粘片膠固化對塑封集成電路可靠性的影響

李　強，李　紅

（天水華天科技股份有限公司，甘肅天水，741000）

粘片膠固化對塑封集成電路可靠性的影響

李強，李紅

（天水華天科技股份有限公司，甘肅天水，741000）

當(dāng)具有諸如分層等可靠性缺陷的微電子器件焊接在線路板上，通過回流焊時會產(chǎn)生塑封體裂縫、塑封體鼓脹等重要缺陷。粘片膠未充分固化、水汽未完全排除、環(huán)境濕氣較大易吸濕等原因?qū)е滤刂芊怏w與引線引腳向內(nèi)部擴散。表現(xiàn)為各結(jié)合面的分層，粘片膠與芯片之間、塑封體與引線之間、塑封體與芯片之間，各種分層在快速加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力下水汽快速膨脹，從而引起器件可靠性隱患。

并鍵詞：粘片膠；分層；可靠性

1　引言

近年來，塑料封裝以其低廉的成本，在電子整機產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，代替陶瓷封裝和金屬封裝成為封裝業(yè)的主流，同時塑料封裝集成電路的產(chǎn)品可靠性也不斷提升，幾乎可以與軍工產(chǎn)品相媲美。集成電路常規(guī)塑料封裝過程中，由于芯片始終要和粘片膠相結(jié)合，如果粘片膠內(nèi)部濕氣未完全排除，塑封集成電路就會存在可靠性隱患，比如芯片分層、粘片膠分層等。芯片分層已有很多研究，不再討論，這里主要分析粘片膠分層對產(chǎn)品可靠性的影響。集成電路塑料封裝粘片膠高溫固化時間不夠，不能將高溫粘片膠中的水汽完全排出，使得產(chǎn)品受熱時高溫粘片膠中的水汽迅速膨脹，引起分層甚至產(chǎn)品爆裂，導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性降低甚至失效。

2　分層原因分析

在集成電路封裝過程中，高溫粘片膠固化時間不足導(dǎo)致粘片膠固化不充分會影響產(chǎn)品可靠性，具體現(xiàn)象如下：在回流焊過程中，部分封裝產(chǎn)品會出現(xiàn)封裝體底部有凸起現(xiàn)象而導(dǎo)致電路虛焊。對產(chǎn)品進行回流焊實驗，回流焊溫度為250℃，回流焊過程總時間為7 min，其中溫度在175℃以上的時間為2 min，當(dāng)采用熱吹槍加熱到270℃時，產(chǎn)品底部出現(xiàn)“鼓包裂開”。針對上述問題，需對樣品進行分析、驗證，并總結(jié)失效機理，制定預(yù)防改善措施，對產(chǎn)品先進行非破壞性分析和破壞性分析。

2.1外觀檢查

對封裝產(chǎn)品的外觀進行檢測，發(fā)現(xiàn)正常產(chǎn)品的底部平整，異常產(chǎn)品封裝體的底部出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，具體情況如圖1所示。

圖1　開裂產(chǎn)品和正常產(chǎn)品封裝體底部外觀對比

2.2X-Ray透視分析

X-Ray檢查是指利用高電壓撞擊靶材產(chǎn)生X射線穿透，來檢測電子元器件、半導(dǎo)體封裝產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造品質(zhì)以及SMT各類型焊點焊接質(zhì)量等。對失效封裝體底部開裂產(chǎn)品進行X-Ray檢查，如圖2所示，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品焊線良好。

圖2　失效產(chǎn)品X-Ray檢查

2.3SAT掃描分析

SAM（Scanning Acoustic Microscope）又被稱作SAT（Scanning Acoustic Tomography），同X-Ray一樣，也是半導(dǎo)體行業(yè)用的非接觸性檢測工具之一，可對IC封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行非破壞性檢測，能有效檢出因水汽或熱能所造成的各種破壞，如填膠中的裂縫、封裝材料內(nèi)部的氣孔等。對封裝體底部開裂產(chǎn)品進行超聲掃描（反射）檢查，如圖3所示，圈出區(qū)域表示有分層，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的芯片表面和引線框架打線區(qū)域未出現(xiàn)分層，故判斷產(chǎn)品分層合格。

圖3　產(chǎn)品分層合格

再次對產(chǎn)品進行超聲掃描（透射）檢查，如圖4所示，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品芯片區(qū)域顏色發(fā)黑，透射探頭無法穿透樣品，判斷產(chǎn)品存在異常，需要進行Cross-Section檢查。

圖4　超聲掃描（透射）檢查

2.4Cross-Section分析

Cross-Section分析是指對產(chǎn)品進行切割，觀察產(chǎn)品橫斷面各界面之間的分層情況。為進一步探究產(chǎn)品存在異常的原因，對問題產(chǎn)品進行切片分析，具體如圖5所示。

通過切片分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品粘片膠與載體、載體與塑封體之間存在明顯的分層，初步判斷是封裝體分層內(nèi)存在氣體，導(dǎo)致產(chǎn)品在加熱過程中氣體受熱膨脹，塑封體底部裂開。

圖5　開裂產(chǎn)品切片分析結(jié)果

3　驗證分析及改善措施

為進一步驗證失效機理，使故障復(fù)現(xiàn)，對產(chǎn)品再次進行回流焊驗證分析，選擇3批樣品，先測量塑封體厚度變化情況，再進行Cross-Section分析。如表1所示，對3批分別進行試驗，并測量實驗前后封裝體的厚度。

表1　不同實驗條件下封裝體厚度的變化

由表1可以看出，烘烤200℃/4 h或125℃/24 h，回流焊250℃/1次前后的塑封體厚度無變化并合格。不烘烤的樣品，回流焊250℃/1次后塑封體厚度發(fā)生變化或炸裂，判斷是由于粘片膠中的水分未烘干，導(dǎo)致產(chǎn)品炸裂。為進一步探究異常原因，進一步對產(chǎn)品進行Cross-Section驗證。

如圖6所示，通過Cross-Section驗證，發(fā)現(xiàn)不烘烤的樣品，在回流焊250℃/1次后塑封體裂開且介質(zhì)間存在明顯分層；烘烤200℃/4 h或125℃/24 h，回流焊250℃/1次后塑封體各介質(zhì)間無明顯分層或裂開。

由于封裝材料中粘片膠中存在大量水分，通過上述模擬驗證和故障復(fù)現(xiàn)，說明塑封體背面鼓包裂開是因為粘片膠固化時間不夠，沒有將粘片膠中的水分完全排出，導(dǎo)致產(chǎn)品受熱時導(dǎo)電膠中的水分受熱膨脹，汽化形成鼓包引起塑封體裂開。

為進一步防止封裝后的產(chǎn)品因粘片膠的吸濕在回流焊后出現(xiàn)鼓包現(xiàn)象，建議控制粘片膠的固化時間，確保粘片膠充分固化并排除其中的水分，優(yōu)選粘片膠固化條件為200℃/4 h。

圖6　分層產(chǎn)品對比

4　結(jié)束語

塑料封裝的IC產(chǎn)品，在封裝過程中存在各種各樣的異?，F(xiàn)象，微小的封裝缺陷都有可能導(dǎo)致嚴重的質(zhì)量缺陷，只有不斷地驗證分析，提高工藝，并確保每一個環(huán)節(jié)嚴格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，才能確保產(chǎn)品的質(zhì)量，所以需要不斷提高工藝、制程水平，才能滿足不斷發(fā)展的需求。針對集成電路塑料封裝中因粘片膠吸濕在回流焊后出現(xiàn)鼓包的現(xiàn)象，可以通過控制粘片膠的固化時間達到去除水分的目的，從而避免因氣體膨脹導(dǎo)致產(chǎn)品失效的情況發(fā)生。

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

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

The Effect of Epoxy on the Reliability of Plastic Integrated Circuit

LI Qiang，LI Hong
（Huatian Technology Co.，Ltd，Tianshui 741000，China）

Because of the plastic packaging process，the chip should always and molding compound adhesive binding，there is the reliability problems can not be overcome.Such as chip layer，adhesive layer and so on.Many studies have no longer discuss stratified，chip，here mainly analyzes the influence of adhesive layer on the reliability of products.Due to the high temperature adhesive curing time is not enough，not the vapor temperature adhesive in a completely discharged，the product is heated，the water vapor in high temperature adhesive in the rapid expansion，cause abdominal burst，product reliability can not be through.

adhesive；layered；reliability

TN305.94

A

1681-1070（2016）05-0023-03

2015-12-2

李強（1976—），男，甘肅天水人，助理工程師，就職于天水華天科技股份有限公司，主要從事失效及可靠性試驗設(shè)備維保工作；

李紅（1970—），女，甘肅天水人，工程師，就職于天水華天科技股份有限公司，主要負責(zé)項目管理工作。