趙哲

摘要：塑料憑借其為半導(dǎo)體、能夠傳輸電流、成本低 等各方面的特點(diǎn)，被應(yīng)用在越來(lái)越多的地方。但是，在航空、軍事領(lǐng)域這些塑封器件是不能被應(yīng)用的。文中講述了一些影響塑封器件可靠性的原理，并對(duì)其進(jìn)行了更細(xì)層次的描述。其中主要講述了受潮、EOS/ESD損壞、機(jī)械應(yīng)力作用、生產(chǎn)工藝缺陷等方面。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，影響塑封器件失效的最主要原因就是器件的腐蝕和封裝缺陷。

關(guān)鍵詞：塑封器件；失效；模式；機(jī)理；生產(chǎn)工藝

塑封材料具有很高的純度，并且應(yīng)力低，因此得到了廣泛應(yīng)用，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，塑封器件在芯片鈍化、粘接、沒(méi)涂層材料方面越來(lái)越可靠，甚至在可靠性方面超過(guò)了金屬或者陶瓷的封裝器件。通常塑封器件會(huì)有兩種失效模式，即早期失效、使用期失效。早期失效模式是指那些在設(shè)計(jì)或者工藝方面的失誤造成的質(zhì)量問(wèn)題，可以借助常規(guī)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)的；而使用期失效是指塑封器件本身存在的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后會(huì)受到影響的與應(yīng)力有關(guān)的行為，研究發(fā)現(xiàn)，這種模式主要是受潮、腐蝕、機(jī)械應(yīng)力等方面所導(dǎo)致的。

一、對(duì)失效模式和原理的分析

塑封器件的作用是借助塑封料將引線框架、鍵合引線、集成芯片等可以支撐集成芯片的封起來(lái)，使集成芯片可以受到保護(hù)。一般情況下，塑封器件主要采用環(huán)氧塑封料（EMC-Epoxy Molding Compound），這種塑料的基體樹脂是環(huán)氧樹脂。其成型原理是環(huán)氧樹脂和酚醛樹脂相互反應(yīng)，通過(guò)交聯(lián)固化作用形成。塑封材料是一種高分子的復(fù)合材料，與陶瓷以及金屬材料有著不同的性質(zhì)。塑封材料憑借其特有的有機(jī)大分子結(jié)構(gòu)以及吸濕性在應(yīng)用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)陶瓷、金屬材料的器件。開路、短路等都會(huì)引起塑封材料的失效。因?yàn)樗芊馄骷儆诜菤饷苄缘钠骷?，所以很容易受到潮氣的影響?/p>

1.1受潮

當(dāng)塑封器具長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境下時(shí)，就會(huì)受到水氣的影響，這樣在其表層就會(huì)有水膜形成。受潮是塑封器件經(jīng)常遇到的問(wèn)題，也是最常見的問(wèn)題，主要包括以下兩個(gè)方面：腐蝕、爆米花效應(yīng)。

1.1.1腐蝕

從塑封器件受潮的角度來(lái)看，影響其氣密性的最主要的原因就是有濕氣的進(jìn)入，這主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是材料本身就具有一定的吸水性和透濕性，這樣就會(huì)導(dǎo)致水氣直接進(jìn)入，進(jìn)而擴(kuò)散到芯片的表面；二是因?yàn)樗芰习鈱雍徒饘倏蚣苤g會(huì)留有一定的縫隙，這又為水氣進(jìn)入芯片表面提供了機(jī)會(huì)。

當(dāng)水氣通過(guò)以上兩種方法進(jìn)入芯片表面后，就會(huì)在其表面形成一層水膜，之后就會(huì)有鈉離子、氯離子進(jìn)入到芯片表面，形成電位差發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這會(huì)加快芯片的腐蝕性，最后會(huì)損壞電路。目前，我國(guó)在不斷地提高電路的集成度，也就是說(shuō)鋁布線會(huì)變得越來(lái)越細(xì)，這就在一定程度上加大了塑封器件腐蝕的可能性。

芯片腐蝕的原理為電極兩段的鈉、氯發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)又因?yàn)橛兴畾獾倪M(jìn)入便加快了離子的分解從而加快了腐蝕的速度。在腐蝕時(shí)電解出來(lái)的化學(xué)物質(zhì)會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，比如說(shuō)，會(huì)增加脆性以及電阻值增加等等，除此之外。在使用塑封器件時(shí)出現(xiàn)漏電流、線路短路等問(wèn)題也會(huì)使電路出現(xiàn)故障，并且不是所有的失效模式都可以恢復(fù)，那些腐蝕的器件在使用過(guò)程中可能就會(huì)有安全隱患。

1.1.2爆米花效應(yīng)

在對(duì)塑封器件進(jìn)行加熱時(shí)，管中的水分就會(huì)發(fā)生汽化，使得管內(nèi)壓力增大，就會(huì)使器件發(fā)生膨脹，之后就會(huì)有分層、開裂的現(xiàn)象出現(xiàn)，這就是爆米花效應(yīng)的由來(lái)。分層、開裂的現(xiàn)象不僅僅會(huì)出現(xiàn)在加熱的過(guò)程中，還可能出現(xiàn)在冷卻的過(guò)程中。當(dāng)管殼出現(xiàn)裂縫時(shí)就會(huì)有水分以及其他污染物進(jìn)入，這樣就會(huì)影響器件的使用壽命。除此之外，在對(duì)材料進(jìn)行加熱的過(guò)程中，產(chǎn)生的壓力會(huì)影響到焊線的完好性，尤其是當(dāng)芯片角應(yīng)力處于最大狀態(tài)的時(shí)候，這種情況下很容易導(dǎo)致電失效。出現(xiàn)這種情況主要是我受到溫度變化、塑封器件尺寸大小的影響。

1.2EOS/ESD

如果電路的EOS/ESD受到破壞，就會(huì)導(dǎo)致芯片受高溫的地方出現(xiàn)碳化的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是因?yàn)殡娏魍ㄟ^(guò)導(dǎo)致塑料過(guò)熱。這就會(huì)導(dǎo)致封裝劑效果下降，甚至產(chǎn)生電阻。如果出現(xiàn)電流過(guò)大的情況就會(huì)導(dǎo)致塑料本身發(fā)熱，這樣就會(huì)加快塑封器件的損壞。

1.3機(jī)械應(yīng)力作用

塑封器件的密封性會(huì)受到芯片線膨脹系數(shù)以及金屬框架線膨脹系數(shù)帶來(lái)的影響。通常，塑封器件的膨脹系數(shù)是大于芯片的，所以塑封器件在進(jìn)行注模工藝時(shí)就可能會(huì)發(fā)生移動(dòng)。這就會(huì)給芯片表面帶來(lái)一定的壓力，使得金屬層逐漸往芯片中央移動(dòng)，這樣就會(huì)導(dǎo)致鋁條間發(fā)生短路；同樣還可能導(dǎo)致鈍化層發(fā)生破裂，形成短路。

除此之外，芯片會(huì)受到塑封料在工作時(shí)給的壓力，溫度與壓力呈反方向變動(dòng)。同樣，當(dāng)當(dāng)塑封料的填充物中為石英砂時(shí)，芯片就會(huì)受到壓力，發(fā)生上述類似的事情，導(dǎo)致器件無(wú)法使用。

1.4生產(chǎn)工藝存在的不足

1.4.1塑封成形存在的不足

影響塑封器件失效的因素主要有以下幾種：塑封器件的設(shè)計(jì)工藝、塑封器件的材料。在工藝中可能會(huì)出現(xiàn)的問(wèn)題主要有以下幾種：內(nèi)部填充不完整，存在氣孔或者表面多孔、表面開裂等等。

通常，塑封料在進(jìn)行形態(tài)處理的時(shí)候會(huì)呈現(xiàn)出熔融的狀態(tài)，是具有沖力的粘稠的運(yùn)動(dòng)流體。有了沖力就會(huì)導(dǎo)致金絲發(fā)生移動(dòng)，甚至?xí)?dǎo)致今日斷裂，這就是人們口中的沖絲，但是沖絲會(huì)牽涉到鍵合、塑封兩道工藝，這主要是因?yàn)樵谒苄螘r(shí)產(chǎn)生的金絲過(guò)長(zhǎng)、氣體較多等等。

1.4.2芯片粘接存在的不足

造成芯片粘接方面存在不足的原因主要是因?yàn)樾酒突恼辰訝顩r不良、材料之間留有空隙，這就會(huì)導(dǎo)致芯片表面產(chǎn)生臟物，進(jìn)而導(dǎo)致熱量不能均勻分布、芯片表面開裂等現(xiàn)象。另外，空隙之間還會(huì)留有濕氣自己污染物，這都會(huì)導(dǎo)致芯片受損。

1.4.3鈍化層存在的不足

鈍化層方面存在的不足主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：表層裂開、存在空隙或者粘接不良等。這些問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致電氣開路或者存在漏電等問(wèn)題出現(xiàn)。因此，在對(duì)芯片的鈍化層進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候要講將鍵合以及集成電路方面的問(wèn)題考慮進(jìn)去，要保證焊盤具有足夠的抗水氣腐蝕性。

1.4.4封裝存在的不足

封裝存在的不足主要表現(xiàn)為：表面有氣泡、粘接剝離、芯片基片發(fā)生移動(dòng)以及引線彎曲等等。這些問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致塑封開裂、金屬層發(fā)生形變、短路等等，就會(huì)影響器件的使用；如果引線框架表面污染物就會(huì)有剝離的現(xiàn)象出現(xiàn)。另外，還包括應(yīng)力不能完全消除以及脫模劑過(guò)量等問(wèn)題。

二、結(jié)束語(yǔ)

要想從根本上提高塑封器件的可靠性，就要處理好設(shè)計(jì)與制造、工作環(huán)境等方面的事情。在對(duì)器件進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮到環(huán)境的問(wèn)題。保證在進(jìn)行封裝的時(shí)候控制好工藝流程，盡量減少其中的水汽量以及金屬框架帶來(lái)的影響。另外，選取塑封料也是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，在對(duì)其進(jìn)行運(yùn)輸搬運(yùn)的過(guò)程中要采取相應(yīng)的保護(hù)措施，防止?jié)駳膺M(jìn)入、引線彎曲等等。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱江，喬廬峰，F(xiàn)PGA高手設(shè)計(jì)實(shí)戰(zhàn)真經(jīng)100則M].北京電子工業(yè)出版社，2013.

[2]楊興、劉玉寶，器件的失效分析[J]，LSI制造與測(cè)試，1999.