水汽对塑封集成电路\分立器件可靠性的影响_集成电路可靠性

时间：2020-03-06 07:19:50　来源：雅意学习网本文已影响人

　　摘要：塑料封装是一种非气密性封装，所用封装材料主要是由改性环氧树脂和填充料配制而成，它具有一定的亲水性，因此具有容易在其表面吸附环境中的水汽的特点。当吸附了水汽的器件处在高温环境时，器件内部吸附的水汽被汽化，产生的蒸汽压力急剧升高，导致器件内部各界面间产生分层和焊线损伤，甚至发生“爆米花”现象等。本文例举一个典型案例，来说明水汽对塑封器件的影响，寻找降低水汽对器件影响的措施。
　　关键词：塑封集成电路；非气密性；水汽；分层；失效；措施
　　
　　1 引言
　　
　　近年来，塑料封装工艺在微电子封装业中得到了广泛应用，已占据了超过90%（封装数量）的市场份额。与金属封装、陶瓷封装相比，由于塑料封装可以实现自动化和规模化生产，生产成本低，使得塑料封装成为封装业的主导封装工艺。虽然塑料封装有其突出的优点，但它也存在许多不足之处，如热稳定性能差，非气密性等，特别是塑料封装中常用的聚合物改性环氧树脂，其易于吸收周围环境中的水汽而对器件本身的可靠性带来不良影响。这些水汽在受热汽化时产生热膨胀应力，蒸汽压力急剧升高，封装器件的局部区域产生层间开裂[1]，导致器件内部产生分层[1]、焊线损伤及“爆米花”等各种不良现象，在有害气氛作用下还会对芯片表面产生腐蚀并对器件产生不良影响。因此，由水汽带来的产品可靠性及失效问题，已经成为微电子封装研究领域中要着力解决的热点和难点，受到越来越多的关注与重视。下面是由水汽引起器件失效的一个案例分析。
　　
　　2 案例分析
　　
　　 2.1 现象描述
　　客户反馈，他们在使用前，备份器件测试合格，但装上PCB板后（回流焊峰值温度为260℃），功能出现异常。对不良器件进行FT测试发现，用手按住不良器件再测试波形恢复正常，不按时测试则波形不正常。客户寄回两只上机使用不良器件，我方针对客户的描述，对不良器件进行了原因分析，并结合试验进行了验证。
　　
　　 2.2 分析流程及结果
　　 2.2.1 OS测试
　　 2只不良器件均有开路现象，但反复测试时，开路脚位时好时坏且不稳定，用手按住器件时测试开路现象消失（说明器件内部焊线有接触不良问题）。
　　 2.2.2 X-ray透视分析
　　经用X-ray透视分析，不良器件未发现断丝、脱焊等异常现象。如图1所示的。
　　 2.2.3 SAM扫描分析
　　对不良器件进行SAM扫描分析发现，2只不良器件均在塑封料/芯片界面间严重分层，如图2所示。
　　 2.2.4 DECAP分析
　　抽1只不良器件（1#）解剖，在高倍显微镜下检查后发现：不良器件芯片表面良好，但至少80%的焊线从第一焊点根部断开或第一焊点脱开，如图3和图4所示。
　　 2.2.5 初步分析结论
　　由上述分析结果初步推断，该器件可能已吸潮，吸潮的器件在回流高温过程中，内部水汽急速汽化，产生的热应力使其各界面间产生分层，并将部分焊线拉断或拉脱。
　　
　　3 案例验证
　　
　　 3.1 确定方案
　　为了证实初步结论，客户寄回该批次6只未使用器件，我方拟定两个试验方案进行验证：
　　方案1：抽3只器件→SAM扫描→260℃回流焊1次→SAM扫描→OS测试→解剖及切片分析；
　　方案2：抽3只器件→SAM扫描→125℃烘烤24小时（去除水汽）→260℃回流焊1次→SAM扫描→OS测试→解剖及切片分析
　　
　　 3.2 试验后分析结果
　　 3.2.1两种方案试验前、后SAM扫描分析
　　方案1：试验前3只器件各界面均无分层，如图5所示，但试验后均在塑封料/芯片界面间有分层，如图6所示。
　　方案2：试验前3只器件各界面均无分层，如图7所示，试验后（a）器件各界面间均无分层，（b）、（c）器件在塑封料/载体界面有分层，但在塑封料/芯片界面无分层，如图8所示。
　　 3.2.2 两种方案试验后OS测试分析
　　方案1试验后3只器件均有开路现象，且反复测试时，（b）、（c）器件开路脚位时好时坏不稳定，方案2试验后的3只器件均开短路良好且测试稳定。
　　 3.2.3 两种方案试验后DECAP分析
　　抽方案1后（a）、（b）器件，方案2后（b）器件解剖[1]，在高倍显微镜下检查后发现：选用方案1试验后的器件，芯片表面无异常，（a）器件芯片有分层区域的焊线第一焊点有脱焊现象，无分层区域的焊线良好，如图9的（a）图所示。（b）器件80%的焊线第一焊点有脱焊现象，脱焊后铝垫被拔起，且个别压区硅本体受损，如图9的（b）图所示。
　　选用方案2试验后的器件，芯片表面、各焊线均良好，做拉力试验，拉力良好，无断丝及脱焊现象。如图10所示。
　　 3.2.4 两种方案试验后切片分析
　　抽方案1后的（c）器件、方案2后的（c）器件，对第一焊点做切片分析[1]，切片后，方案1后的器件金球与压区镀银层间有裂纹且硅本体有损伤，方案2后的器件金球与压区镀银层间、硅本体均良好。（各取3个相同脚位的焊点拍照）：
　　
　　 3.3 验证结果
　　经验证分析可以确认：该器件已吸潮，案例中器件分层、焊线断开及焊点脱开均因器件内部的高温蒸汽压引起。
　　
　　4 措施
　　
　　如何预防塑封器件经过回流焊等高温作用后，在其内部各界面间不产生分层、焊线脱开、断裂及“爆米花”现象，建议：
　　（1）尽量采用粘结力高的塑封料和框架[1]。
　　（2）塑封好经测试是良品的合格器件，经过适当温度的真空烘烤后，采用防静电真空包装时，要在密封静电包装塑料袋中放置足够的干燥剂。
　　（3）成品应存放在湿度低的有防静电措施的仓库里。
　　（4）在使用环境温度变化大且湿度大的场合，应采取必要的防止水汽进入器件塑封体的防护措施。
　　（5）如发现器件已吸潮，高温前将器件放在125℃烘箱中烘烤24小时，去湿后再使用。
　　
　　5 结束语
　　
　　从上面的案例可以看出，水汽对塑封器件可靠性的破坏性是非常严重的，因此，要重视和有效预防塑封器件的吸潮问题，如原材料的合理选用及规范贮存、封装过程中工艺及加工参数的控制、成品在使用前和运输过程中的包装规范以及器件吸湿后的补救办法等。
　　
　　参考文献
　　[1]塑封集成电路离层对可靠性的影响及解决方法.邹小花,王永忠,周鸣新《电子与封装》.2009年05期.
　　
　　作者简介
　　梁春燕，1996年毕业于兰州电子工业学校电子技术专业，助理工程师，现就职于天水华天科技股份有限公司。多年来一直从事集成电路封装、可靠性试验及失效分析工作。

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