電子器件是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其封裝過(guò)程的缺陷和失效也是非常復(fù)雜的。因此，研究封裝缺陷和失效需要對(duì)封裝過(guò)程有一個(gè)系統(tǒng)性的了解，這樣才能從多個(gè)角度去分析缺陷產(chǎn)生的原因。

封裝缺陷與失效的研究方法論

封裝的失效機(jī)理可以分為兩類(lèi)：過(guò)應(yīng)力和磨損。過(guò)應(yīng)力失效往往是瞬時(shí)的、災(zāi)難性的;磨損失效是長(zhǎng)期的累積損壞，往往首先表示為性能退化，接著才是器件失效。失效的負(fù)載類(lèi)型又可以分為機(jī)械、熱、電氣、輻射和化學(xué)負(fù)載等。

影響封裝缺陷和失效的因素是多種多樣的， 材料成分和屬性、封裝設(shè)計(jì)、環(huán)境條件和工藝參數(shù)等都會(huì)有所影響。確定影響因素和預(yù)防封裝缺陷和失效的基本前提。影響因素可以通過(guò)試驗(yàn)或者模擬仿真的方法來(lái)確定，一般多采用物理模型法和數(shù)值參數(shù)法。對(duì)于更復(fù)雜的缺陷和失效機(jī)理，常常采用試差法確定關(guān)鍵的影響因素，但是這個(gè)方法需要較長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間和設(shè)備修正，效率低、花費(fèi)高。

在分析失效機(jī)理的過(guò)程中， 采用魚(yú)骨圖(因果圖)展示影響因素是行業(yè)通用的方法。魚(yú)骨圖可以說(shuō)明復(fù)雜的原因及影響因素和封裝缺陷之間的關(guān)系，也可以區(qū)分多種原因并將其分門(mén)別類(lèi)。生產(chǎn)應(yīng)用中，有一類(lèi)魚(yú)骨圖被稱(chēng)為6Ms：從機(jī)器、方法、材料、量度、人力和自然力等六個(gè)維度分析影響因素。

這一張圖所示的是展示塑封芯片分層原因的魚(yú)骨圖，從設(shè)計(jì)、工藝、環(huán)境和材料四個(gè)方面進(jìn)行了分析。通過(guò)魚(yú)骨圖，清晰地展現(xiàn)了所有的影響因素，為失效分析奠定了良好基礎(chǔ)。

引發(fā)失效的負(fù)載類(lèi)型

如上一節(jié)所述，封裝的負(fù)載類(lèi)型可以分為機(jī)械、熱、電氣、輻射和化學(xué)負(fù)載。

失效機(jī)理的分類(lèi)

機(jī)械載荷：包括物理沖擊、振動(dòng)、填充顆粒在硅芯片上施加的應(yīng)力(如收縮應(yīng)力)和慣性力(如宇宙飛船的巨大加速度)等。材料對(duì)這些載荷的響應(yīng)可能表現(xiàn)為彈性形變、塑性形變、翹曲、脆性或柔性斷裂、界面分層、疲勞裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展、蠕變以及蠕變開(kāi)裂等等。

熱載荷：包括芯片黏結(jié)劑固化時(shí)的高溫、引線鍵合前的預(yù)加熱、成型工藝、后固化、鄰近元器件的再加工、浸焊、氣相焊接和回流焊接等等。外部熱載荷會(huì)使材料因熱膨脹而發(fā)生尺寸變化，同時(shí)也會(huì)改變?nèi)渥兯俾实任锢韺傩?。如發(fā)生熱膨脹系數(shù)失配(CTE失配)進(jìn)而引發(fā)局部應(yīng)力，并最終導(dǎo)致封裝結(jié)構(gòu)失效。過(guò)大的熱載荷甚至可能會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)易燃材料發(fā)生燃燒。

電載荷：包括突然的電沖擊、電壓不穩(wěn)或電流傳輸時(shí)突然的振蕩(如接地不良)而引起的電流波動(dòng)、靜電放電、過(guò)電應(yīng)力等。這些外部電載荷可能導(dǎo)致介質(zhì)擊穿、電壓表面擊穿、電能的熱損耗或電遷移。也可能增加電解腐蝕、樹(shù)枝狀結(jié)晶生長(zhǎng)，引起漏電流、熱致退化等。

化學(xué)載荷：包括化學(xué)使用環(huán)境導(dǎo)致的腐蝕、氧化和離子表面枝晶生長(zhǎng)。由于濕氣能通過(guò)塑封料滲透，因此在潮濕環(huán)境下濕氣是影響塑封器件的主要問(wèn)題。被塑封料吸收的濕氣能將塑封料中的催化劑殘留萃取出來(lái)，形成副產(chǎn)物進(jìn)入芯片粘接的金屬底座、半導(dǎo)體材料和各種界面，誘發(fā)導(dǎo)致器件性能退化甚至失效。例如，組裝后殘留在器件上的助焊劑會(huì)通過(guò)塑封料遷移到芯片表面。在高頻電路中，介質(zhì)屬性的細(xì)微變化(如吸潮后的介電常數(shù)、耗散因子等的變化)都非常關(guān)鍵。在高電壓轉(zhuǎn)換器等器件中，封裝體擊穿電壓的變化非常關(guān)鍵。此外，一些環(huán)氧聚酰胺和聚氨酯如若長(zhǎng)期暴露在高溫高濕環(huán)境中也會(huì)引起降解(有時(shí)也稱(chēng)為“逆轉(zhuǎn)”)。通常采用加速試驗(yàn)來(lái)鑒定塑封料是否易發(fā)生該種失效。

需要注意的是，當(dāng)施加不同類(lèi)型載荷的時(shí)候，各種失效機(jī)理可能同時(shí)在塑封器件上產(chǎn)生交互作用。例如，熱載荷會(huì)使封裝體結(jié)構(gòu)內(nèi)相鄰材料間發(fā)生熱膨脹系數(shù)失配，從而引起機(jī)械失效。其他的交互作用，包括應(yīng)力輔助腐蝕、應(yīng)力腐蝕裂紋、場(chǎng)致金屬遷移、鈍化層和電解質(zhì)層裂縫、濕熱導(dǎo)致的封裝體開(kāi)裂以及溫度導(dǎo)致的化學(xué)反應(yīng)加速等等。在這些情況下，失效機(jī)理的綜合影響并不一定等于個(gè)體影響的總和。

封裝缺陷的分類(lèi)

封裝缺陷主要包括引線變形、底座偏移、翹曲、芯片破裂、分層、空洞、不均勻封裝、毛邊、外來(lái)顆粒和不完全固化等。

引線變形

引線變形通常指塑封料流動(dòng)過(guò)程中引起的引線位移或者變形，通常采用引線最大橫向位移x與引線長(zhǎng)度L之間的比值x/L來(lái)表示。引線彎曲可能會(huì)導(dǎo)致電器短路(特別是在高密度I/O器件封裝中)。有時(shí)，彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鍵合點(diǎn)開(kāi)裂或鍵合強(qiáng)度下降。

影響引線鍵合的因素包括封裝設(shè)計(jì)、引線布局、引線材料與尺寸、模塑料屬性、引線鍵合工藝和封裝工藝等。影響引線彎曲的引線參數(shù)包括引線直徑、引線長(zhǎng)度、引線斷裂載荷和引線密度等等。

底座偏移

底座偏移指的是支撐芯片的載體(芯片底座)出現(xiàn)變形和偏移。

如圖所示為塑封料導(dǎo)致的底座偏移，此時(shí)，上下層模塑腔體內(nèi)不均勻的塑封料流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致底座偏移。

影響底座偏移的因素包括塑封料的流動(dòng)性、引線框架的組裝設(shè)計(jì)以及塑封料和引線框架的材料屬性。薄型小尺寸封裝(TSOP)和薄型方形扁平封裝(TQFP)等封裝器件由于引線框架較薄，容易發(fā)生底座偏移和引腳變形。

翹曲

翹曲是指封裝器件在平面外的彎曲和變形。因塑封工藝而引起的翹曲會(huì)導(dǎo)致如分層和芯片開(kāi)裂等一系列的可靠性問(wèn)題。 翹曲也會(huì)導(dǎo)致一系列的制造問(wèn)題，如在塑封球柵陣列(PBGA)器件中，翹曲會(huì)導(dǎo)致焊料球共面性差，使器件在組裝到印刷電路板的回流焊過(guò)程中發(fā)生貼裝問(wèn)題。

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