电子封装中极易出现的几个问题

Some Problems During Packaging and Testing

上海交通大学电子工程系 褚骏 戎蒙恬
--------------------------------------------------------------------------------

文章加入时间：2004年7月20日11:31:13

摘 要： 微电子产业已逐渐演变为设计、制造、封装三个既紧密联系又相对独立的产业，与前面两个环节相比，封装涉及的范围广，带动的基础产业多。本文论述了封装制程中经常出现的问题，分析 了它们产生的原因和可能造成的危害，并对封装中应力的作用以及湿气引起的腐蚀等问题作了一些较深入的讨论。
关键词：封装；焊接；成型；偏位；支架；黑胶；跳线；焊锡下流


概述

电子封装可以定义为：利用膜技术及微细连接技术将半导体元器件及其它构成要素在框架或基板上布置、固定及连接，引出接线端子，并通过可塑性绝缘介质灌封固定，构成完整的立体结构的工艺。电子封装具有机械支撑，电气连接，物理保护，外场屏蔽，应力缓和，散热防潮，尺寸过渡，规格化和标准化等多种功能。随着微电子产业的不断发展，测试封装技术也越来越引起人们的重视。从WAFER到成型的电子器件，这中间主要有以下一些工艺流程：切割-焊接-成型-切脚-电镀-测试-包装。每一道工艺都很重要，会直接影响到器件最后的使用，因此每一道工艺都有严格的制程规范和检验规范，以确保品质。


封装中经常出现的问题

焊接不良

焊接中出现的不良表现主要有：短路、偏位、气孔等。焊接不良在最终的测试环节并不一定能够检测出来，但可以通过做温度循环或热冲击使焊接不良变为开路或短路，从而将次品筛检出来。
短路是由于在焊接中分层放置物料时，使引线和其它导体搭接在一起而引起的，如图1所示。这样的缺陷可以用X-ray容易的检查出来，但要完全避免却很困难，需要通过认真设计Die的结构，正确计算焊点的尺寸，精确控制焊锡膏的用量及点胶位置，尽量缩短引线的长度，严格控制成型时黑胶的流动状况等手段来减少短路的发生。


引起偏位的原因很多，主要有焊锡分布不均，晶片放置时偏位，leadframe或clip的尺寸与晶片焊接区域的面积不匹配或分层放置的焊接物料同轴性差等。因此，完全杜绝偏位几乎是不可能的，在实际生产中，每家工厂都根据自己的工艺制定出相应的检验规范，将晶片偏位控制在一个不影响器件品质的范围内，图2所示为偏位。


焊接时由于焊片不够平整或放置时发生倾斜，就会产生气孔，如图3所示。总的来说，要完全避免气孔很困难，每家公司都根据自己的实际情况，严格规定了气孔允许产生的数量和最大尺寸，以使气孔的产生不会影响器件的电特性。但是小气孔的存在有可能使晶片承受额外的应力作用，这些应力在适当的环境条件和外界作用下（如成型或上胶时）会造成金属化损伤。另外，气孔中储有空气，会增大热阻抗。对于大功率器件，若散热不良会缩短器件的寿命。


焊接质量的好坏也会影响到器件对诸如温度循环等实验的承受能力，每一片晶片表面（双向材料在正反两面都有）都有可焊接区域，焊锡膏应尽可能覆盖在这些区域内，但不能超出这些区域。如果焊接时造成overflow（如图4所示）现象，特别是有焊锡外挂在晶片周围，则在做温度循环时将会影响到晶片的热胀冷缩，甚至会造成晶片裂纹。


封装应力

在封装器件的过程中由于各种原材料的热膨胀系数（CTE）不完全相同会产生封装应力。例如，典型的铜合金支架的CTE是17 10-6/℃，硅的CTE是2.5 10-6/℃，焊锡膏的CTE是15 10-6/℃，典型的低应力成型黑胶CTE是20 10-6/℃。因此在封装器件时每一个环节的温度应被精确选取，不同原物料在此温度下的变化应当明确，如成型、烘烤、温度循环、热冲击能造成那些类型的失效等。可以通过对器件所显示出的电性的变化来辨别出引线移位、钝化、裂纹、电解质污染，甚至晶片裂纹。

成型时引入的应力可以通过对原材料的选择、精确计算晶片的尺寸和改进封装制程等方法，使彼此产生的应力相互抵消。研究表明如果所有物料都选用低应力的组合，晶片所承受的应力并不一定最小，主要原因是焊锡膏在做温度循环或热冲击实验时会变软，会造成晶片移位，晶片的移动加上晶片周边原有的应力的共同作用，会使作用在晶片上的应力增加。

合理、科学的设计晶片的结构和尺寸，如尽量把大电极放置在远离边缘的位置，一些较敏感的区域要远离拐角，放置一些金属线用于固定黑胶等。中空的封装成型时不会产生应力，只有焊接物料的应力作用在晶片上。焊接后在晶粒周围上一层白胶，可以起到减小成型时作用在晶粒上的应力的作用，同时也可以起到隔绝湿气，防止离子污染的作用。

湿气的渗透作用

陶瓷封装有很好的密封性，不会受到湿气的侵蚀，相比之下塑料封装的器件较易受到湿气的影响。当塑料封装的器件放置在潮湿的环境中，器件外表面的环氧树脂会持续吸收水分直到达到饱和状态。对于塑料封装的器件，湿气的侵入通常有两种方式，一种是通过顶部或底部侵入到器件里面（IC芯片）；一种是沿着引线侵入到器件里面。例如：切脚时可能在环氧树脂与支架的交接面上产生小的缝隙，湿气有可能沿着这些缝隙进入器件内部。

成型黑胶的成分决定了其吸收水分的能力，黑胶中填充物的百分比、填充物的种类、填充物的分布以及填充物的表面处理等都会影响到黑胶的吸水性。如果填充物所占的比例较大，则合成树脂所占的比重就相对较小，也就是说吸水性的物质相对较少，则黑胶的吸水性较弱。同样，填充物的分子形状（如圆形的与薄片的相比）决定了扩散的路径，薄片状的令水分子更易穿透。填充物的分布也决定了其所允许被添加的最大比例。在混合式分布状态下允许填充物的比例较高，而单一分布的状态则填充物的比例较低，因为在混合式分布中有许多较小的颗粒可以填充在由尺寸较大的填充物造成的空隙中，起到阻止水分子有效渗入的作用。填充物中含有硅烷，有增加粘附性和减少交界处气孔的作用，这些气孔有锁住水分的作用。

密封剂在加热条件下的变化过程也会影响到对湿气的吸收。例如黑胶在快速烘烤后，环氧树脂分布的致密性较之经过缓慢的长时间的烘烤的要差。一旦密封剂被湿气侵蚀过，就会对环氧树脂造成一些永久性的损害，如环氧树脂的膨胀性，以及使一些原本微小的裂纹变大，即使再次经过烘烤，一旦器件接触到潮湿环境，外层密封剂仍然会被湿气穿透。

湿气引起的腐蚀

潮湿加上高温会造成多种失效，如电性参数偏移、引线腐蚀、焊接区域腐蚀，在潮湿的环境中长期放置会造成湿气侵入器件外面的密封剂。由于返潮所引起的腐蚀主要有四个步骤，首先水分侵入最外层的黑胶，然后穿过钝化层，接着会对一些潜在的腐蚀区造成离子污染，最后在水和离子污物的共同作用下产生电化学反应。

塑料密封剂返潮主要是由于环氧树脂的吸湿性造成的。水分可以通过引脚孔或由于应力作用造成的微裂纹穿过钝化层，这是一个非常缓慢的过程。即使器件接触到的水是非常纯净的，但是在水分侵入的过程中仍然会产生离子污染，这些有害的离子最终会到达晶片的表面。这些离子污染可以是外部造成的（如支架上残留有清洗剂），也可以是内部造成的（如聚合反应时催化剂的剩余物）。在有水存在的情况下，一些自由离子如Cl-会持续侵蚀裸露的铝。

由于水分侵入造成的腐蚀可以通过单独使用或组合使用以下步骤来使其危害降到最小。1、选择纯净的Molding Compound，尽量减少离子污染源；2、选用可以直接与Compound混合的“离子净化剂”；3、增加Molding Compound和晶片以及支架之间的截面粘附性；4、尽量选用填充物含量较高的Compound，这样有助于降低外部密封剂单位体积的吸水量。以上这些措施并不能完全防止水分的侵入，只有在晶片外边包裹一层不透水的无机胶，才能起到完全防止水分渗透的作用。

粘附/分层

造成成型材料交界面处粘附性变差的原因主要有两个，表面有污物和切向应力过大，主要表现为出现分层现象等。表面的污物会减少粘附力。例如，若焊接时支架氧化，则铜的氧化物会在与Molding Compound的交接处形成一层很薄的界面。经过其后一系列的加工制程，这一层氧化物会变的越来越脆弱，极易引起分层的出现；另一方面，当局部的切向应力大于附着力，内部分层现象就会发生。因为较高的应力会被周围一些几何断面吸收，如晶片的角，晶片的焊点的周边等，分层现象多发生在这些区域，在器件制造过程中温度的变化是造成分层的一个主要的诱因。除了污物和热应力，粘附性不好也会在吸收水分后造成部分分层。粘附性的变差也会影响到环氧树脂的膨胀性和可塑性，而可塑性变差又会引起模量和玻璃转变温度降低。

另一个引起交接面污染的原因是在制造封装过程中发生的俗称"爆玉米花"作用。当器件的封装材料吸收了一定量的水，烘烤时并未将水气完全排干，则在进行回流焊时，这些水分在高温的作用下将变成气体引起爆炸。这一股气体需要一条冲出密封材料的路径。在大多数塑料封装IC中，这会造成下面的晶片垫的变形，因为这是器件内部面积最大的区域。如果环氧树脂能够抵抗住内部气体的压力，即使存在一定程度的污物，也不会产生裂纹。但是在一些严酷的条件下，环氧树脂通常会产生裂纹。根据封装的结构，裂纹可能是单边的也可能是双边的，可以一直延伸到晶片所在处，或向下延伸到晶片垫处。

污染是可以避免的，通过选择化学性能良好的环氧树脂，改进黑胶中树脂的可湿性，降低树脂的吸水性等方法。具有良好化学性的树脂再配以好的连接剂（以增加其它物质与填充物的粘合性），粘合促进剂（提高与晶片和支架的粘合性），脱模剂（有助于成型后从模具中将材料取出）等。另一方面，可以用较硬的粘稠剂搭配较低的树脂以改善树脂的可湿性。最终，若黑胶的分子链具有较强的硬度，较高的官能性和较低的吸水性，则水分子就能被阻挡住。


结束语

在电子封装中有时是因为制程不合理，有时是因为突发事件如天气的变化等，有时是因为人为的因素都有可能造成产品的缺陷。要维护制程的稳定，确保产品品质是一个长期而艰苦的工作，需要工程技术人员与生产人员共同努力。