蒋颖丹;梁琦
【摘 要】椒盐噪声随着塑封器件高可靠性应用日益广泛，塑封产品的研制和生产需求不断增加。分析了塑封器件可能存在的热机械缺陷、腐蚀、爆米花效应，以及生产工艺中可能引入的封装、芯片粘接、钝化层等缺陷，从设计和工艺角度给出控制措施。介绍了国内外高可靠性塑封器件筛选、鉴定检验的典型流程及质量控制措施，用于在生产阶段剔除潜在缺陷的不合格品，保证产品具有高可靠性。%With the applications of plastic encapsulated microcircuit(PEM)in high-reliability field increasingly widespread, the demand for development and production of PEM also rises. Possible presence of thermal mechanical defects, corrosion, popcorn effect, as well as the production process which may introduce package, chip bonding problem, passivation defects and so on are analyzed, with control measures from design and process point of view. Both domestic and foreign selection, screening and qualiifcation of high-reliability PEM products are introduced, in order to eliminate the goods with potential pitfalls, and ensure high reliability. peepm
【期刊名称】《电子与封装》
【年(卷),期】2014(000)005
【总页数】5页(P14-17,22)
【关键词】塑封器件;可靠性;质量控制
【作 者】左右摇头摆蒋颖丹;梁琦
【作者单位】中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214035;中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡214035
【正文语种】中 文
【中图分类】TN305.94
1 引言
20世纪60年代，塑封器件因其低成本、高产量、小体积等优势，出现后即得到工业界的广
泛关注和普遍接受。但是，早期塑封器件存在诸如树脂玻璃转换温度低、材料热膨胀系数匹配度不够等可靠性问题，与陶瓷等气密性封装形式相比，失效率较高，因此一度被认为不适用于军事、航天等高可靠性领域。目前，随着低应力、高纯度塑封材料的研制，高质量钝化层的应用以及自动化模制设备的推广，塑封器件总体可靠性水平大大提高。
1987年，Motorola公司Lidback等人对133 747个塑封器件、4 647个气密封装器件进行温度循环试验，试验条件为-65～150 ℃，1 000次循环。结果显示，塑封器件失效率为0.083%，气密封装器件失效率0.099%[1]。另据美国TI公司报道，90年代初期，塑封器件失效率估计为0.3～3.0个失效/106器件小时，与气密封装器件不相上下。国内对塑封器件高可靠性应用的研究起步较晚，但目前已取得显著成效。根据高可靠性领域电子元器件管理中心掌握的情况，高可靠性领域的在研产品中已普遍存在应用塑料半导体器件的现象，其中国产塑封半导体器件约占32%，进口塑封半导体器件约占68%[2]。
本文分析塑封器件缺陷，从设计和工艺角度给出预防措施，说明塑封器件高可靠性应用的可行性，并结合国内外现有标准，对塑封高可靠性应用器件的筛选、鉴定检验等质量控制措施，进行探讨和研究。
2 塑封器件缺陷分析智能定位
早期失效指产品因为设计或工艺偏差造成的质量缺陷，可通过后续筛选、检验剔除。使用期失效指已完成生产的产品潜在缺陷，经包装、运输、安装、使用等过程引发失效。使用期失效与时间、应力有关。
2.1 热机械缺陷
热机械缺陷通常由于塑封料与各种面接材料之间热膨胀系数的失配造成。当环境温度急剧变化时，器件模压复合物与引线框之间因热膨胀系数差异会发生分层和开裂。塑封器件内部产生的热缩应力在芯片或引线框架上产生大的拉力、剪切力，也可能在环氧树脂模塑化合物和芯片、芯片基座、引线框架之间产生分层或开裂。在极端低温下，塑封料耐开裂强度的能力下降，热应力加剧，导致分层、开裂现象更显著。器件裂纹会造成器件开路、短路，引起电性能失效，同时为潮气、杂质、沾污进入器件内部提供了通道。控制该缺陷，可在设计阶段采取以下措施：（1）芯片封装、引线框架、粘接、钝化所用材料的热膨胀系数应尽可能匹配；（2）采用低应力环氧树脂化合物和粘接材料，防止产生过大应力；（3）封装设计时避免尖边和尖角；（4）合理确定器件工作、贮存、试验温度范围。 2.2 腐蚀
由于塑封器件本身的透湿性和吸水性，潮气可直接通过塑封料扩散到芯片表面，或者通过塑封料与外引线框架界面进入器件内部，沿着内引线与塑封料的封接界面进入芯片表面。若潮气中带有较多离子沾污物，离子杂质进行水解，可能和焊接处的金-铝金属间化合物中的铝发生化学反应，使芯片键合区发生腐蚀。若芯片表面钝化层存在缺陷，潮气会腐蚀芯片金属化层。腐蚀引起的主要失效模式包括电参数漂移、漏电流过大、短路、开路等。有些失效模式不稳定，在一定条件下有可能恢复部分器件功能，但只要发生了腐蚀，对器件长期使用的可靠性将埋下隐患[3]。器件使用和贮存流程中，高温和加载电压的变化，会加速腐蚀引起失效的过程。为避免与腐蚀有关的失效，可采取以下措施：
（1）选用水解杂质小于10×10-6的模塑材料；（2）配置密封料时，使用离子净化器和离子吸收器，减少密封料中的离子杂质；（3）通过设计改善，增强封装剂与引线框架的粘附力，延迟潮气入侵时间；（4）压焊点采用防潮涂层保护，完善芯片表面钝化层，以尽可能屏蔽湿气；（5）确保引线框架表面无砂眼、无裂缝、无空隙、无杂质，塑封料与框架金属间有较好的粘接性。
2.3 爆米花效应
塑封器件在焊接期间受热，管壳中所吸附的水分迅速汽化，内部水汽压力使模制材料（环氧化合物）膨胀。如果管壳内潮气量过大，焊接时间或温度控制不当，会出现分层、开裂现象，即爆米花效应。ANSI/IPC-SM-786《潮气敏感的IC管壳加工的推荐程序》中指出，以下因素会明显增加管壳开裂的风险：内部潮气含量大于重量的0.11%；焊接温度超过220 ℃；焊接温度变化率大于10 ℃·s-1。相应地，可采取以下措施防止器件发生爆米花效应：（1）选择能有效防止潮气入侵和粘接力强的模制化合物，潮气含量低的粘接材料；（2）清除芯片基片毛边和锐利边缘；（3）器件焊接前预先烘烤器件，清除内部潮气，焊接时控制最高焊接温度与温度变化率；（4）器件运输和贮存期间，应带有干燥剂。
2.4 生产工艺缺陷
2.4.1 封装缺陷
封装缺陷通常表现为：气泡、剥离、芯片基片位移和引线弯曲不当。可能造成塑封体开裂、芯片金属化层变形、焊头翘起、互连线腐蚀断开、开路、短路等现象，引起器件失效。视觉智能识别系统
竖流式沉淀池采取以下措施，可有所改善：（1）模塑过程中，应充分排出模具中的气体，有效防止空气截留；（2）保证引线框架具备足够清洁度，避免沾污，焊接时，防止引线框架被氧化。
2.4.2 芯片粘接缺陷
芯片粘接缺陷通常由于芯片与基片粘接不良、粘接材料中有空洞、工艺过程控制不良等因素造成。可能导致器件热量分布不均匀，芯片脱落或断裂，引起器件致命失效。预防措施包括：（1）粘接材料热膨胀系数须与芯片、封装材料匹配；（2）粘接时，控制环境潮气，防止粘接用聚合材料吸入大量潮气。
2.4.3 钝化层缺陷
钝化层缺陷包括粘接不良、开裂、空隙，会造成器件开路、不稳定、漏电流过大等现象。当模塑化合物收缩产生的应力超过钝化层材料的强度时，会引起钝化层开路，几何尺寸越大，收缩应力越大。注意事项及措施包括：（1）采用低应力模制化合物，减小钝化层承受的应力；（2）在应力较大的区域，如芯片角和边缘，不应设计有源电路。
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