封装缺陷失效的分类

Zjianeng

可以根据界面类型对分层进行分类
# u2 |* s' E* h0 `& _( g　　空洞
: r& ^% d+ f. w, F! I　　封装工艺中，气泡嵌入环氧材料中形成了空洞，空洞可以发生在封装工艺过程中的任意阶段，包括转移成型、填充、灌封和塑封料至于空气环境下的印刷。通过化空气量，如排空或者抽真空，可以减少空洞。有报道采用的真空压力范围为1~300Torr（一个大气压为760Torr）。
  @' {* w% E: r% t0 \, d8 u4 ~　　填模仿真分析认为，是底部熔体前沿与芯片接触，导致了流动性受到阻碍。部分熔体前沿向上流动并通过芯片外围的大开口区域填充半模顶部。新形成的熔体前沿和吸附的熔体前沿进入半模顶部区域，从而形成起泡。
　　不均匀封装
. |! R: ^/ y% a/ ~) z3 R. E/ j　　非均匀的塑封体厚度会导致翘曲和分层。传统的封装技术，诸如转移成型、压力成型和灌注封装技术等，不易产生厚度不均匀的封装缺陷。晶圆级封装因其工艺特点，而特别容易导致不均匀的塑封厚度。
* ?2 e9 Y3 f, H$ `; ?9 ^　　为了确保获得均匀的塑封层厚度，应固定晶圆载体使其倾斜度以便于刮刀安装。此外，需要进行刮刀位置控制以确保刮刀压力稳定，从而得到均匀的塑封层厚度。
　　在硬化前，当填充粒子在塑封料中的局部区域聚集并形成不均匀分布时，会导致不同质或不均匀的材料组成。塑封料的不充分混合将会导致封装灌封过程中不同质现象的发生。
　　毛边
2 O7 v& b( E! g  Y+ ]* z+ m　　毛边是指在塑封成型工艺中通过分型线并沉积在器件引脚上的模塑料。
　　夹持压力不足是产生毛边的主要原因。如果引脚上的模料残留没有及时清除，将导致组装阶段产生各种问题。例如，在下一个封装阶段中键合或者黏附不充分。树脂泄漏是较稀疏的毛边形式。
　　外来颗粒
　　在封装工艺中，封装材料若暴露在污染的环境、设备或者材料中，外来粒子就会在封装中扩散并聚集在封装内的金属部位上（如IC芯片和引线键合点），从而导致腐蚀和其他的后续可靠性问题。
　　不完全固化
　　固化时间不足或者固化温度偏低都会导致不完全固化。另外，在两种封装料的灌注中，混合比例的轻微偏移都将导致不完全固化。为了化实现封装材料的特性，必须确保封装材料完全固化。在很多封装方法中，允许采用后固化的方法确保封装材料的完全固化。而且要注意保证封装料比例的配比。
0 o0 f# j" B9 }, l　　封装失效的分类
1 L9 j3 g, @% L9 i/ U# o  t　　在封装组装阶段或者器件使用阶段，都会发生封装失效。特别是当封装微电子器件组装到印刷电路板上时更容易发生，该阶段器件需要承受高的回流温度，会导致塑封料界面分层或者破裂。
4 v/ w: |( |; w: U: h　　分层
" Q# A( v( d8 e- {; @7 X　　如上一节所述，分层是指塑封材料在粘接界面处与相邻的材料分离。可能导致分层的外部载荷和应力包括水汽、湿气、温度以及它们的共同作用。
$ k" @/ a' ]; q! G7 p$ v　　在组装阶段常常发生的一类分层被称为水汽诱导（或蒸汽诱导）分层，其失效机理主要是相对高温下的水汽压力。在封装器件被组装到印刷电路板上的时候，为使焊料融化温度需要达到220℃甚至更高，这远高于模塑料的玻璃化转变温度（约110~200℃）。在回流高温下，塑封料与金属界面之间存在的水汽蒸发形成水蒸气，产生的蒸汽压与材料间热失配、吸湿膨胀引起的应力等因素共同作用，终导致界面粘接不牢或分层，甚至导致封装体的破裂。无铅焊料相比传统铅基焊料，其回流温度更高，更容易发生分层问题。
　　吸湿膨胀系数（CHE），又称湿气膨胀系数（CME）
　　湿气扩散到封装界面的失效机理是水汽和湿气引起分层的重要因素。湿气可通过封装体扩散，或者沿着引线框架和模塑料的界面扩散。研究发现，当模塑料和引线框架界面之间具有良好粘接时，湿气主要通过塑封体进入封装内部。但是，当这个粘结界面因封装工艺不良（如键合温度引起的氧化、应力释放不充分引起的引线框架翘曲或者过度修剪和形式应力等）而退化时，在封装轮廓上会形成分层和微裂缝，并且湿气或者水汽将易于沿这一路径扩散。更糟糕的是，湿气会导致极性环氧黏结剂的水合作用，从而弱化和降低界面的化学键合。
5 u1 g, g. }4 P　　表面清洁是实现良好粘结的关键要求。表面氧化常常导致分层的发生（如上一篇中所提到的例子），如铜合金引线框架暴露在高温下就常常导致分层。氮气或其他合成气体的存在，有利于避免氧化。
　　模塑料中的润滑剂和附着力促进剂会促进分层。润滑剂可以帮助模塑料与模具型腔分离，但会增加界面分层的风险。另一方面，附着力促进剂可以确保模塑料和芯片界面之间的良好粘结，但却难以从模具型腔内清除。
; t# w2 Y* C! e$ b: [6 |. U　　分层不仅为水汽扩散提供了路径，也是树脂裂缝的源头。分层界面是裂缝萌生的位置，当承受交大外部载荷的时候，裂缝会通过树脂扩展。研究表明，发生在芯片底座地面和树脂之间的分层容易引起树脂裂缝，其它位置出现的界面分层对树脂裂缝的影响较小。
( Z" }9 S% j3 u2 O# _+ C/ u　　气相诱导裂缝（爆米花现象）
　　水汽诱导分层进一步发展会导致气相诱导裂缝。当封装体内水汽通过裂缝逃逸时会产生爆裂声，和爆米花的声音非常像，因此又被称为爆米花现象。裂缝常常从芯片底座向塑封底面扩展。在焊接后的电路板中，外观检查难以发现这些裂缝。QFP和TQFP等大而薄的塑封形式容易产生爆米花现象；此外也容易发生在芯片底座面积与器件面积之比较大、芯片底座面积与塑封料厚度之比较大的的器件中。爆米花现象可能会伴随其他问题，包括键合球从键合盘上断裂以及键合球下面的硅凹坑等。
　　塑封器件内的裂缝通常起源于引线框架上的应力集中区（如边缘和毛边），并且在薄塑封区域内扩展。毛边是引线框架表面在冲压工艺中产生的小尺寸变形，改变冲压方向使毛边位于引线框架顶部，或者刻蚀引线框架（模压）都可以减少裂缝。
* q# N5 [  c* ?/ I( k/ J　　减少塑封器件内的湿气是降低爆米花现象的关键。常采用高温烘烤的方法减少塑封器件内的湿气。前人研究发现，封装内允许的安全湿气含量约为1100×10^-6（0.11 wt.%)。在125℃下烘烤24h，可以充分去除封装内吸收的湿气。
) t( Z' @, A/ a! M- B8 E　　脆性断裂
　　脆性断裂经常发生在低屈服强度和非弹性材料中（如硅芯片）。到材料受到过应力作用时，突然的、灾难性的裂缝扩展会起源于如空洞、夹杂物或不连续等微小缺陷。
+ _5 @  _4 u2 ]0 H% t　　韧性断裂
) F4 H0 \9 m* F. X　　塑封材料容易发生脆性和韧性两种断裂模式，主要取决于环境和材料因素，包括温度、聚合树脂的黏塑特性和填充载荷。即使在含有脆性硅填料的高加载塑封材料中，因聚合树脂的黏塑特性，仍然可能发生韧性断裂。
* y( Z, o7 z/ e　　疲劳断裂
4 F2 v8 `6 e/ B5 {! i　　塑封料遭受到极限强度范围内的周期性应力作用时，会因累积的疲劳断裂而断裂。施加到塑封材料上的湿、热、机械或综合载荷，都会产生循环应力。疲劳失效是一种磨损失效机理，裂缝一般会在间断点或缺陷位置萌生。
　　疲劳断裂机理包括三个阶段：裂纹萌生（阶段Ⅰ）；稳定的裂缝扩展（阶段Ⅱ）；突发的、不确定的、灾难性失效（阶段Ⅲ）。在周期性应力下，阶段Ⅱ的疲劳裂缝扩展指的是裂缝长度的稳定增长。塑封材料的裂纹扩展速率要远高于金属材料疲劳裂缝扩展的典型值（约3倍）
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KIObole

湿气膨胀系数