塑封元器件高可靠應用中的核心問題分析
作者：
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瑞凱儀器
來源：
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發(fā)布日期： 2020.07.01
雖然塑封材料的改進已使塑封器件的物理性能和可靠性有了很大的提高，但在應用中由于封裝材料本質特征，仍存在由于潮氣入侵和溫度性能差而導致的一些可靠性問題。
1、溫度適應性問題
相對于玻璃和陶瓷，塑封材料屬于低溫材料，其玻璃化轉換溫度為130℃～160℃，一般的商用塑封器件主要滿足以下3個溫度范圍的要求:0C～70C(商業(yè)溫度)、-40℃ ～ 85℃(工業(yè)溫度)和-40℃～125℃(汽車溫度)。但是，這些范圍比軍用溫度范圍-55℃ ～ 125℃要窄。由于芯片、引線框架、樹脂各自的熱膨脹系數不同，樹脂模注后產生內應力。在溫度循環(huán)試驗中，這種內應力成為循環(huán)變化的應力。在這種應力作用下，襯底之下或引線之間的區(qū)域容易產生裂紋，此外連接芯片和引線的鍵合絲也會因溫度循環(huán)而周期性變形，從而造成疲勞損傷。
2、潮氣入侵問題
由于塑封材料具有固有的吸濕性以及環(huán)氧成型材料的吸附性，塑封器件會產生很多可靠性問題。潮氣的入侵會由于離子沾污而導致大量的與腐蝕有關的失效，在潮濕環(huán)境中貯存和使用也會因水汽浸入而發(fā)生腐蝕，有害物質，如鹵素，常伴隨水汽一起侵入，腐蝕會更加嚴重。塑封材料吸潮后會發(fā)生尺寸蠕變，對芯片、鍵合點和內引線產生應力。如果在塑封材料吸收了水汽的情況下進行焊接，因突然受熱使水汽快速膨脹，會對器件造成更嚴重的損傷，甚至爆裂，這種現象對小尺寸表面貼裝電路尤為明顯。隨著大封裝尺寸表貼技術的大量應用，濕度引起的封裝損傷(如內部分層和再流焊過程中的開裂現象)會導致一系列的可靠性問題，
PEM(塑封微電路)的很多失效機理，如腐蝕和“爆米花"效應都可以歸結為潮氣入侵。
3、塑封微電路的分層
3.1低溫分層
在高可靠應用中，如航空航天環(huán)境，環(huán)境溫度會達到-65℃甚至更低，塑封器件在低溫下使用時，會發(fā)生塑料外殼分層和開裂導致的器件失效。在從室溫到極端寒冷環(huán)境的熱循環(huán)過程中，模壓復合物與基片或引線框之間的熱膨脹系數(CTE)差異可造成分層和開裂。并且，隨著塑料在極端低溫下耐開裂強度的下降，開裂的可能性也增加了。
3.2“爆米
花”效應
塑封器件在焊接期間傳導到器件上的熱有三種來源:紅外回流焊加熱、氣相回流焊加熱和波峰焊加熱。紅外加熱的峰值溫度是235℃～240℃， 10s;氣相加熱問題215℃+5℃，40s;波峰焊加熱溫度260℃+5℃，5s。在器件受熱過程中，由于管殼中所吸附的水分快速汽化，內部水汽壓力過大，使模制材料(環(huán)氧樹脂化合物)膨脹，出現分層剝離和開裂現象，俗稱“爆米花”效應。“爆米花”效應是已經吸潮的塑封器件在短時間內出現開裂的一種失效模式。由于在再流焊過程中，塑封器件所處的環(huán)境短時間溫度升至205℃～250℃，上升梯度較大(1℃/s～
2℃/s)。當溫度超過塑封材料的玻璃化轉換溫度(一般130℃～160℃)時，塑封材料變軟，如果器件內部有較多水汽，水汽在短時間內受熱快速膨脹，造成塑封材料爆裂。
3.3分層引起的可靠性問題
研究表明，塑封器件的基片一封裝材料界面處的分層會嚴重影響PEM的可靠性。它會因球焊或楔形焊的切斷而引起直接或間歇性電失效，或形成滲透通路和出現集聚水分和離子沾污物的區(qū)域，增加器件腐蝕失效的可能性，從而危及PEM的長期可靠性。在引線鍵合處的分層可能會使鍵合界面退化，因為在溫度循環(huán)過程中可能會在球焊處產生機械應力，這就會導致在球焊點下的硅材料破裂。另外，分層可能造成分離的塑料與基片表面產生相對位移，損壞鈍化層和金屬化層。
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