塑封器件中高聚物的失效分析

郝秀云，楊 潔

（南京信息職業技術學院機電學院，南京 210046）

塑封器件中高聚物的失效分析

郝秀云，楊 潔

（南京信息職業技術學院機電學院，南京 210046）

文章分析了塑封器件中高聚物在封裝固化過程中和使用過程中常見的損傷或失效，結果表明：封裝固化過程中，當高聚物材料收縮受到周圍材料的約束時，由于殘余應力的存在，可引起氣孔、孔隙、微裂紋，即形成了一系列微小缺陷；在后續的生產工藝以及產品使用過程中的熱-機械載荷作用下，固化中產生的微小缺陷或損傷會擴展、匯合而形成宏觀裂紋，導致氣孔受潮、水汽膨脹，最終引起器件的失效。分析還表明：在保證基體強度的條件下，設計界面強度較高、粒徑分散度較低、平均粒徑較小的微粒填充高聚物復合材料有利于改善高聚物的性能，降低其失效機率。

塑封器件；失效分析；損傷機理

1 引言

半導體集成電路IC技術是電子信息技術的基石，IC封裝測試是半導體產業的三大支柱之一，IC封裝材料是其中的重要因素。熱固性聚合物作為重要的微電子封裝材料已被廣泛應用，如作為IC的模塑封裝材料，在倒裝焊芯片Flip Chip中作為硅芯片與PCB基板之間的填充膠Underfill，在芯片級封裝CSP、塑封球陣列PBGA及系統芯片SOC等封裝形式中也是極為重要的封裝材料。這類聚合物材料常常加入高比例的填充粒子，從而提高模量以適應電子封裝的特殊要求。隨著半導體技術的飛速發展，對封裝材料性能的要求也越來越高。因此，人們對低成本塑封器件的可靠性問題給予極大關注，并將大量的工作投入到失效機理分析這一重要領域。

2 失效分析

封裝材料的破壞失效是微電子器件失效及可靠性問題的主要原因之一，也是近期研究的熱點之一。從器件失效的根源來分析，發現許多熱-機械可靠性問題都與材料性能有關，并且起源于產品的設計制造階段。高聚物封裝成型的半導體器件是由不同熱膨脹系數的材料組成，表現出粘彈性特性。在封裝器件內部，由于成型固化收縮和熱收縮而產生的熱應力，是強度下降、老化開裂、封裝裂紋、空洞、鈍化、分層等缺陷的主要原因。而低粘度化的主要目的就是降低封裝聚合物的內應力，使其具有高填充性和可靠性，以使封裝器件具有高可靠性。目前大量采用的方法是在封裝高聚物中添加大量的二氧化硅之類的無機填充粉末，大幅降低封裝材料的熱膨脹系數，達到降低內應力的目的。同時，從微觀結構來看：一方面，二氧化硅等剛性粒子的加入，在兩個粒子間形成橋接，起到了牽制裂紋發展的作用；另一方面，剛性粒子橋接在兩個裂紋面之間，阻止了裂紋的擴展。但是，由于混合粒子均勻的聚合物基顆粒填充復合材料難以獲得，再加上封裝工藝環境的影響，采用該種材料將導致其內部產生局部應力狀態不均勻，從而出現其材料特性所不具有的缺陷行為。

塑封器件常見的損傷可分為兩類：

一種是封裝過程中引起的損傷；

另一種是生產使用過程中引起的損傷。

2.1 封裝固化過程中的失效分析

固化工藝是電子封裝的一項重要工藝，它是使封裝材料、基板以及硅片長時間保持在150℃～200℃的高溫下，使封裝材料充分流動，然后冷卻固化成型。

在固化過程中，塑料中的環氧分子在固化劑和促進劑作用下，環氧鍵被打開，使塑料從鏈狀分子結構向網狀分子結構轉變，同時放出氣體，在塑封中產生氣孔。冷卻時封裝聚合物分子鏈相互交聯逐漸增加，液態轉變為固態，產生體積收縮，同時材料的剛度隨之增加。當它的收縮受到周圍材料的約束時，就會產生相應的應力、應變場，冷卻后就會出現殘余應力，當該應力超過一定程度時就會產生損傷或缺陷。通常有四種損傷情況：

第一種情況是出現在底充膠與基板及硅片粘結緊密的情況下，由于封裝材料冷縮產生的應力作用，引發硅芯片的垂直開裂，硅芯片破裂并留在基板上；

第二種情況是當底充膠與硅片連接很好但與基板連接不充分的情況下，將會在焊點處出現缺陷；

第三種情況出現在固化過程中，底充膠與基板連接很好但與硅片連接不充分的情況下，將會在硅片表面因連接不牢固而出現分層缺陷；

第四種情況出現在填充粒子與基體聚合物間出現缺陷，這是由于剛性粒子模量和強度高，本身難以空洞成核，因此在外載荷作用下粒子和基體變形不協調而導致粒子界面脫粒，在一定條件下產生微孔洞。

2.2 生產使用過程中的失效分析

2.2.1 封裝固化后潛在缺陷引起的失效分析

在后續的生產工藝以及產品的使用過程中的熱-機械載荷作用下，封裝固化產生的微小缺陷或損傷會擴展、匯合而形成宏觀裂紋，直接導致器件的失效。

對于聚合物基顆粒填充復合材料，填充粒子的容量、形狀、大小和聚合物的類型以及受載情況都對封裝用高聚物的機械性能有很大影響。在受載的情況下，孔洞密度的演化由成核和長大兩個因素共同決定，隨著界面強度的增加，粒子的有效體積分數和孔隙度的演化趨于平緩，即在基體強度足夠高的條件下，界面強度高有利于材料的增強。粒徑分散度對粒子有效體積分數和孔隙度的演化規律有明顯的影響，粒徑分散度小則粒子有效體積分數和孔隙度的演化速度較慢，隨著粒徑分散度的增加，粒子有效體積分數和孔隙度的演化速度也隨之加快。在共混材料的粒子分數給定的條件下，平均粒徑對有效體積分數和孔隙度演化規律的影響不可忽視。隨著平均粒徑的增加，粒子有效體積分數和孔隙度的演化速度迅速加快且不會趨于穩定。即粒子的平均粒徑大勢必會給共混材料的增強產生不利影響。綜上所述，在保證基體強度的條件下，設計界面強度較高、粒徑分散度較低、平均粒徑較小的微粒填充高聚物復合材料有利于改善高聚物的性能。此種情況下，即使封裝固化引起了一系列微小缺陷，在后續的生產使用過程中也不一定會出現裂紋 擴展、器件最終失效的現象。

2.2.2 吸潮引起的失效分析

吸潮導致界面脫層以及間接引起其他材料失效，如焊點的裂紋或疲勞失效等，是塑封器件生產使用過程中的主要失效形式。因為塑料固有的有機大分子結構，所以普遍存在較高的吸濕性而不具有氣密性的特點，由此引起塑封器件較為突出的因吸潮而引起的可靠性問題。

生產過程中，當溫度處于200℃以上的高溫，如再流焊或波峰焊時，若塑封殼體通過存儲期吸收了大量濕氣，焊接處于預熱直至高溫時，水汽就會急劇膨脹，聚集形成較大的水汽壓，當其超過塑料與引線框架或塑料與芯片粘接劑的粘結強度時，就會發生塑料與二者之間的分層和空隙，蒸汽繼續由空隙向外擴張，在應力集中的最薄弱處（往往是分層的引線框架芯片粘結邊角處）就產生裂紋，最終出現開裂現象。但是，水汽只是引起塑封器件開裂的外部因素，而塑封器件結構所形成的熱配才是引起塑封器件開裂的根本性內在原因。

但在使用過程中，塑料封裝盡管存在普遍的吸濕問題，并會對電極造成腐蝕，但并不會引起塑料外殼的開裂問題，因為濕氣壓很低，產生的機械應力不足以破壞外殼。

3 總結

塑封器件常見的損傷可分為兩類：其一是封裝固化過程中引起的損傷；其二是生產使用過程中引起的損傷。

封裝固化過程中，當高聚物材料收縮受到周圍材料的約束時，由于殘余應力的存在，可引起氣孔、孔隙、微裂紋，即形成了一系列微小缺陷，在后續的生產工藝以及產品的使用過程中的熱-機械載荷作用下，固化中產生的微小缺陷或損傷會擴展、匯合而形成宏觀裂紋，以及氣孔受潮、水汽膨脹、最終導致器件的失效。

研究表明，在保證基體強度的條件下，設計界面強度較高、粒徑分散度較低、平均粒徑較小的微粒填充高聚物復合材料有利于改善高聚物的性能，降低其失效機率。

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High Polymer Failure Analysis in Plastic Packaging Device

HAO Xiu-yun, YANG Jie
（School of Mechanical and Electrical Engineering Nanjing College of Information Technology,Nanjing210046,China）

In this paper, the damage and failure of the high polymer has been analyzed. During the packaging curing, some defect, such as microcrack, can be come into being because of the residual stress. During the production process and product service, these defect can be extent to macrocrack. When moisture in the device is absorbed, the device will be failure. To minimum the failure probability, polymer with smaller filling particle diameter should be used.

plastic packaging device; failure analysis; damage mechansim

TN305.94

A

1681-1070（2011）05-0010-03

2011-03-30

郝秀云（1976—），女，山西孝義人，南京信息職業技術學院機電學院，講師/工程師，主要研究方向：微電子封裝技術、電子表面組裝技術、雙語教學。

電 路 設 計