封装失效的分类

silenced

在封装组装阶段或者器件使用阶段，都会发生封装失效。特别是当封装微电子器件组装到印刷电路板上时更容易发生，该阶段器件需要承受高的回流温度，会导致塑封料界面分层或者破裂。

6 P1 i- [- `7 A/ K, X! r% M  ?3 p1 分层
( i2 h2 J5 i* l: I# ]  ^7 p' n如上一节所述，分层是指塑封材料在粘接界面处与相邻的材料分离。可能导致分层的外部载荷和应力包括水汽、湿气、温度以及它们的共同作用。

在组装阶段常常发生的一类分层被称为水汽诱导（或蒸汽诱导）分层，其失效机理主要是相对高温下的水汽压力。在封装器件被组装到印刷电路板上的时候，为使焊料融化温度需要达到 220℃甚至更高，这远高于模塑料的玻璃化转变温度（约 110~200℃）。在回流高温下，塑封料与金属界面之间存在的水汽蒸发形成水蒸气，产生的蒸汽压与材料间热失配、吸湿膨胀引起的应力等因素共同作用，最终导致界面粘接不牢或分层，甚至导致封装体的破裂。无铅焊料相比传统铅基焊料，其回流温度更高，更容易发生分层问题。

吸湿膨胀系数（CHE），又称湿气膨胀系数（CME）
湿气扩散到封装界面的失效机理是水汽和湿气引起分层的重要因素。湿气可通过封装体扩散，或者沿着引线框架和模塑料的界面扩散。研究发现，当模塑料和引线框架界面之间具有良好粘接时，湿气主要通过塑封体进入封装内部。但是，当这个粘结界面因封装工艺不良（如键合温度引起的氧化、应力释放不充分引起的引线框架翘曲或者过度修剪和形式应力等）而退化时，在封装轮廓上会形成分层和微裂缝，并且湿气或者水汽将易于沿这一路径扩散。更糟糕的是，湿气会导致极性环氧黏结剂的水合作用，从而弱化和降低界面的化学键合。

表面清洁是实现良好粘结的关键要求。表面氧化常常导致分层的发生（如上一篇中所提到的例子），如铜合金引线框架暴露在高温下就常常导致分层。氮气或其他合成气体的存在，有利于避免氧化。

模塑料中的润滑剂和附着力促进剂会促进分层。润滑剂可以帮助模塑料与模具型腔分离，但会增加界面分层的风险。另一方面，附着力促进剂可以确保模塑料和芯片界面之间的良好粘结，但却难以从模具型腔内清除。

9 i) M% _) O4 t; e( L分层不仅为水汽扩散提供了路径，也是树脂裂缝的源头。分层界面是裂缝萌生的位置，当承受交大外部载荷的时候，裂缝会通过树脂扩展。研究表明，发生在芯片底座地面和树脂之间的分层最容易引起树脂裂缝，其它位置出现的界面分层对树脂裂缝的影响较小。

+ p1 F4 B' W# @2 气相诱导裂缝（爆米花现象）
& b9 J  `- \) `0 m( |5 m5 v水汽诱导分层进一步发展会导致气相诱导裂缝。当封装体内水汽通过裂缝逃逸时会产生爆裂声，和爆米花的声音非常像，因此又被称为爆米花现象。裂缝常常从芯片底座向塑封底面扩展。在焊接后的电路板中，外观检查难以发现这些裂缝。QFP 和 TQFP 等大而薄的塑封形式最容易产生爆米花现象；此外也容易发生在芯片底座面积与器件面积之比较大、芯片底座面积与最小塑封料厚度之比较大的的器件中。爆米花现象可能会伴随其他问题，包括键合球从键合盘上断裂以及键合球下面的硅凹坑等。

# W( ?3 I% S/ r8 d- |! ]& d) _

: G- |+ J. X0 e( z7 l1 }0 Y% C塑封器件内的裂缝通常起源于引线框架上的应力集中区（如边缘和毛边），并且在最薄塑封区域内扩展。毛边是引线框架表面在冲压工艺中产生的小尺寸变形，改变冲压方向使毛边位于引线框架顶部，或者刻蚀引线框架（模压）都可以减少裂缝。

减少塑封器件内的湿气是降低爆米花现象的关键。常采用高温烘烤的方法减少塑封器件内的湿气。前人研究发现，封装内允许的安全湿气含量约为 1100×10^-6（0.11 wt.%)。在 125℃下烘烤 24h，可以充分去除封装内吸收的湿气。

2 V& u7 h2 w0 z3 脆性断裂
脆性断裂经常发生在低屈服强度和非弹性材料中（如硅芯片）。到材料受到过应力作用时，突然的、灾难性的裂缝扩展会起源于如空洞、夹杂物或不连续等微小缺陷。

4 韧性断裂
塑封材料容易发生脆性和韧性两种断裂模式，主要取决于环境和材料因素，包括温度、聚合树脂的黏塑特性和填充载荷。即使在含有脆性硅填料的高加载塑封材料中，因聚合树脂的黏塑特性，仍然可能发生韧性断裂。

5 疲劳断裂
塑封料遭受到极限强度范围内的周期性应力作用时，会因累积的疲劳断裂而断裂。施加到塑封材料上的湿、热、机械或综合载荷，都会产生循环应力。疲劳失效是一种磨损失效机理，裂缝一般会在间断点或缺陷位置萌生。

2 c' d7 O; B5 i; Z; S# G8 O疲劳断裂机理包括三个阶段：裂纹萌生（阶段Ⅰ）；稳定的裂缝扩展（阶段Ⅱ）；突发的、不确定的、灾难性失效（阶段Ⅲ）。在周期性应力下，阶段Ⅱ的疲劳裂缝扩展指的是裂缝长度的稳定增长。塑封材料的裂纹扩展速率要远高于金属材料疲劳裂缝扩展的典型值（约 3 倍）。

9 v) X: B4 A8 N, e6 u& T  M: o1 y5 M加速失效的因素
环境和材料的载荷和应力，如湿气、温度和污染物，会加速塑封器件的失效。塑封工艺正在封装失效中起到了关键作用，如湿气扩散系数、饱和湿气含量、离子扩散速率、热膨胀系数和塑封材料的吸湿膨胀系数等特性会极大地影响失效速率。导致失效加速的因素主要有潮气、温度、污染物和溶剂性环境、残余应力、自然环境应力、制造和组装载荷以及综合载荷应力条件。

潮气 能加速塑封微电子器件的分层、裂缝和腐蚀失效。在塑封器件中， 潮气是一个重要的失效加速因子。与潮气导致失效加速有关的机理包括粘结面退化、吸湿膨胀应力、水汽压力、离子迁移以及塑封料特性改变等等。潮气能够改变塑封料的玻璃化转变温度 Tg、弹性模量和体积电阻率等特性。

温度 是另一个关键的失效加速因子，通常利用与模塑料的玻璃化转变温度、各种材料的热膨胀洗漱以及由此引起的热 - 机械应力相关的温度等级来评估温度对封装失效的影响。温度对封装失效的另一个影响因素表现在会改变与温度相关的封装材料属性、湿气扩散系数和金属间扩散等失效。

污染物和溶剂性环境 污染物为失效的萌生和扩展提供了场所，污染源主要有大气污染物、湿气、助焊剂残留、塑封料中的不洁净例子、热退化产生的腐蚀性元素以及芯片黏结剂中排出的副产物（通常为环氧）。塑料封装体一般不会被腐蚀，但是湿气和污染物会在塑封料中扩散并达到金属部位，引起塑封器件内金属部分的腐蚀。

残余应力芯片粘结会产生单于应力。应力水平的大小，主要取决于芯片粘接层的特性。由于模塑料的收缩大于其他封装材料， 因此模塑成型时产生的应力是相当大的。可以采用应力测试芯片来测定组装应力。

自然环境应力 在自然环境下，塑封料可能会发生降解。降解的特点是聚合键的断裂，常常是固体聚合物转变成包含单体、二聚体和其他低分子量种类的黏性液体。升高的温度和密闭的环境常常会加速降解。阳光中的紫外线和大气臭氧层是降解的强有力催化剂，可通过切断环氧树脂的分子链导致降解。将塑封器件与易诱发降解的环境隔离、采用具有抗降解能力的聚合物都是防止降解的方法。需要在湿热环境下工作的产品要求采用抗降解聚合物。

制造和组装载荷 制造和组装条件都有可能导致封装失效，包括高温、低温、温度变化、操作载荷以及因塑封料流动而在键合引线和芯片底座上施加的载荷。进行塑封器件组装时出现的爆米花现象就是一个典型的例子。

综合载荷应力条件 在制造、组装或者操作的过程中，诸如温度和湿气等失效加速因子常常是同时存在的。综合载荷和应力条件常常会进一步加速失效。这一特点常被应用于以缺陷部件筛选和易失效封装器件鉴别为目的的加速试验设计。

$ ]( u& s9 r9 l

fordies1

特别容易破裂