低功耗IC封裝用絕緣膠漏電問題及解決辦法

邱煥樞

（佛山市藍(lán)箭電子股份有限公司 廣東省佛山市 528000）

在低功耗IC封裝中，絕緣膠漏電問題對(duì)整個(gè)芯片系統(tǒng)的正常運(yùn)行具有重要的影響，經(jīng)過多年的研究與實(shí)踐，低功耗IC 用絕緣膠出現(xiàn)的漏電問題與半導(dǎo)體工藝水平高低之間有著直接的關(guān)系。其中，由于絕緣膠漏電問題是較為隱蔽和不容易發(fā)現(xiàn)的，進(jìn)而延長(zhǎng)了問題的解決時(shí)間。為此，選擇合格的絕緣膠是降低和減少其漏電問題最有效的方法之一。

1 低功耗IC封裝用絕緣膠漏電問題綜述

低功耗IC封裝用絕緣膠漏電，即PN 結(jié)在截止時(shí)產(chǎn)生的一種很微小的電流。低功耗IC封裝用絕緣膠漏電問題業(yè)內(nèi)人士都曾遇到過，這一問題也一直困擾著封裝工程師，該問題的出現(xiàn)可以在低功耗IC封裝用絕緣膠封裝后發(fā)現(xiàn)，也可以在其使用過程中發(fā)現(xiàn)，而低功耗IC封裝用絕緣膠失效是其漏電問題中最為常見的一種，解決低功耗IC封裝用絕緣膠漏電，是提高其使用性能最積極和主動(dòng)的手段之一。

2 低功耗IC封裝用絕緣膠失效表現(xiàn)及原因分析

2.1 低功耗IC封裝用絕緣膠失效表現(xiàn)

本文所選擇的是一種塑封封裝的低功耗IC封裝用絕緣膠樣品，該樣品在經(jīng)過了老煉（125℃，72h）、冷熱沖擊（‐65℃～150℃）、溫度循環(huán)（‐45℃～55℃，4 次4h）等的試驗(yàn)之后，該樣品的性能依然合格。但是，其在經(jīng)過交變濕熱試驗(yàn)（30℃～60℃。75%RH,8次48h）之后，該樣品的輸入端出現(xiàn)了漏電現(xiàn)象，導(dǎo)致低功耗IC封裝用絕緣膠樣品失效。為此，對(duì)已經(jīng)失效的低功耗IC封裝用絕緣膠樣品進(jìn)行了多次試驗(yàn)。

第1 次試驗(yàn)：低功耗IC封裝用絕緣膠樣品在常溫下放置約24小時(shí)，結(jié)果為輸入端漏電；

第2 次試驗(yàn)：將低功耗IC封裝用絕緣膠樣品在常溫下放置約48 小時(shí)，結(jié)果為輸入端對(duì)地阻抗恢復(fù)正常；

第3 次試驗(yàn)：對(duì)低功耗IC封裝用絕緣膠樣品進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)（‐55℃～125℃，20 次循環(huán)），結(jié)果為合格，未出現(xiàn)失效現(xiàn)象；

第4 次試驗(yàn)：對(duì)低功耗IC封裝用絕緣膠樣品進(jìn)行‐55℃，24h的低溫儲(chǔ)存后，結(jié)果為輸入端出現(xiàn)漏電，阻值為40kΩ（正常值為>20kΩ），這就表明失效后的低功耗IC封裝用絕緣膠樣品2 個(gè)引腳之間的阻抗不穩(wěn)定，使得絕緣膠的性能受到了影響。

2.2 低功耗IC封裝用絕緣膠失效原因分析

根據(jù)對(duì)低功耗IC封裝用絕緣膠產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和連接情況的判斷，造成低功耗IC封裝用絕緣膠漏電問題的主要原因可能是因?yàn)樾酒瑑?nèi)部出現(xiàn)了異常、鍵合內(nèi)引線異常、塑封應(yīng)力大、芯片表面刮花和變形、固晶生產(chǎn)工藝缺陷、芯片本身缺陷以及靜電等的原因而造成的。

（1）芯片異常。芯片在生產(chǎn)和制造過程中出現(xiàn)了異常，且其在外部異常應(yīng)力的作用下，導(dǎo)致芯片自身性能出現(xiàn)異常，通過利用化學(xué)方法，將芯片周圍的塑封料和基板去除，再對(duì)芯片2 個(gè)引腳進(jìn)行扎針測(cè)試，得出芯片輸入端與地的阻抗全部為正常值，且芯片表面并無異常；

（2）鍵合內(nèi)引線異常。在對(duì)低功耗IC封裝用絕緣膠產(chǎn)品進(jìn)行封裝的過程中，鍵合內(nèi)引線出現(xiàn)錯(cuò)誤鍵合打線、交叉碰線、塌線等的異常情況，導(dǎo)致輸入端對(duì)地短路；將已經(jīng)失效的低功耗IC封裝用絕緣膠樣品與正常的低功耗IC封裝用絕緣膠樣品進(jìn)行X‐ray 對(duì)比之后可以明確看出：失效的樣品與正常產(chǎn)品鍵合內(nèi)引線的情況是一致的，并無異常。因此，可以排除由于鍵合內(nèi)引線異常導(dǎo)致的低功耗IC封裝用絕緣膠失效原因。

（3）塑封應(yīng)力大。低功耗IC封裝用絕緣膠產(chǎn)品在封裝過程中，芯片表面會(huì)包封覆蓋著一層塑封料，塑封料會(huì)對(duì)芯片施加一定的應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致低功耗IC封裝用絕緣膠產(chǎn)品失效。此時(shí)，可以通過機(jī)械方法將低功耗IC封裝用絕緣膠產(chǎn)品表面的塑封料去除，再對(duì)芯片的2 個(gè)引腳之間的阻抗進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)失效樣品的輸入端出現(xiàn)了漏電現(xiàn)象，即當(dāng)塑封應(yīng)力消失后漏電問題并未得到解決，因此也可以排除是塑封封裝過程中的塑封料應(yīng)力導(dǎo)致失效的原因。

（4）芯片表面刮花、變形。芯片表面刮花、變形也有可能導(dǎo)致低功耗IC封裝用絕緣膠產(chǎn)品出現(xiàn)失效，利用化學(xué)方法，將低功耗IC封裝用絕緣膠產(chǎn)品表面的塑封料開封去除掉，并在高倍顯微鏡下觀察芯片表面，未發(fā)現(xiàn)其表面有刮花和變形現(xiàn)象，故此也可以排除芯片表面刮花、變形而導(dǎo)致的低功耗IC封裝用絕緣膠失效原因。

（5）固晶生產(chǎn)工藝缺陷。在固晶生產(chǎn)過程中，應(yīng)當(dāng)選擇合格的絕緣膠，并要控制好絕緣膠使用量和空洞數(shù)量及大小，過少的絕緣膠和較多的空洞會(huì)使絕緣效果下降，而引起漏電問題；過多的絕緣膠會(huì)返回至芯片上，當(dāng)絕緣膠的高度高于芯片高度的2/3 之上時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下幾種現(xiàn)象：①液態(tài)的絕緣膠就會(huì)轉(zhuǎn)化成固態(tài)，即在烘烤過程中絕緣膠的部分成分會(huì)隨著芯壁向上攀爬。②絕緣膠雜物被膠帶起，導(dǎo)致芯片單邊絕緣膠過高。③絕緣膠被吸嘴吸起粘到芯片表面上。

（6）芯片本身缺陷。因芯片沾污所吸附的雜質(zhì)會(huì)發(fā)生電離，形成電流通道，引起低功耗IC封裝用絕緣膠漏電問題，這類問題暫被定義為芯片自身缺陷，一般情況下難以直接觀察到，需要通過排除法，再結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)來判斷，或者也可以借助SEM 予以協(xié)助判定。

（7）靜電引起漏電。靜電分析判定。通過靜電測(cè)試有漏電流樣品，進(jìn)行開封去掉塑封料后，借助高倍顯微鏡觀察低功耗IC封裝用絕緣樣品的鍵合、固晶均未發(fā)現(xiàn)異常，在對(duì)其進(jìn)行半腐蝕解刨，并在40‐200 倍的顯微鏡下觀察芯片表面是否存在燒傷現(xiàn)象，如果存在可以基本判定為是由于靜電擊傷而形成的。

2.3 失效機(jī)理分析

通過分析可以得出：芯片襯底電位為地，低功耗IC封裝用絕緣膠塑封料連接輸入端電位，其底部與載體之間通過絕緣膠隔離。在通常情況下，絕緣膠可以有效地隔離電位，即輸入端與地之間不會(huì)有電流通過。但是，如果絕緣膠出現(xiàn)了異常，其性能就會(huì)有所下降，導(dǎo)致低功耗IC封裝用絕緣膠出現(xiàn)漏電問題，進(jìn)而影響產(chǎn)品的正常使用。通過機(jī)械方法去除框架基板，測(cè)試輸入端與地之間的I‐V特性，發(fā)現(xiàn)漏電現(xiàn)象消失。因此，可以確定低功耗IC封裝用絕緣膠漏電位于襯底和基板之間的絕緣膠部位。

低功耗IC封裝用絕緣膠的芯片與基板之間應(yīng)當(dāng)選擇合格的絕緣膠，絕緣膠的作用是能有效隔離輸入端與地之間的阻抗值。在此基礎(chǔ)上，再對(duì)失效樣品與合格產(chǎn)品的進(jìn)行全面分析，并用X‐ray 對(duì)絕緣膠予以對(duì)比的檢查，發(fā)現(xiàn)失效樣品要比合格產(chǎn)品的絕緣膠空洞大很多。同時(shí)，當(dāng)?shù)凸腎C封裝用絕緣膠產(chǎn)品處于潮濕的環(huán)境下時(shí)，絕緣膠空洞使其強(qiáng)度進(jìn)一步降低，最終導(dǎo)致低功耗IC封裝用絕緣膠出現(xiàn)漏電問題。

通過全面解刨失效樣品結(jié)構(gòu)，并根據(jù)故障現(xiàn)象的分析得出：低功耗IC封裝用絕緣膠漏電問題產(chǎn)生的主要原因是：絕緣膠空洞使絕緣膠的厚度逐漸變薄。加之，絕緣膠中的摻雜的鍍金層，更容易出現(xiàn)漏電問題，在二者的共同作用下，導(dǎo)致低功耗IC封裝用絕緣膠出現(xiàn)漏電問題。

3 低功耗IC封裝用絕緣膠漏電試驗(yàn)分析

3.1 出現(xiàn)漏電現(xiàn)象

通過以上分析：導(dǎo)致低功耗IC封裝用絕緣膠出現(xiàn)的漏電問題的因素有很多，低功耗IC封裝用絕緣膠電流的正常值為2uA 以下，而出現(xiàn)漏電問題的失效產(chǎn)品電流則超過了正常電流的10 倍甚至是百倍以上，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的使用性能和安全性。

3.2 試驗(yàn)分析

低功耗IC封裝用絕緣膠出現(xiàn)的漏電問題并不能通過封裝后的IC 測(cè)試和篩選出來，需要通過長(zhǎng)時(shí)間的通電才能完成驗(yàn)證，在持續(xù)通電24h 之后，低功耗IC封裝用絕緣膠的對(duì)地端電流會(huì)持續(xù)增大，超出正常測(cè)試范圍，而在斷電之后，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，該低功耗IC封裝用絕緣膠電流會(huì)逐漸恢復(fù)正常。

3.3 對(duì)于不同材料的漏電試驗(yàn)分析

對(duì)于以上問題，需要進(jìn)行以下三個(gè)方面的試驗(yàn)分析：

（1）更改低功耗IC封裝用的框架；

（2）更改低功耗IC封裝用的塑封料；

（3）增加低功耗IC封裝用的絕緣膠厚度。

在對(duì)低功耗IC封裝用的框架和塑封料進(jìn)行更改后，通過持續(xù)上電仍有漏電現(xiàn)象，而在增加絕緣膠厚度之后再進(jìn)行批次抽檢，沒有發(fā)現(xiàn)漏電現(xiàn)象。這就足以說明：低功耗IC封裝用絕緣膠漏電問題的主要原因是由于絕緣厚度不足而導(dǎo)致的。

在對(duì)低功耗IC封裝用絕緣膠持續(xù)通電時(shí)，框架上的鍍銀部位會(huì)產(chǎn)生銀離子運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生較大的漏電流，這也是導(dǎo)致低功耗IC封裝用絕緣膠漏電問題的另一重要因素，而如果更改使用不鍍銀的框架雖然會(huì)有改善的效果，但會(huì)影響芯片的鍵合打線效果。因此，還需要通過選擇合適的絕緣膠和不斷提高絕緣膠的工藝水平才能從根本上解決低功耗IC封裝用絕緣膠漏電問題。

4 低功耗IC封裝用絕緣膠漏電問題的解決辦法

4.1 注入不導(dǎo)電顆粒

如果僅僅增加絕緣膠的厚度，又會(huì)由于厚度的不可控制性，會(huì)對(duì)鍵合打線工藝造成嚴(yán)重的影響。因此，合理選擇絕緣膠尤為重要。通過與絕緣膠供貨商的協(xié)商，在原有的絕緣膠中注入固定直徑的不導(dǎo)電固體顆粒，進(jìn)而精準(zhǔn)地控制絕緣膠的厚度。實(shí)踐證明，選擇直徑為25um 的不導(dǎo)電顆粒，可有效解決低功耗IC封裝用絕緣膠漏電問題。

4.2 準(zhǔn)確定位各引腳定位關(guān)系

準(zhǔn)確定位低功耗IC封裝用絕緣膠各個(gè)引腳之間的關(guān)系，盡全力地避免使用絕緣膠來隔離電位，當(dāng)?shù)凸腎C封裝的芯片底部位與框架基板的電位同等時(shí)，此時(shí)的絕緣膠僅僅能起到粘貼的作用，即使出現(xiàn)了輕微的漏電問題，對(duì)產(chǎn)品的性能也不會(huì)造成較大影響，這一方法可以從源頭上避免絕緣膠的漏電問題；對(duì)于芯片背面背金層沒有明確用途的器件，要盡量去除背金層后再使用，這一方法可以有效防止背金層脫落掉入絕緣膠中，進(jìn)而引起絕緣膠漏電問題。低功耗IC封裝使用絕緣膠粘貼時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)?shù)卦黾咏^緣膠的厚度，并在其中加入一定數(shù)量的絕緣顆粒，從而準(zhǔn)確地控制絕緣膠的厚度，這樣可以有效避免因絕緣膠厚度不均勻而導(dǎo)致的漏電問題。

4.3 提高固晶生產(chǎn)工藝水平

（1）合理控制絕緣膠盤上絕緣膠的使用數(shù)量，絕緣膠數(shù)量應(yīng)當(dāng)控制在芯片的1/3‐2/3 之間為宜。

（2）定期對(duì)絕緣膠盤中的絕緣膠量進(jìn)行測(cè)量，要確保絕緣膠量，并于每間隔8 小時(shí)添加一次絕緣膠。

（3）一旦發(fā)現(xiàn)吸管出現(xiàn)偏移，要立即對(duì)其進(jìn)行清洗或者更換，并重新定位吸嘴的取晶位置，每4 個(gè)小時(shí)清洗點(diǎn)膠頭一次，確保點(diǎn)膠頭的清潔度。

（4）根據(jù)芯片的大小，選擇合適的吸嘴和點(diǎn)膠頭，使之與低功耗IC封裝用絕緣膠的芯片相匹配。

（5）生產(chǎn)低功耗IC封裝用絕緣膠的固晶、鍵合、塑封工序應(yīng)當(dāng)在潔凈車間中完成，并減少低功耗IC封裝用絕緣膠的固晶后到塑封前半成品的滯留和露空時(shí)間。

4.4 選擇正規(guī)廠家生產(chǎn)芯片

選擇有質(zhì)量保證的正規(guī)廠家來生產(chǎn)芯片，拒絕以次充好的次級(jí)品、殘次品、外次品。正規(guī)廠家生產(chǎn)和制造的芯片為了解決芯片沾污問題，會(huì)對(duì)芯片作二氧化硅鈍化保護(hù)且還會(huì)在其表面增加一層氮化硅予以保護(hù)，而那些次級(jí)品、殘次品、外次品則是二氧化硅和氮化硅的失敗品，即使芯片有保護(hù)層，但受后期封裝環(huán)境的影響，依然會(huì)出現(xiàn)漏電問題。另外低功耗IC封裝用絕緣膠芯片應(yīng)當(dāng)在潔凈車間中完成，并要減少芯片在車間的滯留時(shí)間，這也是降低芯片被沾污的一個(gè)重要因素。

4.5 減少靜電對(duì)芯片損傷

靜電的分析和判定是一個(gè)復(fù)雜的過程且成本高昂，下面提幾種即經(jīng)濟(jì)又有效的解決辦法：

（1）設(shè)計(jì)防靜電地板系統(tǒng)。

（2）開啟直流式離子風(fēng)扇。

（3）靜電防護(hù)區(qū)的濕度應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制在50%及以上。

（4）生產(chǎn)設(shè)備、測(cè)試儀器、工作臺(tái)、工作人員應(yīng)當(dāng)做好防靜電接地。

從實(shí)際生產(chǎn)情況來看，生產(chǎn)設(shè)備、測(cè)試儀器、工作臺(tái)、工作人員是引起低功耗IC封裝用絕緣膠產(chǎn)品被靜電擊傷導(dǎo)致漏電概率為1%。由此可見，因靜電引起的漏電問題也需要多多關(guān)注的。

5 結(jié)語

解決低功耗IC封裝用絕緣膠漏電問題是一個(gè)集綜合性與系統(tǒng)性于一體的問題，需從各個(gè)工藝環(huán)節(jié)入手，才能從根本上提升和解決低功耗IC封裝用絕緣膠的漏電問題和使用性能。