塑封器件中高聚物的失效分析

郝秀云，楊 潔

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，南京 210046）

塑封器件中高聚物的失效分析

郝秀云，楊 潔

（南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，南京 210046）

文章分析了塑封器件中高聚物在封裝固化過(guò)程中和使用過(guò)程中常見(jiàn)的損傷或失效，結(jié)果表明：封裝固化過(guò)程中，當(dāng)高聚物材料收縮受到周?chē)牧系募s束時(shí)，由于殘余應(yīng)力的存在，可引起氣孔、孔隙、微裂紋，即形成了一系列微小缺陷；在后續(xù)的生產(chǎn)工藝以及產(chǎn)品使用過(guò)程中的熱-機(jī)械載荷作用下，固化中產(chǎn)生的微小缺陷或損傷會(huì)擴(kuò)展、匯合而形成宏觀裂紋，導(dǎo)致氣孔受潮、水汽膨脹，最終引起器件的失效。分析還表明：在保證基體強(qiáng)度的條件下，設(shè)計(jì)界面強(qiáng)度較高、粒徑分散度較低、平均粒徑較小的微粒填充高聚物復(fù)合材料有利于改善高聚物的性能，降低其失效機(jī)率。

塑封器件；失效分析；損傷機(jī)理

1 引言

半導(dǎo)體集成電路IC技術(shù)是電子信息技術(shù)的基石，IC封裝測(cè)試是半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的三大支柱之一，IC封裝材料是其中的重要因素。熱固性聚合物作為重要的微電子封裝材料已被廣泛應(yīng)用，如作為IC的模塑封裝材料，在倒裝焊芯片F(xiàn)lip Chip中作為硅芯片與PCB基板之間的填充膠Underfill，在芯片級(jí)封裝CSP、塑封球陣列PBGA及系統(tǒng)芯片SOC等封裝形式中也是極為重要的封裝材料。這類(lèi)聚合物材料常常加入高比例的填充粒子，從而提高模量以適應(yīng)電子封裝的特殊要求。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)封裝材料性能的要求也越來(lái)越高。因此，人們對(duì)低成本塑封器件的可靠性問(wèn)題給予極大關(guān)注，并將大量的工作投入到失效機(jī)理分析這一重要領(lǐng)域。

2 失效分析

封裝材料的破壞失效是微電子器件失效及可靠性問(wèn)題的主要原因之一，也是近期研究的熱點(diǎn)之一。從器件失效的根源來(lái)分析，發(fā)現(xiàn)許多熱-機(jī)械可靠性問(wèn)題都與材料性能有關(guān)，并且起源于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造階段。高聚物封裝成型的半導(dǎo)體器件是由不同熱膨脹系數(shù)的材料組成，表現(xiàn)出粘彈性特性。在封裝器件內(nèi)部，由于成型固化收縮和熱收縮而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，是強(qiáng)度下降、老化開(kāi)裂、封裝裂紋、空洞、鈍化、分層等缺陷的主要原因。而低粘度化的主要目的就是降低封裝聚合物的內(nèi)應(yīng)力，使其具有高填充性和可靠性，以使封裝器件具有高可靠性。目前大量采用的方法是在封裝高聚物中添加大量的二氧化硅之類(lèi)的無(wú)機(jī)填充粉末，大幅降低封裝材料的熱膨脹系數(shù)，達(dá)到降低內(nèi)應(yīng)力的目的。同時(shí)，從微觀結(jié)構(gòu)來(lái)看：一方面，二氧化硅等剛性粒子的加入，在兩個(gè)粒子間形成橋接，起到了牽制裂紋發(fā)展的作用；另一方面，剛性粒子橋接在兩個(gè)裂紋面之間，阻止了裂紋的擴(kuò)展。但是，由于混合粒子均勻的聚合物基顆粒填充復(fù)合材料難以獲得，再加上封裝工藝環(huán)境的影響，采用該種材料將導(dǎo)致其內(nèi)部產(chǎn)生局部應(yīng)力狀態(tài)不均勻，從而出現(xiàn)其材料特性所不具有的缺陷行為。

塑封器件常見(jiàn)的損傷可分為兩類(lèi)：

一種是封裝過(guò)程中引起的損傷；

另一種是生產(chǎn)使用過(guò)程中引起的損傷。

2.1 封裝固化過(guò)程中的失效分析

固化工藝是電子封裝的一項(xiàng)重要工藝，它是使封裝材料、基板以及硅片長(zhǎng)時(shí)間保持在150℃～200℃的高溫下，使封裝材料充分流動(dòng)，然后冷卻固化成型。

在固化過(guò)程中，塑料中的環(huán)氧分子在固化劑和促進(jìn)劑作用下，環(huán)氧鍵被打開(kāi)，使塑料從鏈狀分子結(jié)構(gòu)向網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，同時(shí)放出氣體，在塑封中產(chǎn)生氣孔。冷卻時(shí)封裝聚合物分子鏈相互交聯(lián)逐漸增加，液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)，產(chǎn)生體積收縮，同時(shí)材料的剛度隨之增加。當(dāng)它的收縮受到周?chē)牧系募s束時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力、應(yīng)變場(chǎng)，冷卻后就會(huì)出現(xiàn)殘余應(yīng)力，當(dāng)該應(yīng)力超過(guò)一定程度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生損傷或缺陷。通常有四種損傷情況：

第一種情況是出現(xiàn)在底充膠與基板及硅片粘結(jié)緊密的情況下，由于封裝材料冷縮產(chǎn)生的應(yīng)力作用，引發(fā)硅芯片的垂直開(kāi)裂，硅芯片破裂并留在基板上；

第二種情況是當(dāng)?shù)壮淠z與硅片連接很好但與基板連接不充分的情況下，將會(huì)在焊點(diǎn)處出現(xiàn)缺陷；

第三種情況出現(xiàn)在固化過(guò)程中，底充膠與基板連接很好但與硅片連接不充分的情況下，將會(huì)在硅片表面因連接不牢固而出現(xiàn)分層缺陷；

第四種情況出現(xiàn)在填充粒子與基體聚合物間出現(xiàn)缺陷，這是由于剛性粒子模量和強(qiáng)度高，本身難以空洞成核，因此在外載荷作用下粒子和基體變形不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致粒子界面脫粒，在一定條件下產(chǎn)生微孔洞。

2.2 生產(chǎn)使用過(guò)程中的失效分析

2.2.1 封裝固化后潛在缺陷引起的失效分析

在后續(xù)的生產(chǎn)工藝以及產(chǎn)品的使用過(guò)程中的熱-機(jī)械載荷作用下，封裝固化產(chǎn)生的微小缺陷或損傷會(huì)擴(kuò)展、匯合而形成宏觀裂紋，直接導(dǎo)致器件的失效。

對(duì)于聚合物基顆粒填充復(fù)合材料，填充粒子的容量、形狀、大小和聚合物的類(lèi)型以及受載情況都對(duì)封裝用高聚物的機(jī)械性能有很大影響。在受載的情況下，孔洞密度的演化由成核和長(zhǎng)大兩個(gè)因素共同決定，隨著界面強(qiáng)度的增加，粒子的有效體積分?jǐn)?shù)和孔隙度的演化趨于平緩，即在基體強(qiáng)度足夠高的條件下，界面強(qiáng)度高有利于材料的增強(qiáng)。粒徑分散度對(duì)粒子有效體積分?jǐn)?shù)和孔隙度的演化規(guī)律有明顯的影響，粒徑分散度小則粒子有效體積分?jǐn)?shù)和孔隙度的演化速度較慢，隨著粒徑分散度的增加，粒子有效體積分?jǐn)?shù)和孔隙度的演化速度也隨之加快。在共混材料的粒子分?jǐn)?shù)給定的條件下，平均粒徑對(duì)有效體積分?jǐn)?shù)和孔隙度演化規(guī)律的影響不可忽視。隨著平均粒徑的增加，粒子有效體積分?jǐn)?shù)和孔隙度的演化速度迅速加快且不會(huì)趨于穩(wěn)定。即粒子的平均粒徑大勢(shì)必會(huì)給共混材料的增強(qiáng)產(chǎn)生不利影響。綜上所述，在保證基體強(qiáng)度的條件下，設(shè)計(jì)界面強(qiáng)度較高、粒徑分散度較低、平均粒徑較小的微粒填充高聚物復(fù)合材料有利于改善高聚物的性能。此種情況下，即使封裝固化引起了一系列微小缺陷，在后續(xù)的生產(chǎn)使用過(guò)程中也不一定會(huì)出現(xiàn)裂紋 擴(kuò)展、器件最終失效的現(xiàn)象。

2.2.2 吸潮引起的失效分析

吸潮導(dǎo)致界面脫層以及間接引起其他材料失效，如焊點(diǎn)的裂紋或疲勞失效等，是塑封器件生產(chǎn)使用過(guò)程中的主要失效形式。因?yàn)樗芰瞎逃械挠袡C(jī)大分子結(jié)構(gòu)，所以普遍存在較高的吸濕性而不具有氣密性的特點(diǎn)，由此引起塑封器件較為突出的因吸潮而引起的可靠性問(wèn)題。

生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)溫度處于200℃以上的高溫，如再流焊或波峰焊時(shí)，若塑封殼體通過(guò)存儲(chǔ)期吸收了大量濕氣，焊接處于預(yù)熱直至高溫時(shí)，水汽就會(huì)急劇膨脹，聚集形成較大的水汽壓，當(dāng)其超過(guò)塑料與引線框架或塑料與芯片粘接劑的粘結(jié)強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生塑料與二者之間的分層和空隙，蒸汽繼續(xù)由空隙向外擴(kuò)張，在應(yīng)力集中的最薄弱處（往往是分層的引線框架芯片粘結(jié)邊角處）就產(chǎn)生裂紋，最終出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。但是，水汽只是引起塑封器件開(kāi)裂的外部因素，而塑封器件結(jié)構(gòu)所形成的熱配才是引起塑封器件開(kāi)裂的根本性內(nèi)在原因。

但在使用過(guò)程中，塑料封裝盡管存在普遍的吸濕問(wèn)題，并會(huì)對(duì)電極造成腐蝕，但并不會(huì)引起塑料外殼的開(kāi)裂問(wèn)題，因?yàn)闈駳鈮汉艿?，產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力不足以破壞外殼。

3 總結(jié)

塑封器件常見(jiàn)的損傷可分為兩類(lèi)：其一是封裝固化過(guò)程中引起的損傷；其二是生產(chǎn)使用過(guò)程中引起的損傷。

封裝固化過(guò)程中，當(dāng)高聚物材料收縮受到周?chē)牧系募s束時(shí)，由于殘余應(yīng)力的存在，可引起氣孔、孔隙、微裂紋，即形成了一系列微小缺陷，在后續(xù)的生產(chǎn)工藝以及產(chǎn)品的使用過(guò)程中的熱-機(jī)械載荷作用下，固化中產(chǎn)生的微小缺陷或損傷會(huì)擴(kuò)展、匯合而形成宏觀裂紋，以及氣孔受潮、水汽膨脹、最終導(dǎo)致器件的失效。

研究表明，在保證基體強(qiáng)度的條件下，設(shè)計(jì)界面強(qiáng)度較高、粒徑分散度較低、平均粒徑較小的微粒填充高聚物復(fù)合材料有利于改善高聚物的性能，降低其失效機(jī)率。

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High Polymer Failure Analysis in Plastic Packaging Device

HAO Xiu-yun, YANG Jie
（School of Mechanical and Electrical Engineering Nanjing College of Information Technology,Nanjing210046,China）

In this paper, the damage and failure of the high polymer has been analyzed. During the packaging curing, some defect, such as microcrack, can be come into being because of the residual stress. During the production process and product service, these defect can be extent to macrocrack. When moisture in the device is absorbed, the device will be failure. To minimum the failure probability, polymer with smaller filling particle diameter should be used.

plastic packaging device; failure analysis; damage mechansim

TN305.94

A

1681-1070（2011）05-0010-03

2011-03-30

郝秀云（1976—），女，山西孝義人，南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電學(xué)院，講師/工程師，主要研究方向：微電子封裝技術(shù)、電子表面組裝技術(shù)、雙語(yǔ)教學(xué)。

電 路 設(shè) 計(jì)