塑封器件分層失效實(shí)例分析

吳曉亮，周雪薇，方 圓（. 南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 0093；. 中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 006）

塑封器件分層失效實(shí)例分析

吳曉亮1，周雪薇2，方 圓2
（1. 南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210093；2. 中國電子科技集團(tuán)公司第55研究所，南京 210016）

摘 要：微電子塑封器件常用的環(huán)氧樹脂塑封料，因其極易吸收周圍環(huán)境里的水汽而嚴(yán)重影響塑封器件的可靠性。通過一個實(shí)例分析，分別從故障定位、機(jī)理討論以及改進(jìn)措施3個方面對塑封器件分層失效進(jìn)行詳細(xì)的論述，從而有效而快速地提升塑封器件可靠性。

關(guān)鍵詞：塑封器件；爆米花效應(yīng)；失效分析；回流焊

1　引言

微電子塑封器件（以下簡稱塑封器件）誕生于20世紀(jì)60年代。由于具有成本低、尺寸小、重量輕和可批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，塑封器件逐漸被工業(yè)界所認(rèn)可。隨著行業(yè)的發(fā)展，塑封器件在封裝材料、芯片鈍化以及生產(chǎn)工藝等方面逐漸成熟[1～2]。但是，塑封器件的可靠性仍然存在很多隱患, 如腐蝕失效、爆米花失效、熱膨脹系數(shù)(CTE)不匹配而導(dǎo)致的低溫/溫沖失效等。正是這些隱患的存在, 限制了塑封器件的應(yīng)用，特別是在高尖端領(lǐng)域, 如航空航天、海洋艦艇以及軍工領(lǐng)域等[3～6]。隨著微電子器件廣泛采用塑封工藝, 塑封器件的可靠性研究已成為緊迫的研究課題之一。

塑封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(guān)心的問題之一。眾所周知，塑封器件是非氣密性器件，在回流焊貼裝工藝環(huán)節(jié)中，有可能會發(fā)生裂紋、分層和膨脹等致命的缺陷。這不僅導(dǎo)致器件本身的損壞，而且使表面安裝技術(shù)（SMT）的效率大大降低[7]。

塑封器件所用的塑封料的主要成份有環(huán)氧樹脂、固化劑、填料以及其他組份物質(zhì), 其本身存在較高的吸濕性，是一種非氣密性封裝。內(nèi)部水氣受熱快速膨脹，封裝器件的局部區(qū)域就有可能發(fā)生層間開裂，同時塑封材料吸收濕氣后各材料界面間的黏合力會有所減弱,這就會進(jìn)一步促進(jìn)層間開裂的發(fā)生。

因此，塑封器件在SMT之前需要預(yù)烘干，并且驗(yàn)證器件潮濕敏感度等級（MSL），以確認(rèn)器件有效車間時間就成了保證器件可靠性的主要方法。本文介紹了一種塑封器件，因吸潮在回流焊后出現(xiàn)批次性失效。

2　樣品概述

某型號塑封功放芯片采用LGA塑封封裝。器件尺寸為12 mm×12 mm×1.2 mm。在經(jīng)歷回流焊工藝后出現(xiàn)10%的失效（貼裝樣品總量為1500只，失效154只），表現(xiàn)為功率下降、無功率輸出等現(xiàn)象。在回流焊后，剔除失效的10%器件后，未暴露缺陷的器件在日后使用過程中也會出現(xiàn)部分相似失效的情況。器件在塑封廠出場之前做過以下可靠性試驗(yàn)（封裝廠提供信息）：

（1）實(shí)驗(yàn)封裝體經(jīng)過預(yù)處理MSL3（85℃/65%RH）+3 Refl ow@265℃后，無分層、爆破等機(jī)械失效；

（2）實(shí)驗(yàn)封裝體經(jīng)過預(yù)處理+冷熱循環(huán)TC （-55℃～125℃），200cy，無分層、開裂、爆破等機(jī)械失效；500cy，無機(jī)械失效。

（3）實(shí)驗(yàn)封裝體經(jīng)過預(yù)處理+高溫高濕存儲THS （85℃/85%RH），500 h后無機(jī)械失效，無基本電氣失效；1 000 h后無機(jī)械失效，無基本電氣失效。

3　故障定位

對失效的樣品器件進(jìn)行相關(guān)檢測分析，采用的分析手段見表1。

表1 分析手段信息匯總表

3.1外部目檢

利用光學(xué)顯微鏡對失效器件進(jìn)行外部目檢，并用丙酮擦除器件邊緣的助焊劑，發(fā)現(xiàn)器件側(cè)面封裝體與基板存在明顯裂紋。器件外部圖見圖1。

圖1 光學(xué)顯微鏡觀察

3.2x-ray、超聲掃描

對失效器件進(jìn)行x-ray掃描，對比發(fā)現(xiàn)器件內(nèi)部有明顯不規(guī)則陰影痕跡。不規(guī)則陰影痕跡具體是什么還需要進(jìn)一步確認(rèn)。對失效器件進(jìn)行超聲掃描，發(fā)現(xiàn)器件內(nèi)部存在分層。參見圖中陰影部分，表明塑封體與基板存在分層的現(xiàn)象。掃描圖見圖2、圖3、圖4。

圖2 x-ray掃描對比圖（左為失效芯片，右為正常芯片）

圖3 單顆芯片超聲掃描圖（其中上方為正常區(qū)域波形，下方為異常區(qū)域波形）

圖4 多樣品超聲掃描對比（左為失效芯片，右為正常芯片）

3.3開封、剖切

通過對樣品進(jìn)行化學(xué)腐蝕開封、剖切，可以觀察到器件內(nèi)部無源器件間發(fā)生了類似焊錫流淌橋接（如圖5圈中所示）。圖6顯示了無源器件下方也充斥著焊料。

圖5 器件開封觀察

圖6 器件內(nèi)部電容剖面分析圖

通過成分分析，確認(rèn)這些銀白色物質(zhì)為焊錫。對器件整體目檢，器件外圍并未有明顯焊錫流淌痕跡（涉及到器件保密，并未提供器件整體開封圖），從而排除因回流焊工藝所用的焊錫從外部流入的因素，進(jìn)而確認(rèn)了流淌的焊錫來源為用于焊接內(nèi)部無源器件的焊料。

經(jīng)過測量分析，發(fā)現(xiàn)局部無源器件存在短路、開路現(xiàn)象，進(jìn)而造成了內(nèi)部匹配電路失配。

綜上，可以推測器件因?yàn)闃O易受潮，在回流焊期間，吸潮了的器件在快速的溫度變化下水汽膨脹產(chǎn)生分層，同時內(nèi)部的焊錫融化流淌到這些縫隙中。內(nèi)部的無源器件出現(xiàn)黏連橋接，造成內(nèi)部匹配電路的破壞，最終表現(xiàn)為電學(xué)測試下的無功率輸出、功率偏小等失效現(xiàn)象。

3.4驗(yàn)證

根據(jù)3.1～3.3分析工作可以確認(rèn)失效器件存在兩個方面的問題：(1)內(nèi)部分層；(2)器件內(nèi)部用于焊接無源器件的焊錫流淌粘連。

為了驗(yàn)證因?yàn)榛亓骱腹に囋斐傻钠骷謱?，同時內(nèi)部用于焊接無源器件的焊料處于熔融狀態(tài)，熔融狀態(tài)的焊料流淌到這些縫隙造成內(nèi)部匹配電路失配，引起失效。為此做了以下幾個工作：

（1）取10只長時間暴露在空氣中的器件放在熱臺加熱（250℃），大概20 s聽到“砰砰”聲音，對器件進(jìn)行超聲掃描發(fā)現(xiàn)存在分層（限于篇幅，試驗(yàn)數(shù)據(jù)省略）,從而表明此類塑封器件受潮后的確會在高溫狀態(tài)下產(chǎn)生分層。

（2）取20只樣品進(jìn)行MSL等級驗(yàn)證，結(jié)果器件只能保持8 h的車間有效轉(zhuǎn)配時間，從而確定了此類塑封器件吸潮速度。

（3）分別取50只樣品進(jìn)行回流焊工藝模擬貼裝試驗(yàn)，50只在空氣中擺放8 h再貼裝，50只在空氣中擺放24 h再貼裝（試驗(yàn)前進(jìn)行高溫烘烤）。結(jié)果8 h批次全部合格，24 h批次出現(xiàn)3只異常（功率下降，超聲掃描發(fā)現(xiàn)存在分層）。

（4）分別各取10只樣品（試驗(yàn)前高溫烘烤)進(jìn)行溫度循環(huán)、溫度沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后樣品無異常，表明材料間熱膨脹系數(shù)（CTE）差異的影響較低。

（5）對開封了的器件進(jìn)行加熱，溫度基本保持回流焊經(jīng)歷的最高溫區(qū)及時間，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部用于焊接無源器件的焊料逐漸變軟并處于熔融狀態(tài)。

4　理論分析

眾所周知，塑封器件是非氣密性器件。塑封器件所用的塑封料的主要成份有環(huán)氧樹脂、固化劑、填料以及其他組份物質(zhì)。塑封料封裝不同于陶瓷材料和金屬材料，是一種非氣密性封裝，塑封料是一種高分子復(fù)合材料,其固有的有機(jī)大分子結(jié)構(gòu),使其本身存在較高的吸濕性。塑封體可以通過擴(kuò)散吸收少量的水分，最后封裝體與周圍環(huán)境在一定的溫度和濕度條件下達(dá)到一種平衡狀態(tài)[8～9]。封裝器件經(jīng)過高溫回流安裝到印刷電路板上，對于含鉛焊料回流焊溫度一般在220℃左右,而對于無鉛焊料回流焊接溫度還要更高。這種條件下凝結(jié)為水的濕氣由于高溫變成為蒸汽,隨著蒸汽壓力急劇升高,封裝器件的局部區(qū)域就有可能發(fā)生層間開裂;同時塑封材料吸收濕氣后各材料界面間的黏合力會有所減弱,這就會進(jìn)一步促進(jìn)層間開裂的發(fā)生。蒸汽壓力繼續(xù)作用在已經(jīng)發(fā)生層間開裂的表面處,會使封裝器件局部區(qū)域發(fā)生向外膨脹。最后，裂紋形成并向外擴(kuò)展,當(dāng)裂紋達(dá)到封裝器件外緣時，內(nèi)部的蒸汽壓力會被瞬間釋放出來,產(chǎn)生一種類似爆米花炸開時的響聲,這就是塑封器件開裂的“爆米花”效應(yīng)[10]。塑封器件因“爆米花”效應(yīng)產(chǎn)生的分層是器件失效的主要因素。

在高溫下，器件內(nèi)部的焊錫處于熔融狀態(tài)。在上述發(fā)生的物理變化造成的器件內(nèi)部分層出現(xiàn)局部空隙，這就為焊錫流淌提供了可能性。這些流動的焊錫會造成內(nèi)部元件局部短路，內(nèi)部匹配電路失配，從而器件在電測試中體現(xiàn)為無輸出或功率偏小等現(xiàn)象。

5　改進(jìn)措施

為了提高塑封器件可靠性，首先應(yīng)在設(shè)計(jì)上進(jìn)行嚴(yán)格全面的把控。除了“爆米花”效應(yīng)以外，因塑封料復(fù)合物與基片或引線框之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)差異，在溫度變化的條件下也會造成器件形變。由于器件內(nèi)部元件靠得太近，會有可能出現(xiàn)模塑物填充不滿的情況。這些因素都會對器件的可靠性產(chǎn)生隱患。

通常，為了提高塑封器件使用可靠性，需要采取以下3方面措施。

5.1干燥

由于塑封器件極易吸濕，所以在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中都必須嚴(yán)格做好防潮干燥工作。器件在出廠時需要放進(jìn)防潮袋，并加入干燥劑。在貼片廠使用過程中也需做好防潮措施，開封后的器件使用完應(yīng)烘烤完放入防潮袋并且密閉。

5.2潮濕敏感度等級驗(yàn)證

JEDEC國際標(biāo)準(zhǔn)將潮濕敏感度分為6 個等級。通常業(yè)界常用的為MSL1、MSL2和MSL3級,如表2所示[11]。

通過潮濕敏感度驗(yàn)證，確定塑封器件的有效工廠時間。原則上，從包裝袋拿的塑封器件應(yīng)盡可能少地暴露在空氣中。經(jīng)過與貼裝廠溝通協(xié)商嚴(yán)格控制塑封器件的貼裝時間，保證開封的器件到裝配結(jié)束保證在8 h內(nèi)。結(jié)果失效率從之前的10%降至0%,有效提高了貼裝效率。

5.3烘烤

根據(jù)塑封器件大小，烘烤的時間通常按表3進(jìn)行預(yù)處理[12]。

表2 潮濕敏感度等級

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吳曉亮（1989—），男，碩士，從事射頻微波器件可靠性與失效分析工作。

表3 器件烘烤時間與器件厚度關(guān)系

在進(jìn)行回流焊之前，要嚴(yán)格對塑封器件進(jìn)行高溫烘烤，以去除器件內(nèi)部的水汽，保證SMT貼裝的可靠性。

6　結(jié)論

從上述一系列試驗(yàn)分析表明，器件的主要失效機(jī)理是器件吸潮，在回流焊工藝中產(chǎn)生分層，內(nèi)部用于焊接無源器件的焊料流淌，造成局部短路、開路等，最終導(dǎo)致器件失效。只要控制器件的有效時間就可以大幅度提高產(chǎn)品貼裝可靠性。按照8 h有效壽命的工藝控制，結(jié)果基本無壞片，產(chǎn)品可靠性大幅度提高。

而一些器件在后續(xù)使用中出現(xiàn)失效的主要原因是：經(jīng)過未加管控回流焊工藝的器件存在一些缺陷，這些缺陷可能在初期測試的時候并未發(fā)現(xiàn)，但是在后續(xù)的使用過程中，在電應(yīng)力、溫度應(yīng)力的作用下逐步顯現(xiàn)出來，最終失效。對后續(xù)使用過程中失效樣品進(jìn)行分析，結(jié)果顯示失效機(jī)理與回流焊失效的機(jī)理一致。同時我們?yōu)榱伺懦β薀龤б蛩?，采取終端開路對器件進(jìn)行模擬功率試驗(yàn)，器件失效的表現(xiàn)形式為器件內(nèi)部芯片燒毀，失效機(jī)理與因爆米花效應(yīng)失效機(jī)理不一致。

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[7] 張延赤. 水汽或結(jié)構(gòu)對塑封電子器件可靠性的影響研究

Case Studies on Delamination of Plastic Packaging Device

WU Xiaoliang1, ZHOU Xuewei2, FANG Yuan2
(1. Nanjing University of Electronic Science and Engineering, Nanjing 210093, China; 2. China Electronics Technology Group Corporation No.55 Research Institute, Nanjing 210016, China)

Abstract:Microelectronics plastic devices commonly used epoxy molding compound, its easy to absorb water vapor in the surrounding environment and seriously affect the plastic device reliability. through a case study, the delamination of plastic packaging device was discussed from the fault location , failure mechanisms and the improvement measures in detail.thus,Effectively and quickly to enhance the reliability of plastic devices.

Keywords:plastic devices; popcorn effect; failure analysis; refl ow

中圖分類號：TN305.94

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號：1681-1070（2015）10-0004-04

收稿日期：2015-6-23

作者簡介：