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半導體器件清洗劑合明科技分享:塑封器件常見失效模式及機理分析

   發布時間:2021-09-23 17:24     來源:合明科技Unibright    作者:合明科技    瀏覽:3    

半導體器件清洗劑合明科技分享:塑封器件常見失效模式及其機理分析


摘要:集成電路塑封器件的早期失效一般由設計或工藝失誤所致,通過常規電性能檢測和篩選可判別這些失效的器件。而使用期失效則是由于器件的潛在缺陷引起,潛在缺陷的行為與時間和應力有關。分析塑封器件常見失效模式及其機理,有助工程師在設計時充分考慮使用環境的特性,提高塑封器件的可靠性。


自1962年開始出現塑封半導體器件,因其在封裝尺寸、重量和成本等方面的優勢性,用戶愈來愈多的采用塑封器件代替原先的金屬、陶瓷封裝器件。但塑封器件在發展初、中期可靠性水平較低,在80年代之后,隨著高純度、低應力的塑封材料的使用,高質量的芯片鈍化、芯片粘接、內涂覆材料、引線鍵合、加速篩選工藝及自動模制等新工藝技術的發展,使得塑封器件的可靠性逐步趕上金屬封裝與陶瓷封裝的器件。


一般塑封器件的失效可分為早期失效和使用期失效,前者多是由設計或工藝失誤造成的質量缺陷所致,可通過常規電性能檢測和篩選來判別。后者則是由器件的潛在缺陷引起的,潛在缺陷的行為與時間和應力有關,經驗表明,受潮、腐蝕、機械應力、電過應力和靜電放電等產生的失效占主導地位。


1 失效模式及其機理分析


塑封器件,就是用塑封料把支撐集成芯片的引線框架、集成芯片和鍵合引線包封起來,從而為集成芯片提供保護。塑封器件封裝材料主要是環氧模塑料。環氧模塑料是以環氧樹脂為基體樹脂,以酚醛樹脂為固化劑,再加上一些填料,如填充劑、阻燃劑、著色劑、偶聯劑等微量組分,在熱和固化劑的作用下環氧樹脂的環氧基開環與酚醛樹脂發生化學反應,產生交聯固化作用使之成為熱固性塑料。塑封材料不同于陶瓷材料和金屬材料,它是一種高分子復合材料,其固有的有機大分子結構,使其本身存在較高的吸濕性,是一種非氣密性封裝。塑封材料主要失效模式為:開路,短路,參數漂移,燒毀。由于塑封器件是非氣密性封裝,在封裝方面就存在一些缺點,最主要的缺點就是對潮氣比較敏感。


受潮。塑封材料會從環境中吸收或吸附水氣,特別是當塑封器件處于潮濕環境時,會吸收或吸附較多的水氣,并且在表面形成一層水膜。受潮是塑封器件的很多失效機理如腐蝕、爆米花效應等的誘因。


腐蝕。對塑封器件而言,濕氣滲入是影響其氣密性導致失效的重要原因之一。濕氣滲入器件主要有兩條途徑:(1)由于樹脂本身的透濕率與吸水性,水氣會直接通過塑封料包封層本體擴散到芯片表面;(2)通過塑封料包封層與金屬框架間的間隙,然后再沿著內引線與塑封料的封接界面進入器件芯片表面。


當濕氣通過這兩條途徑到達芯片表面時,在表面形成一層導電水膜,并將塑封料中的Na+、CL-離子也隨之帶入,在電位差的作為下,會加速對芯片表面鋁布線的電化學腐蝕,最終導致電路內引線開路。隨著電路集成度的不斷提高,鋁布線越來越細,因此,鋁布線腐蝕對器件壽命的影響就越發嚴重。


其腐蝕機理均可歸結為鋁與離子沾污物的化學反應:由于水汽的浸入,加速了水解物質(Na+、CL-)從樹脂中的離解,同時也加速芯片表面鈍化膜磷硅玻璃離解出(PO4)3-。腐蝕過程中離解出的物質由于其物理特性改變,例如脆性增加、接觸電阻值增加、熱膨脹系數發生變化等,在器件使用或貯存過程中隨著溫度及加載電壓的變化,會表現出電參數漂移、漏電流過大,甚至短路或開路等失效模式,且有些失效模式不穩定,在一定條件下有可能恢復部分器件功能,但是只要發生了腐蝕,對器件的長期可靠性將埋下隱患。


爆米花效應。隨著SOP、PLCC、PQFP、BGA等表面安裝封裝技術的發展,由于塑封體吸濕性引起的開裂問題已越來越突出。塑封體通過擴散吸收水分最終會使封裝體與周圍環境在一定的溫度和濕度條件下達到一種平衡狀態。此時,該塑封體放入回流爐內加熱回流焊,塑封體內的水分在高溫下變成氣體,形成飽和水蒸氣,隨著蒸氣量的增加,在封裝體內產生蒸氣壓,當壓力達到一定的程度,為釋放壓力,在應力集中薄弱處就產生裂紋,塑封體從內部開始產生裂紋,引起分層剝離和開裂現象,俗稱“爆米花”效應。如圖1所示為一過回流焊后表面出現鼓起的芯片。


在塑封器件中,塑封層與芯片、塑封層與基板(功率器件的散熱器、單片IC 的芯片支架、多心芯片或BGA 封裝形式的PCB 板等)之間的界面容易出現分層的現象(圖2)。因為塑封層與其他材料之間的界面屬于粘合結構,界面的兩種材料通過分子之間的作用力結合在一起,而不是兩種材料互溶、互擴散、形成化合物的過程。

塑料封裝器件塑封層與其他材料之間的界面出現分層現象,可引起器件性能下降、甚至失效。如:分層發生在塑封層與芯片的界面,一方面,可引起芯片的鍵合引線由于機械拉伸,鍵合引線(包括內、外鍵合點)翹起、鍵合接頭開裂和鍵合引線斷開等機械損傷而導致連接電阻增大或開路;另一方面,可引起芯片表面鈍化層損傷,導致芯片漏電增加、擊穿電壓下降、金屬化條斷裂等;再者,塑封層與芯片界面的分層,會給水分和污染物的侵入提供通道,從而影響長期可靠性。


塑封器件塑封層與其他材料界面一旦發生分層現象,即使分層面積小,但在器件使用過程中,由于熱變應力或機械應力的作用,分層不斷擴展,隨著分層面積的增大,最終導致器件失效。


2 EOS/ESD


過電應力(Electrical Over Stress,EOS)是指元器件承受的電流或電壓應力超過其允許的較大范圍。EOS來源于對器件引腳施加持續的較大電壓或電流應力,時間長短和電流大小決定著對器件施加能量的高低。通常情況下使EOS 發生的電應力要持續1ms以上,但 μs量級的電應力也能造成過電力現象的產生。EOS造成的損傷主要表現為元器件性能嚴重劣化或功能失效。器件受EOS損傷會在局部形成熱點,當局部熱點溫度達到材料熔點時使材料熔化,形成開路或短路,導致器件燒毀。


靜電放電(Electrostatic Discharge,ESD)是指處于不同靜電電位的兩個物體間的靜電電荷的轉移。這種轉移的方式有多種,如接觸放電、空氣放電。靜電放電(ESD)引發的失效(圖3)可分為突發性失效和潛在性失效兩種,突發性失效是指器件受到靜電放電損傷后,突然完全喪失其規定的功能,主要表現為開路、短路或參數嚴重漂移;潛在性失效是指靜電放電能量較低,僅在器件內部造成輕微損傷,電參數仍然合格或略微變化,但其抗過電應力能力已明顯削弱,這樣隨著它的繼續使用將逐步導致失效。

由ESD導致器件的失效通常情況下被認為是EOS失效的一個分支。因為兩者具有相似的電性失效模式和物理失效特征。關鍵是區分對于導致ESD和EOS失效所施加應力的臨界點。對于塑封器件,電路EOS/ESD損傷, 通過導電塑料的電流旁路過熱,從而造成芯片上局部高溫區塑料碳化的現象。這種失效機理使封裝劑退化,使其絕緣電阻受到損耗而導電。大電流沿著這條導電通道并通過塑料從電源輸送到地線,不斷使塑料發熱,最終使塑封器件燒毀。


3 機械應力作用


由于模塑料、芯片、金屬框架的線膨脹系數不匹配而產生的內應力,對器件密封性有著不可忽視的影響。因為模塑料膨脹系數(20-26E-6/℃)較芯片、框架(-16E-6/℃)大,在注模成型冷卻或在器件使用環境的溫差較大時,有可能導致塑封料在芯片上移動。這種應力對芯片表面結構構成一種剪切力,它首先使芯片上附著力弱的金屬化層向芯片中心滑移,造成金屬化鋁條間開路或短路;也可能造成鈍化層或多晶硅層破裂,多層金屬化上下層間短路。另外,塑封料在工作溫度下會對芯片有一個壓應力。溫度越低,壓應力越大。同時塑封料中加了石英砂填料,以其尖銳的角尖接觸芯片,塑封料的壓力傳遞到芯片上,刺破鈍化層和金屬層造成開路或短路,也會造成器件參數變化。


4 生產工藝缺陷


塑封成形缺陷。造成塑封器件失效的原因有許多,許多都是與封裝工藝、封裝材料等有關。塑料成形缺陷主要有:塑封材料未充填完整、氣孔、麻點(表面多孔)、沖絲、小島移動、開裂、溢料等。塑封料在注塑成形時呈熔融狀態,是有黏度的運動流體,因此具有一定的沖力。沖力作用在金絲上,使金絲產生偏移,極端情況下金絲沖斷,就是所謂的沖絲。沖絲缺陷涉及到鍵合和塑封兩個工序,產生的原因有很多,如塑料黏度過大、金絲過長、塑封料桶中氣體過多等。

芯片粘接缺陷。這些缺陷包括芯片與其基片粘接不良、粘接材料中有空洞,芯片表面有沾污(圖4),造成熱分布不均(局部熱點)、芯片剝離或裂紋,此外,空洞還可截留潮氣和沾污物。這些缺陷可導致致命失效。


鈍化層缺陷。鈍化層缺陷包括開裂、孔隙和粘接不良。這些缺陷會造成電氣開路、中斷或漏電流大。在設計芯片焊盤鈍化層時,一方面要考慮到不影響鍵合的質量,另一方面也要注意提高集成電路焊盤抗水氣腐蝕的能力。


封裝缺陷。常見的封裝缺陷包括氣泡、粘接不良(剝離)、芯片的基片位移和引線彎曲不當。此外,模制化合物含有雜質或沾污物。這些缺陷可造成塑封開裂、金屬化層變形、焊頭翹起、互連線腐蝕斷開、電氣開路、短路或中斷等等,因而使器件失效;粘接不良(剝離)是由于引線框架表面受到沾污或在鍵合溫度下受到氧化而造成的。其他原因還包括應力消除不足和脫模劑過量等。


5 結語


提高塑封器件的可靠性是一項系統工程,其取決于固有設計、制造過程、工作條件。在設計時應當充分考慮使用環境的特性。在封裝過程中,除了應加大工藝控制,如減少封裝體內水汽含量,減小金屬框架對封裝的影響外,對塑封料的選擇也是非常關鍵的。同時在塑封器件運輸、裝卸、存貯等過程中,必須采取一定的保護措施,如必要的防潮保護(防潮氣侵入)、物理損傷保護(以免引線彎曲或斷裂)、防靜電放電保護等。


(來源:半導體封裝工程師之家)




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