張延赤

（退休高級(jí)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(shí)的可靠性是微電子行業(yè)內(nèi)最關(guān)心的問(wèn)題之一。當(dāng)一個(gè)具有不良可靠性的微電子器件通過(guò)紅外回流焊接爐（IR）最終被焊接在印刷線路板（PCB）上時(shí)，就會(huì)發(fā)生裂紋、脫層和鼓脹等致命的缺陷。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。從事電子器件研究和生產(chǎn)的工程師們?yōu)榱烁倪M(jìn)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(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂模制化合物暴露在潮濕的環(huán)境下時(shí)，就具有很強(qiáng)的水汽吸收性[1-4]。因此，多年以來(lái)盛行的 “水汽作用”理論認(rèn)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(dāng)其在IR爐內(nèi)快速加熱時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致水汽膨脹而引起塑封體內(nèi)致命的缺陷。因此，過(guò)IR爐前的長(zhǎng)期預(yù)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(zhǎng)生產(chǎn)周期，開(kāi)動(dòng)大量的烘干設(shè)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(shí)可能發(fā)生。因此，這種改進(jìn)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(jí)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(yán)格執(zhí)行預(yù)烘干程序。但是，后來(lái)由于生產(chǎn)中的幾個(gè)失效并成功改進(jìn)的案例使我改變了原來(lái)的觀點(diǎn)，并樹(shù)立了一個(gè)新的觀點(diǎn)，即 “結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(yùn)用 “結(jié)構(gòu)強(qiáng)度”的方法而成功改進(jìn)可靠性的案例如下所述。

2 產(chǎn)品失效以及運(yùn)用 “結(jié)構(gòu)強(qiáng)度”方法成功改進(jìn)可靠性的案例

2.1 案例I：塑封體的厚度（也即強(qiáng)度）必須被保證

a）產(chǎn)品型號(hào)

ST1818。

b）結(jié)構(gòu)和制造過(guò)程

它是一種非常普通的微電子器件。把8個(gè)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(yīng)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(jié)劑將線圈和引腳的垂直部分固定成為一個(gè)整體，并烘干；然后，傳塑成形、沖裁引腳架和彎曲引腳，一個(gè)完整的器件就制成了。

c）失效現(xiàn)象

該產(chǎn)品是一個(gè)已經(jīng)正常生產(chǎn)多年的老產(chǎn)品。回流焊之前預(yù)烘干24 h。但是在近期過(guò)IR爐時(shí)約有10%器件的塑封體上發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重開(kāi)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(guò)量使用的粘結(jié)劑占據(jù)了本應(yīng)該屬于塑封體的空間（由新手操作者的錯(cuò)誤操作引起），這將導(dǎo)致此處的塑封體變薄和器件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低。在因紅外回流焊爐的快速加熱而引起的熱應(yīng)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(jié)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(yīng)力的作用下，器件就會(huì)非常容易地被對(duì)分。

e）結(jié)構(gòu)改進(jìn)

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

f）結(jié)果

沒(méi)有再次發(fā)生裂紋或分層。器件的生產(chǎn)又恢復(fù)正常。

g）結(jié)論

對(duì)于器件的可靠性而言，器件塑封體的力學(xué)結(jié)構(gòu)（塑封體厚度或器件強(qiáng)度）和水汽作用相比是更重要的因素。

2.2 案例II：消除應(yīng)力集中

a）產(chǎn)品型號(hào)

D3247。

b）結(jié)構(gòu)和制造過(guò)程

除了多了一個(gè)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(shè)計(jì)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(jī)械浸錫。把8個(gè)磁芯線圈分成兩排，每排4只，被粘結(jié)劑固定于一個(gè)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(cè)的相應(yīng)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(jī)內(nèi)，相應(yīng)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(gè)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(guò)IR爐時(shí)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(jī)械浸錫，設(shè)計(jì)者選擇了過(guò)長(zhǎng)的引腳垂直部分的長(zhǎng)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(dāng)在紅外回流焊爐的快速加熱下就可能成為熱應(yīng)力集中源。

e）結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在保證機(jī)械浸錫效果的前提下，應(yīng)盡量地減少器件頂部引腳垂直部分的長(zhǎng)度。

f）結(jié)果

沒(méi)有再次發(fā)生裂紋。

g）結(jié)論

對(duì)于器件的可靠性而言，消除器件力學(xué)結(jié)構(gòu)（塑封體）中的應(yīng)力集中源非常重要。這是一種用“水汽作用”理論無(wú)法解釋和預(yù)烘干也無(wú)法從根本上避免的失效現(xiàn)象。

2.3 案例III：塑封體的結(jié)構(gòu)增強(qiáng)措施

a）產(chǎn)品型號(hào)

H1150。

b）結(jié)構(gòu)和制造過(guò)程

該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和制造過(guò)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(shè)計(jì)者所選擇的器件內(nèi)部引腳垂直部分的長(zhǎng)度是合適的。

c）失效現(xiàn)象

該產(chǎn)品是一個(gè)新試制的產(chǎn)品?；亓骱钢昂娓?4 h，但是在過(guò)IR爐時(shí)，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(zhǎng)期不能投產(chǎn)。

d）原因分析

和產(chǎn)品型號(hào)D3247一樣，設(shè)計(jì)者采用線圈槽的目的是為了便于磁芯線圈裝配和機(jī)械錫浴釬焊，但是卻給器件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度帶來(lái)不利的影響。它的封閉的底面與器件頂部塑封體的結(jié)合非常薄弱。特別是當(dāng)器件外形尺寸（跨度）較大而頂部塑封體的厚度又不夠大時(shí)，頂部塑封體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度將會(huì)十分脆弱。在回流焊快速加熱的熱應(yīng)力的作用下將產(chǎn)生過(guò)度的彎曲變形，開(kāi)裂或脫層就是理所當(dāng)然的了。

e）結(jié)構(gòu)改進(jìn)

在線圈槽封閉底面的中心開(kāi)一個(gè)大約φ2的孔，在用粘結(jié)劑裝配線圈時(shí)不得將孔堵住。其它有關(guān)結(jié)構(gòu)和制造過(guò)程不變。在傳塑封裝時(shí)，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(jié)構(gòu)力學(xué)上稱之為增強(qiáng)拉桿的封裝料，器件整個(gè)塑封體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度將大大增加。

f）結(jié)果

沒(méi)有再次發(fā)生裂紋和分層。

g）結(jié)論

很多結(jié)構(gòu)力學(xué)上的增強(qiáng)措施都可用于微電子器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高其可靠性。

2.4 案例IV：超負(fù)荷試驗(yàn)

a）無(wú)預(yù)烘干樣品的回流焊試驗(yàn)

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

b）無(wú)預(yù)烘干樣品在高溫度峰值下的回流焊試驗(yàn)

上述3種產(chǎn)品（ST1818、D3247和H1150）的改進(jìn)型樣品在過(guò)回流焊之前不予預(yù)烘干，而且回流焊的溫度峰值由正常的230℃提高到260℃。試驗(yàn)結(jié)果驚人地表明沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何開(kāi)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(yàn)

上述3種產(chǎn)品（ST1818、D3247和H1150）的改進(jìn)型樣品在回流焊試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果驚人地表明沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何開(kāi)裂或分層現(xiàn)象。

3 結(jié)論和討論

3種產(chǎn)品（ST1818、D3247和 H1150）的失效、結(jié)構(gòu)改進(jìn)和IR結(jié)果如表1所示。

表1 產(chǎn)品失效、結(jié)構(gòu)改進(jìn)和IR結(jié)果

a）由上述產(chǎn)品失效及其結(jié)構(gòu)改進(jìn)案例可以得出的結(jié)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(xué)結(jié)構(gòu)。具有合理力學(xué)結(jié)構(gòu)的電子器件將具有優(yōu)異的回流焊可靠性。當(dāng)它們通過(guò)IR爐時(shí)，所有的致命缺陷均可避免，且無(wú)須預(yù)烘干。筆者暫時(shí)把這一新 “思維”稱為 “結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論”。

b）“水汽作用理論”也有一定的道理。對(duì)于那些力學(xué)結(jié)構(gòu)不太合理（例如D3247）或不合理（H1150）的器件而言，預(yù)烘干對(duì)可靠性有一定的貢獻(xiàn)。然而數(shù)十年來(lái)人們?cè)谶@方面的研究花費(fèi)了過(guò)多的精力，每年在雜志上公開(kāi)發(fā)表的論文都多不勝數(shù)。

c）按照 “結(jié)構(gòu)強(qiáng)度理論”和 “水汽作用理論”的邏輯關(guān)系，認(rèn)為前者包容了后者，是更普遍的真理，正像相對(duì)論力學(xué)包容了牛頓力學(xué)一樣。

d）唯物辯證法認(rèn)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(guò) “內(nèi)因”而起作用。作者認(rèn)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(yīng)該是其 “結(jié)構(gòu)強(qiáng)度”。摩天大樓經(jīng)受強(qiáng)烈的地震后而仍然巍然屹立，萬(wàn)噸巨輪在颶風(fēng)狂浪中仍然能蕩漾于海洋，靠的是什么？靠的就是它們堅(jiān)固的能抗御任何惡劣環(huán)境的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。難道我們?cè)谘芯克芊馄骷煽啃詴r(shí)不應(yīng)先從器件本身查找原因和考慮問(wèn)題嗎？

e）已經(jīng)具有合理力學(xué)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品（例如ST1818，應(yīng)該說(shuō)工業(yè)中能大量、順利生產(chǎn)的產(chǎn)品都屬于這種類型）無(wú)須預(yù)烘干就具有了足夠的可靠性。預(yù)烘干是多余的。

f）所有力學(xué)結(jié)構(gòu)不太合理（例如D3247）或不合理（H1150）的器件都可以通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)成為合理力學(xué)結(jié)構(gòu)的器件。它們都具有足夠的可靠性，無(wú)須預(yù)烘干。這對(duì)于節(jié)能、減少設(shè)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(shè)計(jì)器件時(shí)就能通過(guò)一定的設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)考慮和審查其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，將會(huì)避免眾多的失效現(xiàn)象和經(jīng)濟(jì)損失。等到器件設(shè)計(jì)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(wèn)題已經(jīng)為時(shí)已晚，經(jīng)濟(jì)損失已經(jīng)無(wú)法避免。

h）有人按照 “對(duì)水汽的敏感性”把微電子器件可靠性劃分為三級(jí)[5]：敏感的、不太敏感的和不敏感的。本文作者認(rèn)為這樣的劃分是不科學(xué)的。真正的劃分依據(jù)應(yīng)該是它們的力學(xué)結(jié)構(gòu)：合理結(jié)構(gòu)（ST1818）、不太合理結(jié)構(gòu)（D3247）和不合理機(jī)構(gòu)（H1150）。而且通過(guò)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，不太合理結(jié)構(gòu)和不合理結(jié)構(gòu)都能成為合理結(jié)構(gòu)。

i）目前傳塑封裝的微電子器件在要求 “絕對(duì)可靠”的軍事工業(yè)領(lǐng)域還沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。據(jù)說(shuō)這是因?yàn)樗目煽啃詥?wèn)題。如果使用 “結(jié)構(gòu)強(qiáng)度”理論從根本上解決了可靠性問(wèn)題，離它們?cè)谲娛鹿I(yè)領(lǐng)域內(nèi)的廣泛應(yīng)用也就不遠(yuǎn)了。

[1]SHEN C H，SPRINGER G S.Moisture absorption and desorption of composite materials[J] .J.Composite Materials，1976，10（2）： 2-20.

[2]PECHT M G.NGUYEN L T，HAKIM E B.Plastic encapsulated microelectronics[M].New York： John wiley&Sons Ltd.，1995.

[3]DUDEK R.，WALTER H，MICHEL B.Studies on moisture diffusion and popcorn cracking[C]//IEEE Proc.3rd EuroSime，2002.225-232.

[4]CHEN X，ZHAO S.Moisture absorption and diffusion characterization of molding compound[J].Journal of Electronic Packaging，2005，127： 460-465.

[5]張林春.綠色塑封IC的吸濕敏感性等級(jí)評(píng)價(jià)[J].電子工藝技術(shù)，2005，26（6）： 335-338.

[6]HQKIM E.B.Why use PEMs in military equipment：user’response[J] .Microelectronics Reliability，1998，3（3）：403-407.

[7]李新，周毅，孫承松.塑封微電子器件失效機(jī)理研究進(jìn)展[J].半導(dǎo)體技術(shù)，2008，（2）：98-101.