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IC封装基板

IC封装基板

电子封装的牢靠性|封装缺点和生效的方式
2020-12-26
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简介:电子机件是一度无比简单的零碎,其封装进程的缺点和生效也是无比简单的。因而,钻研封装缺点和生效需求对于封装进程有一度零碎性的理解,那样能力从多个立场去综合缺点发生的缘由。

1. 封装缺点与生效的钻研办法论

封装的生效机理能够分成两类:过应力和磨损。过应力生效常常是刹时的、苦难性的;磨丧失效是临时的累积保护,常常率先示意为功能退步,接着才是机件生效。生效的负载类型又能够分成机器、热、电气、辐照和化学负载等。
反应封装缺点和生效的要素是多种多样的, 资料因素和属性、封装设想、条件环境和工艺参数等都会有所反应。肯定反应要素和防止封装缺点和生效的根本大前提。反应要素能够经过实验或者许模仿仿真的办法来肯定,正常多采纳情理模子法和数值参数法。关于更简单的缺点和生效机理,往往采纳试差法肯定要害的反应要素,然而某个办法需求较长的实验工夫和设施改正,频率低、破费高。
正在综合生效机理的进程中, 采纳鱼骨图(报应图)展现反应要素是事业通用的办法。鱼骨图能够注明简单的缘由及反应要素和封装缺点之间的联系,也能够辨别多种缘由并将其分类。消费使用中,有一类鱼骨图被称为6Ms:从工具、办法、资料、温度、人工和做作力等六个维度综合反应要素。

图5.4 典型塑封微电子器件分层原因的因果图(鱼骨图)

这一张图所示的是展现塑封芯片分层缘由的鱼骨图,从设想、工艺、条件和资料四个范围停止了综合。经过鱼骨图,明晰地展示了一切的反应要素,为生效综合奠定了优良根底。

2. 引发作效的负载类型

如上一节所述,封装的负载类型能够分成机器、热、电气、辐照和化学负载。

生效机理

生效机理的总结
机器负荷:囊括情理冲锋陷阵、振动、填充颗粒正在硅芯片上强加的应力(如膨胀应力)和弹性力(如星辰飞艇的硕大减速度)等。资料对于该署负荷的呼应能够体现为惯性形变、塑性形变、翘曲、脆性或者柔性折断、界面分层、疲倦裂痕发生和扩大、蠕变以及蠕变开裂之类。
热负荷:囊括芯片黏结剂固化时的低温、引线键合前的预加热、成型工艺、后固化、临近元机件的再加工、浸焊、气相铆接和回暖铆接之类。内部热负荷会使资料因热收缩而发作分寸变迁,同声也会改观蠕变速率等情理属性。如发作热收缩系数失配(CTE失配)进而引发全部应力,并最终招致封装构造生效。过大的热负荷以至能够会招致机件内易爆资料发作熄灭。
电负荷:囊括骤然的电冲锋陷阵、电压没有稳或者口传播输时骤然的振荡(如接地没有良)而惹起的直流电稳定、静电尖端放电、过电应力等。该署内部电负荷能够招致介质击穿、电压名义击穿、动能的热消耗或者电迁徙。也能够增多电解侵蚀、树枝状结晶成长,惹起漏直流电、热致退步等。
化学负荷:囊括化学运用条件招致的侵蚀、氧化和离子名义枝晶成长。因为湿疹能经过塑封料浸透,因而正在湿润条件下湿疹是反应塑封机件的次要成绩。被塑封料吸引的湿疹能将塑封料中的催化剂残留萃取进去,构成副产物进入芯片粘接的非金属底座、半超导体资料和各族界面,诱发招致机件功能退步以至生效。相似,拆卸后残留正在机件上的助焊剂会经过塑封料迁徙到芯片名义。正在高频通路中,介质属性的纤细变迁(如吸潮后的介电常数、耗散因数等的变迁)都无比要害。正在高电压转换器等机件中,封装体击穿电压的变迁无比要害。于是,一些环氧聚酰胺和聚氨酯如若临时裸露正在低温高湿条件中也会惹起降解(有时也称为“恶化”)。一般采纳减速实验来鉴定塑封料能否易发作该种生效。
需求留意的是,当强加没有同类型负荷的时分,各族生效机理能够同声正在塑封机件上发生交互作用。相似,热负荷会使封装体构造内相邻资料间发作热收缩系数失配,从而惹起机器生效。其余的交互作用,囊括应力辅佐侵蚀、应力侵蚀裂纹、场致非金属迁徙、钝化层和电介质层裂痕、干冷招致的封装体开裂以及量度招致的化学反响减速之类。正在该署状况下,生效机理的分析反应并没有定然等于集体反应的总数。

3. 封装缺点的总结 

封装缺点次要囊括引线变形、底座偏偏移、翘曲、芯片决裂、分层、空泛、没有匀称封装、毛边、国产颗粒和没有彻底固化等。

3.1 引线变形

引线变形一般指塑封料活动进程中惹起的引线位移或者许变形,一般采纳引线最大横向位移x与引线长短L之间的比率x/L来示意。引线蜿蜒能够会招致电料短路(尤其是正在高密度I/O机件封装中)。有时,蜿蜒发生的应力会招致键合点开裂或者键合强度降落。
反应引线键合的要素囊括封装设想、引线格局、引线资料与分寸、模塑料属性、引线键合工艺和封装工艺等。反应引线蜿蜒的引线参数囊括引线直径、引线长短、引线折断负荷和引线密度之类。

3.2 底座偏偏移

底座偏偏移指的是支持芯片的载体(芯片底座)涌现变形和偏偏移

塑封料招致的底座偏偏移

如图所示为塑封料招致的底座偏偏移,这时,上上层模塑腔体内没有匀称的塑封料活动会招致底座偏偏移。
反应底座偏偏移的要素囊括塑封料的活动性、引线框架的拆卸设想以及塑封料和引线框架的资料属性。薄型小分寸封装(TSOP)和薄型方形扁平封装(TQFP)等封装机件因为引线框架较薄,简单发作底座偏偏移和引脚变形。

3.3 翘曲

翘曲是指封装机件正在立体外的蜿蜒和变形。因塑封工艺而惹起的翘曲会招致如分层和芯片开裂等一系列的牢靠性成绩。 
翘曲也会招致一系列的打造成绩,如正在塑封球栅阵列(PBGA)机件中,翘曲会招致焊料球共面性差,使机件正在拆卸到印刷通路板的回暖焊进程中发作贴装成绩。

图5.12 内凹翘曲模式

翘曲形式囊括内凹、外凸和结合形式三种。正在半超导体公司中,有时分会把内凹称为“笑容”,外凸称为“哭脸”。

招致翘曲的缘由次要囊括CTE失配和固化/紧缩膨胀。后者一开端并没有遭到太多的关心,深化钻研发觉,模塑料的化学膨胀正在IC机件的翘曲中也表演着主要角色,特别是正在芯片高低两侧薄厚没有同的封装机件上。正在固化和后固化的进程中,塑封料正在高固化量度下将发作化学膨胀,被称为“热化学膨胀”。经过进步玻璃化改变量度和升高Tg左近的热收缩系数变迁,能够减小固化进程中发作的化学膨胀。

 

图5.16 分层类型

招致翘曲的要素还囊括诸如塑封料因素、模塑料湿疹、封装的多少何构造之类。经过对于塑封资料和因素、工艺参数、封装构造和封装前条件的把控,能够将封装翘曲升高到最小。正在某些状况下,能够经过封装电子组件的反面来停止翘曲的弥补。相似,大陶瓷通路板或者多层板的内部联接坐落同一侧,对于他们停止反面封装能够减小翘曲。

3.4 芯片决裂

封装工艺中发生的应力会招致芯片决裂。封装工艺一般会减轻前道拆卸工艺中构成的微裂痕。晶圆或者芯片减薄、反面研磨以及芯片粘结都是能够招致芯片裂痕萌发的方法。
决裂的、机器生效的芯片没有定然会发作电气生效。芯片决裂能否会招致机件的霎时电气生效还起源于裂痕的成长门路。相似,若裂痕涌现正在芯片的反面,能够没有会反应就任何迟钝构造。
由于硅晶圆比拟薄且脆,晶圆级封装更简单发作芯片决裂。因而,必需严厉掌握转移成型工艺中的夹持压力和成型转换压力等工艺参数,以预防芯片决裂。3D重叠封装中因叠层工艺而简单涌现芯片决裂。正在3D封装中反应芯片决裂的设想要素囊括芯片叠层构造、基板薄厚、模塑容积和模套薄厚等。

3.5 分层

分层或者粘结没有牢指的是正在塑封料和其相邻资料界面之间的结合。分层地位能够发作正在塑封微电子机件中的任何海域;同声也能够发作正在封装工艺、后封装打造阶段或者许机件运用阶段。
封装工艺招致的没有良粘接界面是惹起分层的次要要素。界面空泛、封装时的名义净化和固化没有彻底都会招致粘接没有良。其余反应要素还囊括固化和结冰时膨胀应力与翘曲。正在结冰进程中,塑封料和相邻资料之间的CTE没有婚配也会招致热-机器应力,从而招致分层。

图5.14 固化和冷却过程中塑封料的体积收缩

能够依据界面类型对于分层停止总结

3.6 空泛

封装工艺中,卵泡嵌入环氧资料中构成了空泛,空泛能够发作正在封装工艺进程中的恣意阶段,囊括转移成型、填充、灌封和塑封料至于气氛条件下的印刷。经过最小化气氛量,如排空或者许抽真空,能够缩小空泛。有简报采纳的真空压力范畴为1~300Torr(一度空气压为760Torr)。
填模拟真综合以为,是底部熔体前沿与芯片接触,招致了活动性遭到障碍。全体熔体前沿向下流动并经过芯片核心的大住口海域填充半模顶板。新构成的熔体前沿和吸附的熔体前沿进入半模顶板海域,从而构成腹痛。

3.7 没有匀称封装

非匀称的塑封体薄厚会招致翘曲和分层。保守的封装技能,诸如转移成型、压力成型和灌注封装技能等,没有易发生薄厚没有匀称的封装缺点。晶圆级封装因其工艺特性,而尤其简单招致没有匀称的塑封薄厚。
为了确保失掉匀称的塑封层薄厚,应流动晶圆载体使其歪斜度最小再不于刮刀装置。于是,需求停止刮刀地位掌握以确保刮刀压力稳固,从而失去匀称的塑封层薄厚。
正在软化前,当填充粒子正在塑封料中的全部海域汇集并构成没有匀称散布时,会招致没有同质或者没有匀称的资料组成。塑封料的没有充足混合将会招致封装灌封进程中没有同质景象的发作。

3.8 毛边

毛边是教正在塑封成型工艺中经过分型线并堆积正在机件引脚上的模塑料。
夹持压力有余是发生毛边的次要缘由。假如引脚上的模料残留没有及时肃清,将招致拆卸阶段发生各族成绩。相似,正在下一度封装阶段中键合或者许附着没有充足。树脂走漏是较稠密的毛边方式。

3.9 国产颗粒

正在封装工艺中,封装资料若裸露正在净化的条件、设施或者许资料中,国产粒子就会正在封装平分秋色散并汇集正在封装内的非金属位置上(如IC芯片和引线键合点),从而招致侵蚀和其余的后续牢靠性成绩。

3.10 没有彻底固化

固化工夫有余或者许固化量度偏偏低都会招致没有彻底固化。此外,正在两种封装料的灌注中,混合对比的细微偏偏移都将招致没有彻底固化。为了最大化完成封装资料的特点,必需确保封装资料彻底固化。正在很多封装办法中,答应采纳后固化的办法确保封装资料的彻底固化。并且要留意保障封装料对比的准确配比。

4. 封装生效的总结

正在封装拆卸阶段或者许机件运用阶段,都会发作封装生效。尤其是当封装微电子机件拆卸到印刷通路板上时更简单发作,该阶段机件需求接受高的回暖量度,会招致塑封料界面分层或者许决裂。

4.1 分层

如上一节所述,分层是指塑封资料正在粘接界面处与相邻的资料结合。能够招致分层的内部负荷和应力囊括水汽、湿疹、量度以及它们的单独作用。
正在拆卸阶段往往发作的一类分层被称为水汽诱导(或者蒸汽诱导)分层,其生效机理次要是绝对于低温下的水汽压力。正在封装机件被拆卸到印刷通路板上的时分,为使焊料消融量度需求到达220℃以至更高,这远高于模塑料的玻璃化改变量度(约110~200℃)。正在回暖低温下,塑封料与非金属界面之间具有的水汽沸腾构成蒸气,发生的蒸汽压与资料间热失配、吸湿收缩惹起的应力等要素单独作用,最终招致界面粘接没有牢或者分层,以至招致封装体的决裂。无铅焊料相比保守铅基焊料,其回暖量度更高,更简单发作分层成绩。
吸湿收缩系数(CHE),别称湿疹收缩系数(CME)
湿疹分散到封装界面的生效机理是水汽和湿疹惹起分层的主要要素。湿疹可经过封装体分散,或者许沿着引线框架和模塑料的界面分散。钻研发觉,当模塑料和引线框架界面之间存正在优良粘接时,湿疹次要经过塑封体进入封装外部。然而,当某个粘结界面因封装工艺没有良(如键合量度惹起的氧化、应力开释没有充足惹起的引线框架翘曲或者许适度修枝和方式应力等)而退步时,正在封装轮廓上会构成分层和微裂痕,况且湿疹或者许水汽将易于沿这一门路分散。更蹩脚的是,湿疹会招致极性环氧黏结剂的水竞争用,从而弱化和升高界面的化学键合。
名义干净是完成优良粘结的要害请求。名义氧化往往招致分层的发作(如上一篇中所谈到的事例),如铜合金引线框架裸露正在低温下就往往招致分层。氮气或者其余分解气体的具有,有益于防止氧化。
模塑料中的光滑剂和黏着力推进剂会推进分层。光滑剂能够协助模塑料与楦子型腔结合,但会增多界面分层的危险。另一范围,黏着力推进剂能够确保模塑料和芯片界面之间的优良粘结,但却难以从楦子型腔内肃清。
分层没有只为水汽分散需要了门路,也是树脂裂痕的源流。分层界面是裂痕萌发的地位,当接受交大内部负荷的时分,裂痕会经过树脂扩大。钻研标明,发作正在芯片底座天空和树脂之间的分层最简单惹起树脂裂痕,其它地位涌现的界面分层对于树脂裂痕的反应较小。

4.2 气相诱导裂痕(玉米花景象)

水汽诱导分层进一步停滞会招致气相诱导裂痕。当封装体内水汽经过裂痕逃逸时会发生爆炸声,和玉米花的声响无比像,因而又被称为玉米花景象。裂痕往往从芯片底座向塑扉页面扩大。正在铆接后的通路板中,外观审查难以发觉该署裂痕。QFP和TQFP等大而薄的塑封方式最简单发生玉米花景象;于是也简单发作正在芯片底座面积与机件面积之比拟大、芯片底座面积与最小塑封料薄厚之比拟大的的机件中。玉米花景象能够会随同其余成绩,囊括键合球从键合盘上折断以及键合球上面的硅凹坑等。

图5.25 爆米花产生过程:分层和裂缝

塑封机件内的裂痕一般来源于引线框架上的应力集合区(如旁边和毛边),况且正在最薄塑封海域内扩大。毛边是引线框架名义正在冲压工艺中发生的小分寸变形,改观冲压位置使毛边坐落引线框架顶板,或者许刻蚀引线框架(模压)都能够缩小裂痕。
缩小塑封机件内的湿疹是升高玉米花景象的要害。常采纳低温烘烤的办法缩小塑封机件内的湿疹。后人钻研发觉,封装内答应的保险湿疹含量约为1100×10^-6(0.11 wt.%)。正在125℃下烘烤24h,能够充足去除封装内吸引的湿疹。

4.3 脆性折断

脆性折断时常发作正在低屈从强度和非惯性资料中(如硅芯片)。到资料遭到过应力作用时,骤然的、苦难性的裂痕扩大会来源于如空泛、搀杂物或者没有陆续等巨大缺点。

4.4 韧性折断

塑封资料简单发作脆性和韧性两种折断形式,次要起源于条件和资料要素,囊括量度、集合树脂的黏塑特点和填充负荷。即便正在含有脆性硅骨料的高加载塑封资料中,因集合树脂的黏塑特点,依然能够发作韧性折断。

4.5 疲倦折断

塑封料遭遭到极限强度范畴内的周期性应力作用时,会因累积的疲倦折断而折断。强加到塑封资料上的湿、热、机器或者分析负荷,都会发生重复应力。疲倦生效是一种磨丧失效机理,裂痕正常会正在连续点或者缺点地位萌发。
疲倦折断机理囊括三个阶段:裂纹萌发(阶段Ⅰ);稳固的裂痕扩大(阶段Ⅱ);爆发的、没有肯定的、苦难性生效(阶段Ⅲ)。正在周期性应力下,阶段Ⅱ的疲倦裂痕扩大指的是裂痕长短的稳固增加。塑封资料的裂纹扩大速率要远高于非金属资料疲倦裂痕扩大的垂范值(约3倍)。

5. 减速生效的要素

条件和资料的负荷和应力,如湿疹、量度和净化物,会减速塑封机件的生效。塑封工艺正正在封装生效中起到了要害作用,如湿疹分散系数、饱满湿疹含量、离子分散速率、热收缩系数和塑封资料的吸湿收缩系数等特点会极大地反应生效速率。招致生效减速的要素次要有水分、量度、净化物和溶剂性条件、剩余应力、做作条件应力、打造和拆卸负荷以及分析负荷应力环境。
水分 能减速塑封微电子机件的分层、裂痕和侵蚀生效。正在塑封机件中, 水分是一度主要的生效减速因数。与水分招致生效减速相关的机理囊括粘结面退步、吸湿收缩应力、水汽压力、离子迁徙以及塑封料特点改观之类。水分可以改观塑封料的玻璃化改变量度Tg、惯性模量和容积电阻率等特点。
量度 是另一度要害的生效减速因数,一般应用与模塑料的玻璃化改变量度、各族资料的热收缩洗漱以及由此惹起的热-机器应力有关的量度头衔来评价量度对于封装生效的反应。量度对于封装生效的另一度反应要素体现正在会改观与量度有关的封装资料属性、湿疹分散系数和非金属间分散等生效。
净化物和溶剂性条件 净化物为生效的萌发和扩大需要了场合,净化源次要有空气净化物、湿疹、助焊剂残留、塑封料中的没有干净事例、热退步发生的侵蚀性元素以及芯片黏结剂单排出的副产物(一般为环氧)。塑料封装体正常没有会被侵蚀,然而湿疹和净化物会正在塑封料平分秋色散并到达非金属位置,惹起塑封机件内非金属全体的侵蚀。
剩余应力 芯片粘结会发生单于应力。应力程度的大小,次要起源于芯片粘接层的特点。因为模塑料的膨胀大于其余封装资料, 因而模塑成型时发生的应力是相等大的。能够采纳应力测试芯片来内定拆卸应力。
做作条件应力 正在做作条件下,塑封料能够会发作降解。降解的特性是集合键的折断,往往是液体集合物改变成蕴含单体、二聚体和其余低成员量品种的黏性固体。降低的量度和密闭的条件往往会减速降解。日光中的紫内线和空气领导层是降解的强无力催化剂,可经过切断环氧树脂的成员链招致降解。将塑封机件与易诱发降解的条件隔离、采纳存正在抗降解威力的集合物都是预防降解的办法。需求正在干冷条件雇用务的货物请求采纳抗降解集合物。
打造和拆卸负荷 打造和拆卸环境都有能够招致封装生效,囊括低温、高温、量度变迁、操作负荷以及因塑封料活动而正在键合引线和芯片底座上强加的负荷。停止塑封机件拆卸时涌现的玉米花景象就是一度垂范的事例。
分析负荷应力环境 正在打造、拆卸或者许操作的进程中,诸如量度和湿疹等生效减速因数往往是同声具有的。分析负荷和应力环境往往会进一步减速生效。这一特性常被使用于以缺点元件挑选和易生效封装机件甄别为手段的减速实验设想。

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