半导体封装产品分层问题浅析-刘文强

半导体封装分层问题的浅析AnalysisontheDelaminationIssueofSemiconductorPackaging刘文强(江苏中鹏新材料股份有限公司）摘要：自1965年环氧模塑料（EMC）诞生以来，逐渐以其高可靠性、低成本、生产工艺简单等优越性替代了陶瓷和金属封装，成为目前封装材料的主流。但是由于塑封料存在较高的吸湿性，而器件在生产和测试过程中，不可避免的要经过高温或高湿环境，潮气膨胀后会造成内部应力过大，形成分层，金线断裂等后果。同时由于塑封料与Si、Cu等其他材质膨胀系数的差异，也很容易在较大的剪切应力下形成分层。本文主要讲述塑封料与芯片、基岛和框架之间的分层，及其失效的原因与模式，并且对于分层提出了有效的改进措施。Abstract:EMC,bornin1965,withtheadvantagesofhighreliability,lowcostandsimpleproductionprocess,graduallyreplacetheceramicandmetalpackagesandbecomethemainstreampackagematerial.However,foritswaterabsorptionsensitivity,itappearsdelaminationandgoldwirebreakwhiletestingandproducingbecauseofhighinternalstressunderinevitablehightemperatureandhighmoistureenvironment.Atthesametime,theCTEdifferencesbetweenEMC,SiandCualsoeasilyformaheavystressandleadtodelamination.ThisthesisfocusesonthedelaminationbetweenEMCandchip,padandleadframe,aswellasfailurecauseandmode.Byanalyzingthese,thisthesispointsoutsomeeffectiveimprovements.关键词：塑封料、电子封装、分层失效原因、失效检验、可靠性分析KeyWords:Epoxymoldingcompound,Electricalpackaging,failureanalysisondelamination,failureinspection,reliabilityanalysis1概述1.1塑封料概述环氧模塑料由邻甲酚醛环氧树脂、线性酚醛树脂、填充料二氧化硅粉（俗称硅微粉）、促进剂、偶联剂、改性剂、阻燃剂、着色剂等组分组成。邻甲酚醛环氧树脂是作为胶粘剂，它的固化剂是线性酚醛树脂，将它们与其它组分按一定质量比例称量并混合均匀，再经热混合后制备成了一个单组分组合物。在热和固化促进剂的作用下，环氧树脂的环氧基具有很高的反应活性，环氧基开环与固化剂酚醛树脂的羟基发生化学反应，产生交联固化作用，使它成为热固性塑料。1.2电子封装概述封装分层（Delamination）又称剥离，主要是指不同物质在接触面产生分离和缝隙导致空气、水或者酸碱液进入而导致电性能失效或失效隐患的现象。如图1.2-1所示图1.2-1塑封料封装后出现的分层现象封装产品分类。按照芯片类型，可分为Discrete.IC和Laminate，而按照使用方式则大致分为Pininsertion、Surface-mount、Flashcard以及Transistorarray等。不同的封装形式，其分层原因是不尽相同的，但是其分层失效原因及模式归结起来却并不复杂。2分层失效原因及模式根据导致分层的原因不同，分层失效模式主要分为以下几类a、塑封体内部存在潮气塑封料的原材料储存、成品生产及成品储存都或多或少会接触到潮气，以及塑封料醒料时间不够或醒料环境不达标，将导致塑封料内部聚集潮气。当使用这些含有潮气的塑封料生产的封装电子器件，进行后固化、可靠性实验（Bake、HTSL、HTRB、TCT、PCTetc）、回流、气相、波峰焊等一系列高温（220℃以上）环境的后处理时，水气化后体积迅速膨胀1000倍，导致分层。b、半导体封装材料线膨胀系数（CTE）差距过大塑封料、芯片、框架等材料，因为其材质不同，在高温下由于膨胀系数不同，导致接触面出现剪切力，如果剪切力过大，便会出现分层、开路、短路、芯片受损等一系列后果。封装尺寸较大的情况下，还会导致翘曲。下面是典型的应力计算公式：㏑TEttRchipchipcalcpkgLnt176.1514.2024.4731.4293.0TECRonsttchip：芯片的厚度（mm）tpkg：塑封体的厚度（mm）ER：在125℃、Gpa无潮湿的条件下的杨系数ΔT：回流温度—成型温度差℃Δα：EMC的α2—芯片的αppmτcalc：利用FEM计算出来的压力从以上公式不难看出，塑封应力主要与封装尺寸，环境温度差，和CTE有关。c、塑封料与框架粘结力较差这种情况一般发生在塑封料的选择不合适，比如Cu框架却选择与PPF或Ni粘结力好的塑封料，或者框架在装片或白胶和银胶固化时氧化程度不合适，又或塑封工艺不合理等状况。一般此类情况均可通过调整工艺和选材来解决。d、塑封料弯曲强度偏低如果塑封材料弯曲强度偏低，而模量又偏小，那么package在受到比如切筋，高压水等外力时，就可能会出现分层或者是开裂。内应力剪切应力3检测方法目前针对IC和Laminate，因为其基岛是平面，主要采用超声波扫面电镜（C-SAM）进行检测，该方法最大的好处是可以较为直观的显示分层的区域、位置、大小等信息而不需要破环样品的结构。其基本原理如图3-1所示图3-1C-SAM基本原理但是对于轴向以及SMT二极管、TO92、TO52、部分电容、线圈等，因为其结构有曲面设计或者芯片不直接与塑封料接触，无法使用C-SAM进行扫描来判定是否分层，这种情况就需要做CrossSection处理，然后使用高倍显微镜进行观察。图3-2轴向二极管纵切面4改善方法4.1塑封料配方改善a、尽量调整塑封料与Si晶片CTE的比值在2：1~1：1之间有利于减小或消除剪切应力，减小不同材质之间CTE的比值，可以减小器件在进行后固化、回流焊、以及可靠性考核时内部各介面的剪切应力，以此达到或减小内部分层的发生概率。b、提高填料含量或使用吸水率较小的树脂高填料不仅有助于提高Tg,，降低成本，同时也降低了树脂的含量，减少塑封料的吸潮。但是高填料含量可能会导致CTE过高，导致应力变大，因此这需要在调整配方时综合考虑。c、使用低应力填料或添加应力改性剂，降低内应力低应力填料主要是指球形或接近球形的硅微粉，这样的填料经过高温煅烧和处理，表面基本上没有棱角，应力较角型和熔融型有很大改善，但是成本较高，而且导热也明显不及其他类型。d、添加偶联剂，提高树脂粘结力偶联剂可以改善塑封料内部成分以及塑封料与框架等的结合力，使封装致密性大大提高，降低塑封料的吸潮，对于分层的改善有很大帮助。4.2封装工艺改善a、控制后固化烘箱温度，避免超温有些封装车间设备比较老旧，烘箱没有超温保护，导致后固化时温度超标十几度，造成良品率降低和不必要的损失。许多产品良率的降低就是从后固化开始，因此控制并优化后固化的工艺是非常有必要的。b、芯片表面添加钝化层有的塑封料填料是用的角形硅微粉，非常不规则导致应力很大，对于芯片的伤害也较大。如果在芯片表面刷胶或者添加钝化层（如GPP芯片），可以在塑封料和芯片之间形成缓冲和保护，有效降低分层的发生并提高器件电性良率。c、控制模压车间温湿度有些分立器件(Discrete)的生产厂家，因为成本的原因，车间条件比较差，对于温湿度的控制非常不规范，塑封料在这种环境下使用，非常容易发生吸潮，若材料没有一次性用完二次回温，那么因吸潮出现分层的可能性更大。d、白胶和银胶烘烤温度及时间优化白胶或银胶烘烤时，若没有氮气保护框架的氧化在所难免，表面很容易形成氧化铜或氧化亚铜，氧化铜本身就很容易吸潮从框架剥离，封装后产生分层的概率就会很大。e、切筋模需经常检查，避免刀头钝化表面贴装的器件，切筋和引脚打弯时应力非常大，需要塑封料和框架的粘结力要非常出色。此时若刀头钝化，势必造成更大的冲击应力，器件发生分层甚至开裂的可能性就非常大。f、框架设计时可以设计卡头或者斜面在框架设计时，加入卡头（MoldLock）可以是芯片有效的防止外部潮气从塑封料和框架或引线的分层渗入，同时可以使器件抵抗更大的外力冲击（二极管的“干”字面就是很好的例子，见上文轴向二极管纵切面图3-2）。g、去飞边浸泡后烘干保证通风量，避免在密闭环境中烘干经过后固化、酸碱浸泡、高压水冲洗等处理，器件烘干时器件内部若出现细小分层，在烘干炉中若处于密闭不通风状态，器件内部细小分层就会出现爆炸式的膨胀，造成芯片开裂，铜、金、铝线拉断，焊点开裂等一系列后果。因此，去飞边工艺必须格外注意。4.3组装工艺改善a、回流前可低温烘干器件由于欧盟ROSH和WEEE的规定，目前回流焊基本都采用无铅化技术，回流温度达260度甚至更高，此时若器件内部吸潮，在高温下很容易出现爆米花现象，造成产品失效和不可挽回的损失。b、尽量避免波峰焊器件一起回流波峰焊器件（插孔器件）只需引脚浸锡，对于封装的损伤并不大，有些厂家为图省事，将所有器件装好后一起回流，造成插孔的分层。5总结分层形成是因为内应力过大或者介面上的剪切应力过大造成的，是一个综合性问题，需考虑塑封料、引脚、框架和组装技术等诸多因素并综合优化。作者简介刘文强，高分子材料与工程学士学位，2007年毕业于南京林业大学化工学院。多年从事塑封料应用技术服务和研发实验室工作，现就职于连云港汉高华威电子有限公司。