塑封器件失效原因分析

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，被應(yīng)用在越來越多的地方。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，并對其進行了更細層次的描述。其中主要講述了受潮、EOS/ESD損壞、機械應(yīng)力作用、生產(chǎn)工藝缺陷等方面。通過研究發(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、沒涂層材料方面越來越可靠，甚至在可靠性方面超過了金屬或者陶瓷的封裝器件。通常塑封器件會有兩種失效模式，即早期失效、使用期失效。早期失效模式是指那些在設(shè)計或者工藝方面的失誤造成的質(zhì)量問題，可以借助常規(guī)檢測發(fā)現(xiàn)的；而使用期失效是指塑封器件本身存在的問題，經(jīng)過一段時間后會受到影響的與應(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、機械應(yīng)力等方面所導(dǎo)致的。

一、對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，使集成芯片可以受到保護。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大分子結(jié)構(gòu)以及吸濕性在應(yīng)用量遠遠超過陶瓷、金屬材料的器件。開路、短路等都會引起塑封材料的失效。因為塑封器件屬于非氣密性的器件，所以很容易受到潮氣的影響。

1.1受潮

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

1.1.1腐蝕

從塑封器件受潮的角度來看，影響其氣密性的最主要的原因就是有濕氣的進入，這主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一是材料本身就具有一定的吸水性和透濕性，這樣就會導(dǎo)致水氣直接進入，進而擴散到芯片的表面；二是因為塑料包封層和金屬框架之間會留有一定的縫隙，這又為水氣進入芯片表面提供了機會。

當水氣通過以上兩種方法進入芯片表面后，就會在其表面形成一層水膜，之后就會有鈉離子、氯離子進入到芯片表面，形成電位差發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這會加快芯片的腐蝕性，最后會損壞電路。目前，我國在不斷地提高電路的集成度，也就是說鋁布線會變得越來越細，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)，同時又因為有水氣的進入便加快了離子的分解從而加快了腐蝕的速度。在腐蝕時電解出來的化學(xué)物質(zhì)會發(fā)生質(zhì)的變化，比如說，會增加脆性以及電阻值增加等等，除此之外。在使用塑封器件時出現(xiàn)漏電流、線路短路等問題也會使電路出現(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程中可能就會有安全隱患。

1.1.2爆米花效應(yīng)

在對塑封器件進行加熱時，管中的水分就會發(fā)生汽化，使得管內(nèi)壓力增大，就會使器件發(fā)生膨脹，之后就會有分層、開裂的現(xiàn)象出現(xiàn)，這就是爆米花效應(yīng)的由來。分層、開裂的現(xiàn)象不僅僅會出現(xiàn)在加熱的過程中，還可能出現(xiàn)在冷卻的過程中。當管殼出現(xiàn)裂縫時就會有水分以及其他污染物進入，這樣就會影響器件的使用壽命。除此之外，在對材料進行加熱的過程中，產(chǎn)生的壓力會影響到焊線的完好性，尤其是當芯片角應(yīng)力處于最大狀態(tài)的時候，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)象是因為電流通過導(dǎo)致塑料過熱。這就會導(dǎo)致封裝劑效果下降，甚至產(chǎn)生電阻。如果出現(xiàn)電流過大的情況就會導(dǎo)致塑料本身發(fā)熱，這樣就會加快塑封器件的損壞。

1.3機械應(yīng)力作用

塑封器件的密封性會受到芯片線膨脹系數(shù)以及金屬框架線膨脹系數(shù)帶來的影響。通常，塑封器件的膨脹系數(shù)是大于芯片的，所以塑封器件在進行注模工藝時就可能會發(fā)生移動。這就會給芯片表面帶來一定的壓力，使得金屬層逐漸往芯片中央移動，這樣就會導(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，芯片會受到塑封料在工作時給的壓力，溫度與壓力呈反方向變動。同樣，當當塑封料的填充物中為石英砂時，芯片就會受到壓力，發(fā)生上述類似的事情，導(dǎo)致器件無法使用。

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)計工藝、塑封器件的材料。在工藝中可能會出現(xiàn)的問題主要有以下幾種：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，塑封料在進行形態(tài)處理的時候會呈現(xiàn)出熔融的狀態(tài)，是具有沖力的粘稠的運動流體。有了沖力就會導(dǎo)致金絲發(fā)生移動，甚至?xí)?dǎo)致今日斷裂，這就是人們口中的沖絲，但是沖絲會牽涉到鍵合、塑封兩道工藝，這主要是因為在塑形時產(chǎn)生的金絲過長、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為芯片和基片的粘接狀況不良、材料之間留有空隙，這就會導(dǎo)致芯片表面產(chǎn)生臟物，進而導(dǎo)致熱量不能均勻分布、芯片表面開裂等現(xiàn)象。另外，空隙之間還會留有濕氣自己污染物，這都會導(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)在以下幾個方面：表層裂開、存在空隙或者粘接不良等。這些問題會導(dǎo)致電氣開路或者存在漏電等問題出現(xiàn)。因此，在對芯片的鈍化層進行設(shè)計的時候要講將鍵合以及集成電路方面的問題考慮進去，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)生移動以及引線彎曲等等。這些問題都會導(dǎo)致塑封開裂、金屬層發(fā)生形變、短路等等，就會影響器件的使用；如果引線框架表面污染物就會有剝離的現(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量等問題。

二、結(jié)束語

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

參考文獻：

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