(yán)格各工序的檢驗；

（3）在封焊之前用氮氣吹拭以除去可移動異物；

（4）選擇適合封裝載體使用的蓋板，確定好封焊設(shè)備的各項參數(shù)后實施平行封焊。

3.2.3 其他失效模式

聲表面波器件的其他失效模式有參數(shù)漂移、器件電阻率超標(biāo)、器件性能變差等。其失效機(jī)理主要是由于器件密封不良、器件內(nèi)部存在有害氣氛等原因造成器件內(nèi)部部件受到侵蝕，從而引起失效。而這些主要都是由于平行封焊工序存在問題。

平行封焊工序因為在密封過程中存在封裝載體溫升較低、不使用焊料、對器件性能影響較小、焊接強(qiáng)度高等優(yōu)點，因此在對溫度較敏感的電子元器件，如混合集成電路、表面安裝型石英晶體振蕩器、諧振器以及聲表面波濾波器（SAW）等電子元器件封裝中普遍采用。其封裝氣密性可達(dá)：漏率L≤1×1 0-8P a·c m3／ s（H e），是一種可靠性較高的封帽方式，可用于氣密性要求較高的封裝中。

影響平行封焊工序氣密性的主要因素有封焊工藝參數(shù)（主要包括焊接電流、焊接速度、焊接壓力等）的設(shè)置、工裝夾具的設(shè)計、電極的位置、蓋板質(zhì)量和蓋板與封裝載體的匹配等，另外封焊設(shè)備本身的可靠性也是影響封焊質(zhì)量的因素之一。

為確保器件的氣密性符合要求，在平行封焊完成后應(yīng)該對器件的氣密性進(jìn)行檢測，檢測的方法主要有：（1）細(xì)檢。采用以氦氣為示蹤氣體的氦質(zhì)譜儀，借助質(zhì)譜的分析方法，通過測定真空系統(tǒng)中氦氣分壓強(qiáng)的變化來檢查封裝結(jié)構(gòu)的細(xì)微漏孔。測試時首先向封焊好的器件內(nèi)壓入氦氣，然后在真空狀態(tài)下抽出氦氣，測定所抽出氦氣的量來判定氣密性。（2）粗檢。采用碳氟化合物液體進(jìn)行檢測，測試時在盛放高溫（125℃±5℃）碳氟化合物液體的容器內(nèi)放入封焊好的器件（30s～60 s），根據(jù)氣泡的有無來判定氣密性。此方法只能檢查是否有孔、穴等漏洞。

另外，為了防止有害氣體侵入到器件內(nèi)部，平行封焊的操作應(yīng)在潔凈的干氮等惰性氣體氣氛中進(jìn)行，并且氣體的純度及露點應(yīng)符合要求。封焊之前，還應(yīng)對待封器件進(jìn)行加熱和抽真空等預(yù)操作，從而降低器件腔內(nèi)的濕度和氧氣含量。

因此，只要加強(qiáng)對影響平行封焊工序氣密性的主要因素的控制，同時確保封焊過程中的操作環(huán)境，就可以有效地提高平行封焊的氣密性和器件內(nèi)部氣氛保護(hù)性。

4 結(jié)論

總之，通過對表面貼裝聲表器件封裝的各道工序科學(xué)合理的管理控制，我們能夠有效地減少器件的早期失效。但是，僅僅如此，并不能全面有效地提高器件的可靠性。因此，在現(xiàn)在的生產(chǎn)中，我們越來越多地考慮使用新的工藝和技術(shù)。如我們開始采用在芯片表面制作保護(hù)膜，從而根本上解決了由于封裝過程中在器件腔體內(nèi)產(chǎn)生異物而造成的短路問題。我們還引進(jìn)最新的倒裝焊封焊技術(shù)，從根本上提升了我們的封裝技術(shù)。

［1］武以立，等. 聲表面波原理及其在電子技術(shù)中的應(yīng)用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1983.

［2］中國電子學(xué)會生產(chǎn)技術(shù)學(xué)分會叢書編委會. 微電子封裝技術(shù)[M]. 合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2003.