塑封器件常见失效模式及其机理分析

可靠性杂坛 2020-02-12 00:00


摘要:集成电路塑封器件的早期失效一般由设计或工艺失误所致,通过常规电性能检测和筛选可判别这些失效的器件。而使用期失效则是由于器件的潜在缺陷引起,潜在缺陷的行为与时间和应力有关。分析塑封器件常见失效模式及其机理,有助工程师在设计时充分考虑使用环境的特性,提高塑封器件的可靠性。


 

自1962年开始出现塑封半导体器件,因其在封装尺寸、重量和成本等方面的优势性,用户愈来愈多的采用塑封器件代替原先的金属、陶瓷封装器件。但塑封器件在发展初、中期可靠性水平较低,在80年代之后,随着高纯度、低应力的塑封材料的使用,高质量的芯片钝化、芯片粘接、内涂覆材料、引线键合、加速筛选工艺及自动模制等新工艺技术的发展,使得塑封器件的可靠性逐步赶上金属封装与陶瓷封装的器件。

 

一般塑封器件的失效可分为早期失效和使用期失效,前者多是由设计或工艺失误造成的质量缺陷所致,可通过常规电性能检测和筛选来判别。后者则是由器件的潜在缺陷引起的,潜在缺陷的行为与时间和应力有关,经验表明,受潮、腐蚀、机械应力、电过应力和静电放电等产生的失效占主导地位。

 

1 失效模式及其机理分析

 

塑封器件,就是用塑封料把支撑集成芯片的引线框架、集成芯片和键合引线包封起来,从而为集成芯片提供保护。塑封器件封装材料主要是环氧模塑料。环氧模塑料是以环氧树脂为基体树脂,以酚醛树脂为固化剂,再加上一些填料,如填充剂、阻燃剂、着色剂、偶联剂等微量组分,在热和固化剂的作用下环氧树脂的环氧基开环与酚醛树脂发生化学反应,产生交联固化作用使之成为热固性塑料。塑封材料不同于陶瓷材料和金属材料,它是一种高分子复合材料,其固有的有机大分子结构,使其本身存在较高的吸湿性,是一种非气密性封装。塑封材料主要失效模式为:开路,短路,参数漂移,烧毁。由于塑封器件是非气密性封装,在封装方面就存在一些缺点,最主要的缺点就是对潮气比较敏感。

 

受潮。塑封材料会从环境中吸收或吸附水气,特别是当塑封器件处于潮湿环境时,会吸收或吸附较多的水气,并且在表面形成一层水膜。受潮是塑封器件的很多失效机理如腐蚀、爆米花效应等的诱因。

 

腐蚀。对塑封器件而言,湿气渗入是影响其气密性导致失效的重要原因之一。湿气渗入器件主要有两条途径:(1)由于树脂本身的透湿率与吸水性,水气会直接通过塑封料包封层本体扩散到芯片表面;(2)通过塑封料包封层与金属框架间的间隙,然后再沿着内引线与塑封料的封接界面进入器件芯片表面。

 

当湿气通过这两条途径到达芯片表面时,在表面形成一层导电水膜,并将塑封料中的Na+、CL-离子也随之带入,在电位差的作为下,会加速对芯片表面铝布线的电化学腐蚀,最终导致电路内引线开路。随着电路集成度的不断提高,铝布线越来越细,因此,铝布线腐蚀对器件寿命的影响就越发严重。

 

其腐蚀机理均可归结为铝与离子沾污物的化学反应:由于水汽的浸入,加速了水解物质(Na+、CL-)从树脂中的离解,同时也加速芯片表面钝化膜磷硅玻璃离解出(PO4)3-。腐蚀过程中离解出的物质由于其物理特性改变,例如脆性增加、接触电阻值增加、热膨胀系数发生变化等,在器件使用或贮存过程中随着温度及加载电压的变化,会表现出电参数漂移、漏电流过大,甚至短路或开路等失效模式,且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,但是只要发生了腐蚀,对器件的长期可靠性将埋下隐患。

 

爆米花效应。随着SOP、PLCC、PQFP、BGA等表面安装封装技术的发展,由于塑封体吸湿性引起的开裂问题已越来越突出。塑封体通过扩散吸收水分最终会使封装体与周围环境在一定的温度和湿度条件下达到一种平衡状态。此时,该塑封体放入回流炉内加热回流焊,塑封体内的水分在高温下变成气体,形成饱和水蒸气,随着蒸气量的增加,在封装体内产生蒸气压,当压力达到一定的程度,为释放压力,在应力集中薄弱处就产生裂纹,塑封体从内部开始产生裂纹,引起分层剥离和开裂现象,俗称“爆米花”效应。如图1所示为一过回流焊后表面出现鼓起的芯片。


在塑封器件中,塑封层与芯片、塑封层与基板(功率器件的散热器、单片IC 的芯片支架、多心芯片或BGA 封装形式的PCB 板等)之间的界面容易出现分层的现象(图2)。因为塑封层与其他材料之间的界面属于粘合结构,界面的两种材料通过分子之间的作用力结合在一起,而不是两种材料互溶、互扩散、形成化合物的过程。


塑料封装器件塑封层与其他材料之间的界面出现分层现象,可引起器件性能下降、甚至失效。如:分层发生在塑封层与芯片的界面,一方面,可引起芯片的键合引线由于机械拉伸,键合引线(包括内、外键合点)翘起、键合接头开裂和键合引线断开等机械损伤而导致连接电阻增大或开路;另一方面,可引起芯片表面钝化层损伤,导致芯片漏电增加、击穿电压下降、金属化条断裂等;再者,塑封层与芯片界面的分层,会给水分和污染物的侵入提供通道,从而影响长期可靠性。

 

塑封器件塑封层与其他材料界面一旦发生分层现象,即使分层面积小,但在器件使用过程中,由于热变应力或机械应力的作用,分层不断扩展,随着分层面积的增大,最终导致器件失效。

 

2 EOS/ESD

 

过电应力(Electrical Over Stress,EOS)是指元器件承受的电流或电压应力超过其允许的最大范围。EOS来源于对器件引脚施加持续的较大电压或电流应力,时间长短和电流大小决定着对器件施加能量的高低。通常情况下使EOS 发生的电应力要持续1ms以上,但 μs量级的电应力也能造成过电力现象的产生。EOS造成的损伤主要表现为元器件性能严重劣化或功能失效。器件受EOS损伤会在局部形成热点,当局部热点温度达到材料熔点时使材料熔化,形成开路或短路,导致器件烧毁。

 

静电放电(Electrostatic Discharge,ESD)是指处于不同静电电位的两个物体间的静电电荷的转移。这种转移的方式有多种,如接触放电、空气放电。静电放电(ESD)引发的失效(图3)可分为突发性失效和潜在性失效两种,突发性失效是指器件受到静电放电损伤后,突然完全丧失其规定的功能,主要表现为开路、短路或参数严重漂移;潜在性失效是指静电放电能量较低,仅在器件内部造成轻微损伤,电参数仍然合格或略微变化,但其抗过电应力能力已明显削弱,这样随着它的继续使用将逐步导致失效。


由ESD导致器件的失效通常情况下被认为是EOS失效的一个分支。因为两者具有相似的电性失效模式和物理失效特征。关键是区分对于导致ESD和EOS失效所施加应力的临界点。对于塑封器件,电路EOS/ESD损伤, 通过导电塑料的电流旁路过热,从而造成芯片上局部高温区塑料碳化的现象。这种失效机理使封装剂退化,使其绝缘电阻受到损耗而导电。大电流沿着这条导电通道并通过塑料从电源输送到地线,不断使塑料发热,最终使塑封器件烧毁。

 

3 机械应力作用

 

由于模塑料、芯片、金属框架的线膨胀系数不匹配而产生的内应力,对器件密封性有着不可忽视的影响。因为模塑料膨胀系数(20-26E-6/℃)较芯片、框架(-16E-6/℃)大,在注模成型冷却或在器件使用环境的温差较大时,有可能导致塑封料在芯片上移动。这种应力对芯片表面结构构成一种剪切力,它首先使芯片上附着力弱的金属化层向芯片中心滑移,造成金属化铝条间开路或短路;也可能造成钝化层或多晶硅层破裂,多层金属化上下层间短路。另外,塑封料在工作温度下会对芯片有一个压应力。温度越低,压应力越大。同时塑封料中加了石英砂填料,以其尖锐的角尖接触芯片,塑封料的压力传递到芯片上,刺破钝化层和金属层造成开路或短路,也会造成器件参数变化。

 

4 生产工艺缺陷

 

塑封成形缺陷。造成塑封器件失效的原因有许多,许多都是与封装工艺、封装材料等有关。塑料成形缺陷主要有:塑封材料未充填完整、气孔、麻点(表面多孔)、冲丝、小岛移动、开裂、溢料等。塑封料在注塑成形时呈熔融状态,是有黏度的运动流体,因此具有一定的冲力。冲力作用在金丝上,使金丝产生偏移,极端情况下金丝冲断,就是所谓的冲丝。冲丝缺陷涉及到键合和塑封两个工序,产生的原因有很多,如塑料黏度过大、金丝过长、塑封料桶中气体过多等。


芯片粘接缺陷。这些缺陷包括芯片与其基片粘接不良、粘接材料中有空洞,芯片表面有沾污(图4),造成热分布不均(局部热点)、芯片剥离或裂纹,此外,空洞还可截留潮气和沾污物。这些缺陷可导致致命失效。

 

钝化层缺陷。钝化层缺陷包括开裂、孔隙和粘接不良。这些缺陷会造成电气开路、中断或漏电流大。在设计芯片焊盘钝化层时,一方面要考虑到不影响键合的质量,另一方面也要注意提高集成电路焊盘抗水气腐蚀的能力。

 

封装缺陷。常见的封装缺陷包括气泡、粘接不良(剥离)、芯片的基片位移和引线弯曲不当。此外,模制化合物含有杂质或沾污物。这些缺陷可造成塑封开裂、金属化层变形、焊头翘起、互连线腐蚀断开、电气开路、短路或中断等等,因而使器件失效;粘接不良(剥离)是由于引线框架表面受到沾污或在键合温度下受到氧化而造成的。其他原因还包括应力消除不足和脱模剂过量等。

 

5 结语

 

提高塑封器件的可靠性是一项系统工程,其取决于固有设计、制造过程、工作条件。在设计时应当充分考虑使用环境的特性。在封装过程中,除了应加大工艺控制,如减少封装体内水汽含量,减小金属框架对封装的影响外,对塑封料的选择也是非常关键的。同时在塑封器件运输、装卸、存贮等过程中,必须采取一定的保护措施,如必要的防潮保护(防潮气侵入)、物理损伤保护(以免引线弯曲或断裂)、防静电放电保护等。


(来源:半导体封装工程师之家)



长按二维码识别关注我们


可靠性杂坛 本平台以推广可靠性相关知识为宗旨,内容涵盖可靠性基础知识、电子装联工艺可靠性、失效物理分析和故障预测与健康管理PHM等方面内容。文章以原创为主,打造精品可靠性专业交流园地。
评论
  • 这篇内容主要讨论三个基本问题,硅电容是什么,为什么要使用硅电容,如何正确使用硅电容?1.  硅电容是什么首先我们需要了解电容是什么?物理学上电容的概念指的是给定电位差下自由电荷的储藏量,记为C,单位是F,指的是容纳电荷的能力,C=εS/d=ε0εrS/4πkd(真空)=Q/U。百度百科上电容器的概念指的是两个相互靠近的导体,中间夹一层不导电的绝缘介质。通过观察电容本身的定义公式中可以看到,在各个变量中比较能够改变的就是εr,S和d,也就是介质的介电常数,金属板有效相对面积以及距离。当前
    知白 2025-01-06 12:04 170浏览
  • PLC组态方式主要有三种,每种都有其独特的特点和适用场景。下面来简单说说: 1. 硬件组态   定义:硬件组态指的是选择适合的PLC型号、I/O模块、通信模块等硬件组件,并按照实际需求进行连接和配置。    灵活性:这种方式允许用户根据项目需求自由搭配硬件组件,具有较高的灵活性。    成本:可能需要额外的硬件购买成本,适用于对系统性能和扩展性有较高要求的场合。 2. 软件组态   定义:软件组态主要是通过PLC
    丙丁先生 2025-01-06 09:23 83浏览
  • 村田是目前全球量产硅电容的领先企业,其在2016年收购了法国IPDiA头部硅电容器公司,并于2023年6月宣布投资约100亿日元将硅电容产能提升两倍。以下内容主要来自村田官网信息整理,村田高密度硅电容器采用半导体MOS工艺开发,并使用3D结构来大幅增加电极表面,因此在给定的占位面积内增加了静电容量。村田的硅技术以嵌入非结晶基板的单片结构为基础(单层MIM和多层MIM—MIM是指金属 / 绝缘体/ 金属) 村田硅电容采用先进3D拓扑结构在100um内,使开发的有效静电容量面积相当于80个
    知白 2025-01-07 15:02 73浏览
  • 在智能家居领域中,Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、Thread与Z-Wave等无线通信协议是构建短距物联局域网的关键手段,它们常在实际应用中交叉运用,以满足智能家居生态系统多样化的功能需求。然而,这些协议之间并未遵循统一的互通标准,缺乏直接的互操作性,在进行组网时需要引入额外的网关作为“翻译桥梁”,极大地增加了系统的复杂性。 同时,Apple HomeKit、SamSung SmartThings、Amazon Alexa、Google Home等主流智能家居平台为了提升市占率与消费者
    华普微HOPERF 2025-01-06 17:23 141浏览
  • 根据环洋市场咨询(Global Info Research)项目团队最新调研,预计2030年全球无人机锂电池产值达到2457百万美元,2024-2030年期间年复合增长率CAGR为9.6%。 无人机锂电池是无人机动力系统中存储并释放能量的部分。无人机使用的动力电池,大多数是锂聚合物电池,相较其他电池,锂聚合物电池具有较高的能量密度,较长寿命,同时也具有良好的放电特性和安全性。 全球无人机锂电池核心厂商有宁德新能源科技、欣旺达、鹏辉能源、深圳格瑞普和EaglePicher等,前五大厂商占有全球
    GIRtina 2025-01-07 11:02 66浏览
  • By Toradex 秦海1). 简介嵌入式平台设备基于Yocto Linux 在开发后期量产前期,为了安全以及提高启动速度等考虑,希望将 ARM 处理器平台的 Debug Console 输出关闭,本文就基于 NXP i.MX8MP ARM 处理器平台来演示相关流程。 本文所示例的平台来自于 Toradex Verdin i.MX8MP 嵌入式平台。  2. 准备a). Verdin i.MX8MP ARM核心版配合Dahlia载板并
    hai.qin_651820742 2025-01-07 14:52 42浏览
  • 大模型的赋能是指利用大型机器学习模型(如深度学习模型)来增强或改进各种应用和服务。这种技术在许多领域都显示出了巨大的潜力,包括但不限于以下几个方面: 1. 企业服务:大模型可以用于构建智能客服系统、知识库问答系统等,提升企业的服务质量和运营效率。 2. 教育服务:在教育领域,大模型被应用于个性化学习、智能辅导、作业批改等,帮助教师减轻工作负担,提高教学质量。 3. 工业智能化:大模型有助于解决工业领域的复杂性和不确定性问题,尽管在认知能力方面尚未完全具备专家级的复杂决策能力。 4. 消费
    丙丁先生 2025-01-07 09:25 80浏览
  • 根据Global Info Research项目团队最新调研,预计2030年全球封闭式电机产值达到1425百万美元,2024-2030年期间年复合增长率CAGR为3.4%。 封闭式电机是一种电动机,其外壳设计为密闭结构,通常用于要求较高的防护等级的应用场合。封闭式电机可以有效防止外部灰尘、水分和其他污染物进入内部,从而保护电机的内部组件,延长其使用寿命。 环洋市场咨询机构出版的调研分析报告【全球封闭式电机行业总体规模、主要厂商及IPO上市调研报告,2025-2031】研究全球封闭式电机总体规
    GIRtina 2025-01-06 11:10 104浏览
  • 彼得·德鲁克被誉为“现代管理学之父”,他的管理思想影响了无数企业和管理者。然而,关于他的书籍分类,一种流行的说法令人感到困惑:德鲁克一生写了39本书,其中15本是关于管理的,而其中“专门写工商企业或为企业管理者写的”只有两本——《为成果而管理》和《创新与企业家精神》。这样的表述广为流传,但深入探讨后却发现并不完全准确。让我们一起重新审视这一说法,解析其中的矛盾与根源,进而重新认识德鲁克的管理思想及其著作的真正价值。从《创新与企业家精神》看德鲁克的视角《创新与企业家精神》通常被认为是一本专为企业管
    优思学院 2025-01-06 12:03 114浏览
  • 每日可见的315MHz和433MHz遥控模块,你能分清楚吗?众所周知,一套遥控设备主要由发射部分和接收部分组成,发射器可以将控制者的控制按键经过编码,调制到射频信号上面,然后经天线发射出无线信号。而接收器是将天线接收到的无线信号进行解码,从而得到与控制按键相对应的信号,然后再去控制相应的设备工作。当前,常见的遥控设备主要分为红外遥控与无线电遥控两大类,其主要区别为所采用的载波频率及其应用场景不一致。红外遥控设备所采用的射频信号频率一般为38kHz,通常应用在电视、投影仪等设备中;而无线电遥控设备
    华普微HOPERF 2025-01-06 15:29 125浏览
  •     为控制片内设备并且查询其工作状态,MCU内部总是有一组特殊功能寄存器(SFR,Special Function Register)。    使用Eclipse环境调试MCU程序时,可以利用 Peripheral Registers Viewer来查看SFR。这个小工具是怎样知道某个型号的MCU有怎样的寄存器定义呢?它使用一种描述性的文本文件——SVD文件。这个文件存储在下面红色字体的路径下。    例:南京沁恒  &n
    电子知识打边炉 2025-01-04 20:04 100浏览
  • 本文介绍Linux系统更换开机logo方法教程,通用RK3566、RK3568、RK3588、RK3576等开发板,触觉智能RK3562开发板演示,搭载4核A53处理器,主频高达2.0GHz;内置独立1Tops算力NPU,可应用于物联网网关、平板电脑、智能家居、教育电子、工业显示与控制等行业。制作图片开机logo图片制作注意事项(1)图片必须为bmp格式;(2)图片大小不能大于4MB;(3)BMP位深最大是32,建议设置为8;(4)图片名称为logo.bmp和logo_kernel.bmp;开机
    Industio_触觉智能 2025-01-06 10:43 87浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦