水汽或結構對塑封電子器件可靠性的影響研究

張延赤

（退休高級傳塑封裝工程師，湖北 武漢 430060）

1 引言

傳塑封裝微電子器件在回流焊時的可靠性是微電子行業(yè)內(nèi)最關心的問題之一。當一個具有不良可靠性的微電子器件通過紅外回流焊接爐（IR）最終被焊接在印刷線路板（PCB）上時，就會發(fā)生裂紋、脫層和鼓脹等致命的缺陷。這不僅導致器件本身的損壞，而且使表面安裝技術（SMT）的效率大大降低。從事電子器件研究和生產(chǎn)的工程師們?yōu)榱烁倪M電子器件的可靠性已經(jīng)做了大量的工作。究竟什么是決定電子器件可靠性的首要因素呢？眾所周知，作為塑封材料的聚合物，例如：當環(huán)氧樹脂模制化合物暴露在潮濕的環(huán)境下時，就具有很強的水汽吸收性[1-4]。因此，多年以來盛行的 “水汽作用”理論認為，那些致命缺陷的形成是由于傳塑封裝工藝中已經(jīng)固化的聚合物（塑封體）從空氣中吸收了水汽；當其在IR爐內(nèi)快速加熱時，就會導致水汽膨脹而引起塑封體內(nèi)致命的缺陷。因此，過IR爐前的長期預烘干（一般是24 h）就成了保證器件可靠性的主要方法。為了烘干，我們必須延長生產(chǎn)周期，開動大量的烘干設備和消耗大量的電能和人力。即使如此，這種方法在生產(chǎn)中仍然常常遇到難以克服的困難，上述的致命缺陷隨時可能發(fā)生。因此，這種改進器件回流焊可靠性的 “水汽作用”理論本身就是不可靠的。

本文作者是一位多年從事微電子器件傳塑封裝工藝研究的高級工程師。在從業(yè)的初期，我也相信“水汽作用”理論，并在操作中嚴格執(zhí)行預烘干程序。但是，后來由于生產(chǎn)中的幾個失效并成功改進的案例使我改變了原來的觀點，并樹立了一個新的觀點，即 “結構強度”是決定電子器件可靠性的首要因素。這些產(chǎn)品失效以及運用 “結構強度”的方法而成功改進可靠性的案例如下所述。

2 產(chǎn)品失效以及運用 “結構強度”方法成功改進可靠性的案例

2.1 案例I：塑封體的厚度（也即強度）必須被保證

a）產(chǎn)品型號

ST1818。

b）結構和制造過程

它是一種非常普通的微電子器件。把8個磁芯線圈分成兩排，每排4只，位于器件的中央。它們的線端分別同引腳架上相應的引腳垂直部分相連，使用手工焊錫工具和焊錫將線端與引腳焊起；使用粘結劑將線圈和引腳的垂直部分固定成為一個整體，并烘干；然后，傳塑成形、沖裁引腳架和彎曲引腳，一個完整的器件就制成了。

c）失效現(xiàn)象

該產(chǎn)品是一個已經(jīng)正常生產(chǎn)多年的老產(chǎn)品。回流焊之前預烘干24 h。但是在近期過IR爐時約有10%器件的塑封體上發(fā)現(xiàn)嚴重開裂或脫層，即有人稱之為 “爆米花”的現(xiàn)象[3]。多數(shù)裂紋或脫層發(fā)生在塑封體較薄的地方或者引腳水平部分排成一排的分型面處。

d）原因分析

1）過量使用的粘結劑占據(jù)了本應該屬于塑封體的空間（由新手操作者的錯誤操作引起），這將導致此處的塑封體變薄和器件結構強度降低。在因紅外回流焊爐的快速加熱而引起的熱應力的作用下，就發(fā)生了裂紋或脫層。

2）分型面上的引腳水平部分被粘結劑污染，這樣此處的塑封體上下兩部分將處于不連續(xù)狀態(tài)。在因紅外回流焊爐的快速加熱而引起的熱應力的作用下，器件就會非常容易地被對分。

e）結構改進

在粘結劑的固定效果被保證的條件下，應該嚴格控制粘結劑的用量，并且應防止分型面上的引腳水平部分被粘結劑污染。

f）結果

沒有再次發(fā)生裂紋或分層。器件的生產(chǎn)又恢復正常。

g）結論

對于器件的可靠性而言，器件塑封體的力學結構（塑封體厚度或器件強度）和水汽作用相比是更重要的因素。

2.2 案例II：消除應力集中

a）產(chǎn)品型號

D3247。

b）結構和制造過程

除了多了一個線圈槽以外，該產(chǎn)品和案例I中的產(chǎn)品一樣，也是一種非常普通的微電子器件。設計者采用線圈槽的目的是為了便于器件內(nèi)部磁芯線圈的裝配以及引腳垂直部分和線圈線端的連接和機械浸錫。把8個磁芯線圈分成兩排，每排4只，被粘結劑固定于一個線圈槽內(nèi)，并烘干；將線圈槽倒放于器件的中央，引腳架上的引腳垂直部分和線圈上的線端分別嵌入線圈槽兩側的相應矩形波式凹槽內(nèi)，靠引腳垂直部分的彈性將線圈槽鎖住。然后將引腳垂直部分浸入錫浴機內(nèi)，相應的線圈線端和引腳垂直部分就被焊在一起；然后傳塑成形、沖裁引腳架和彎曲引腳，一個完整的器件就制成了。

c）失效現(xiàn)象

回流焊之前烘干24 h，但是在過IR爐時大約2%器件的塑封體上發(fā)現(xiàn)裂紋。多數(shù)裂紋發(fā)生在器件頂部引腳垂直部分尖端的塑封體處。

d）原因分析

為了便于機械浸錫，設計者選擇了過長的引腳垂直部分的長度，致使兩排引腳垂直部分的尖端深深地插入到器件頂部的塑封體內(nèi)。當在紅外回流焊爐的快速加熱下就可能成為熱應力集中源。

e）結構改進

在保證機械浸錫效果的前提下，應盡量地減少器件頂部引腳垂直部分的長度。

f）結果

沒有再次發(fā)生裂紋。

g）結論

對于器件的可靠性而言，消除器件力學結構（塑封體）中的應力集中源非常重要。這是一種用“水汽作用”理論無法解釋和預烘干也無法從根本上避免的失效現(xiàn)象。

2.3 案例III：塑封體的結構增強措施

a）產(chǎn)品型號

H1150。

b）結構和制造過程

該產(chǎn)品的結構和制造過程與案例II中的D3243基本相同，但是其外型尺寸要大得多，值得欣慰的是，這次設計者所選擇的器件內(nèi)部引腳垂直部分的長度是合適的。

c）失效現(xiàn)象

該產(chǎn)品是一個新試制的產(chǎn)品。回流焊之前烘干24 h，但是在過IR爐時，大約10%器件的塑封體上發(fā)現(xiàn)裂紋或分層。由于可靠性很差，長期不能投產(chǎn)。

d）原因分析

和產(chǎn)品型號D3247一樣，設計者采用線圈槽的目的是為了便于磁芯線圈裝配和機械錫浴釬焊，但是卻給器件的結構強度帶來不利的影響。它的封閉的底面與器件頂部塑封體的結合非常薄弱。特別是當器件外形尺寸（跨度）較大而頂部塑封體的厚度又不夠大時，頂部塑封體的結構強度和剛度將會十分脆弱。在回流焊快速加熱的熱應力的作用下將產(chǎn)生過度的彎曲變形，開裂或脫層就是理所當然的了。

e）結構改進

在線圈槽封閉底面的中心開一個大約φ2的孔，在用粘結劑裝配線圈時不得將孔堵住。其它有關結構和制造過程不變。在傳塑封裝時，器件上下兩部分的塑封體是相通的，并沿著孔形成一根在結構力學上稱之為增強拉桿的封裝料，器件整個塑封體的結構強度和剛度將大大增加。

f）結果

沒有再次發(fā)生裂紋和分層。

g）結論

很多結構力學上的增強措施都可用于微電子器件的結構設計，以提高其可靠性。

2.4 案例IV：超負荷試驗

a）無預烘干樣品的回流焊試驗

上述3種產(chǎn)品（ST1818、D3247和H1150）的非改進型和改進型樣品在過回流焊之前不給予預烘干，直接進行回流焊可靠性試驗。試驗結果是，非改進型樣品的失效比例分別大約是0%、10%和30%；但是改進型樣品的試驗驚人地表明沒有發(fā)現(xiàn)任何開裂或分層現(xiàn)象。

b）無預烘干樣品在高溫度峰值下的回流焊試驗

上述3種產(chǎn)品（ST1818、D3247和H1150）的改進型樣品在過回流焊之前不予預烘干，而且回流焊的溫度峰值由正常的230℃提高到260℃。試驗結果驚人地表明沒有發(fā)現(xiàn)任何開裂或分層現(xiàn)象。

c）水中浸泡和高溫度峰值下的回流焊試驗

上述3種產(chǎn)品（ST1818、D3247和H1150）的改進型樣品在回流焊試驗前在水中浸泡2 h，然后在空氣中晾干24 h，回流焊的溫度峰值由正常的230℃提高到260℃。試驗結果驚人地表明沒有發(fā)現(xiàn)任何開裂或分層現(xiàn)象。

3 結論和討論

3種產(chǎn)品（ST1818、D3247和 H1150）的失效、結構改進和IR結果如表1所示。

表1 產(chǎn)品失效、結構改進和IR結果

a）由上述產(chǎn)品失效及其結構改進案例可以得出的結論是：決定器件回流焊可靠性的首要因素不是水汽，而是器件本身的力學結構。具有合理力學結構的電子器件將具有優(yōu)異的回流焊可靠性。當它們通過IR爐時，所有的致命缺陷均可避免，且無須預烘干。筆者暫時把這一新 “思維”稱為 “結構強度理論”。

b）“水汽作用理論”也有一定的道理。對于那些力學結構不太合理（例如D3247）或不合理（H1150）的器件而言，預烘干對可靠性有一定的貢獻。然而數(shù)十年來人們在這方面的研究花費了過多的精力，每年在雜志上公開發(fā)表的論文都多不勝數(shù)。

c）按照 “結構強度理論”和 “水汽作用理論”的邏輯關系，認為前者包容了后者，是更普遍的真理，正像相對論力學包容了牛頓力學一樣。

d）唯物辯證法認為 “內(nèi)因”是事物變化發(fā)展的根據(jù)，“外因”是事物變化發(fā)展的條件，“外因”通過 “內(nèi)因”而起作用。作者認為 “水汽作用理論”僅述及了器件失效的外因，而真正的內(nèi)因應該是其 “結構強度”。摩天大樓經(jīng)受強烈的地震后而仍然巍然屹立，萬噸巨輪在颶風狂浪中仍然能蕩漾于海洋，靠的是什么？靠的就是它們堅固的能抗御任何惡劣環(huán)境的內(nèi)部結構。難道我們在研究塑封器件可靠性時不應先從器件本身查找原因和考慮問題嗎？

e）已經(jīng)具有合理力學結構的產(chǎn)品（例如ST1818，應該說工業(yè)中能大量、順利生產(chǎn)的產(chǎn)品都屬于這種類型）無須預烘干就具有了足夠的可靠性。預烘干是多余的。

f）所有力學結構不太合理（例如D3247）或不合理（H1150）的器件都可以通過結構改進成為合理力學結構的器件。它們都具有足夠的可靠性，無須預烘干。這對于節(jié)能、減少設備投資和縮短生產(chǎn)周期將具有何等重要的意義！

g）如果在設計器件時就能通過一定的設計規(guī)則來考慮和審查其結構強度，將會避免眾多的失效現(xiàn)象和經(jīng)濟損失。等到器件設計已經(jīng)定型，傳塑模具已經(jīng)制造好后才發(fā)現(xiàn)可靠性問題已經(jīng)為時已晚，經(jīng)濟損失已經(jīng)無法避免。

h）有人按照 “對水汽的敏感性”把微電子器件可靠性劃分為三級[5]：敏感的、不太敏感的和不敏感的。本文作者認為這樣的劃分是不科學的。真正的劃分依據(jù)應該是它們的力學結構：合理結構（ST1818）、不太合理結構（D3247）和不合理機構（H1150）。而且通過結構改進，不太合理結構和不合理結構都能成為合理結構。

i）目前傳塑封裝的微電子器件在要求 “絕對可靠”的軍事工業(yè)領域還沒有得到廣泛的應用。據(jù)說這是因為它的可靠性問題。如果使用 “結構強度”理論從根本上解決了可靠性問題，離它們在軍事工業(yè)領域內(nèi)的廣泛應用也就不遠了。

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