塑封器件中高聚物的失效分析

郝秀云，杨 洁

（南京信息职业技术学院机电学院，南京 210046）

塑封器件中高聚物的失效分析

郝秀云，杨 洁

（南京信息职业技术学院机电学院，南京 210046）

文章分析了塑封器件中高聚物在封装固化过程中和使用过程中常见的损伤或失效，结果表明：封装固化过程中，当高聚物材料收缩受到周围材料的约束时，由于残余应力的存在，可引起气孔、孔隙、微裂纹，即形成了一系列微小缺陷；在后续的生产工艺以及产品使用过程中的热-机械载荷作用下，固化中产生的微小缺陷或损伤会扩展、汇合而形成宏观裂纹，导致气孔受潮、水汽膨胀，最终引起器件的失效。分析还表明：在保证基体强度的条件下，设计界面强度较高、粒径分散度较低、平均粒径较小的微粒填充高聚物复合材料有利于改善高聚物的性能，降低其失效机率。

塑封器件；失效分析；损伤机理

1 引言

半导体集成电路IC技术是电子信息技术的基石，IC封装测试是半导体产业的三大支柱之一，IC封装材料是其中的重要因素。热固性聚合物作为重要的微电子封装材料已被广泛应用，如作为IC的模塑封装材料，在倒装焊芯片Flip Chip中作为硅芯片与PCB基板之间的填充胶Underfill，在芯片级封装CSP、塑封球阵列PBGA及系统芯片SOC等封装形式中也是极为重要的封装材料。这类聚合物材料常常加入高比例的填充粒子，从而提高模量以适应电子封装的特殊要求。随着半导体技术的飞速发展，对封装材料性能的要求也越来越高。因此，人们对低成本塑封器件的可靠性问题给予极大关注，并将大量的工作投入到失效机理分析这一重要领域。

2 失效分析

封装材料的破坏失效是微电子器件失效及可靠性问题的主要原因之一，也是近期研究的热点之一。从器件失效的根源来分析，发现许多热-机械可靠性问题都与材料性能有关，并且起源于产品的设计制造阶段。高聚物封装成型的半导体器件是由不同热膨胀系数的材料组成，表现出粘弹性特性。在封装器件内部，由于成型固化收缩和热收缩而产生的热应力，是强度下降、老化开裂、封装裂纹、空洞、钝化、分层等缺陷的主要原因。而低粘度化的主要目的就是降低封装聚合物的内应力，使其具有高填充性和可靠性，以使封装器件具有高可靠性。目前大量采用的方法是在封装高聚物中添加大量的二氧化硅之类的无机填充粉末，大幅降低封装材料的热膨胀系数，达到降低内应力的目的。同时，从微观结构来看：一方面，二氧化硅等刚性粒子的加入，在两个粒子间形成桥接，起到了牵制裂纹发展的作用；另一方面，刚性粒子桥接在两个裂纹面之间，阻止了裂纹的扩展。但是，由于混合粒子均匀的聚合物基颗粒填充复合材料难以获得，再加上封装工艺环境的影响，采用该种材料将导致其内部产生局部应力状态不均匀，从而出现其材料特性所不具有的缺陷行为。

塑封器件常见的损伤可分为两类：

一种是封装过程中引起的损伤；

另一种是生产使用过程中引起的损伤。

2.1 封装固化过程中的失效分析

固化工艺是电子封装的一项重要工艺，它是使封装材料、基板以及硅片长时间保持在150℃～200℃的高温下，使封装材料充分流动，然后冷却固化成型。

在固化过程中，塑料中的环氧分子在固化剂和促进剂作用下，环氧键被打开，使塑料从链状分子结构向网状分子结构转变，同时放出气体，在塑封中产生气孔。冷却时封装聚合物分子链相互交联逐渐增加，液态转变为固态，产生体积收缩，同时材料的刚度随之增加。当它的收缩受到周围材料的约束时，就会产生相应的应力、应变场，冷却后就会出现残余应力，当该应力超过一定程度时就会产生损伤或缺陷。通常有四种损伤情况：

第一种情况是出现在底充胶与基板及硅片粘结紧密的情况下，由于封装材料冷缩产生的应力作用，引发硅芯片的垂直开裂，硅芯片破裂并留在基板上；

第二种情况是当底充胶与硅片连接很好但与基板连接不充分的情况下，将会在焊点处出现缺陷；

第三种情况出现在固化过程中，底充胶与基板连接很好但与硅片连接不充分的情况下，将会在硅片表面因连接不牢固而出现分层缺陷；

第四种情况出现在填充粒子与基体聚合物间出现缺陷，这是由于刚性粒子模量和强度高，本身难以空洞成核，因此在外载荷作用下粒子和基体变形不协调而导致粒子界面脱粒，在一定条件下产生微孔洞。

2.2 生产使用过程中的失效分析

2.2.1 封装固化后潜在缺陷引起的失效分析

在后续的生产工艺以及产品的使用过程中的热-机械载荷作用下，封装固化产生的微小缺陷或损伤会扩展、汇合而形成宏观裂纹，直接导致器件的失效。

对于聚合物基颗粒填充复合材料，填充粒子的容量、形状、大小和聚合物的类型以及受载情况都对封装用高聚物的机械性能有很大影响。在受载的情况下，孔洞密度的演化由成核和长大两个因素共同决定，随着界面强度的增加，粒子的有效体积分数和孔隙度的演化趋于平缓，即在基体强度足够高的条件下，界面强度高有利于材料的增强。粒径分散度对粒子有效体积分数和孔隙度的演化规律有明显的影响，粒径分散度小则粒子有效体积分数和孔隙度的演化速度较慢，随着粒径分散度的增加，粒子有效体积分数和孔隙度的演化速度也随之加快。在共混材料的粒子分数给定的条件下，平均粒径对有效体积分数和孔隙度演化规律的影响不可忽视。随着平均粒径的增加，粒子有效体积分数和孔隙度的演化速度迅速加快且不会趋于稳定。即粒子的平均粒径大势必会给共混材料的增强产生不利影响。综上所述，在保证基体强度的条件下，设计界面强度较高、粒径分散度较低、平均粒径较小的微粒填充高聚物复合材料有利于改善高聚物的性能。此种情况下，即使封装固化引起了一系列微小缺陷，在后续的生产使用过程中也不一定会出现裂纹 扩展、器件最终失效的现象。

2.2.2 吸潮引起的失效分析

吸潮导致界面脱层以及间接引起其他材料失效，如焊点的裂纹或疲劳失效等，是塑封器件生产使用过程中的主要失效形式。因为塑料固有的有机大分子结构，所以普遍存在较高的吸湿性而不具有气密性的特点，由此引起塑封器件较为突出的因吸潮而引起的可靠性问题。

生产过程中，当温度处于200℃以上的高温，如再流焊或波峰焊时，若塑封壳体通过存储期吸收了大量湿气，焊接处于预热直至高温时，水汽就会急剧膨胀，聚集形成较大的水汽压，当其超过塑料与引线框架或塑料与芯片粘接剂的粘结强度时，就会发生塑料与二者之间的分层和空隙，蒸汽继续由空隙向外扩张，在应力集中的最薄弱处（往往是分层的引线框架芯片粘结边角处）就产生裂纹，最终出现开裂现象。但是，水汽只是引起塑封器件开裂的外部因素，而塑封器件结构所形成的热配才是引起塑封器件开裂的根本性内在原因。

但在使用过程中，塑料封装尽管存在普遍的吸湿问题，并会对电极造成腐蚀，但并不会引起塑料外壳的开裂问题，因为湿气压很低，产生的机械应力不足以破坏外壳。

3 总结

塑封器件常见的损伤可分为两类：其一是封装固化过程中引起的损伤；其二是生产使用过程中引起的损伤。

封装固化过程中，当高聚物材料收缩受到周围材料的约束时，由于残余应力的存在，可引起气孔、孔隙、微裂纹，即形成了一系列微小缺陷，在后续的生产工艺以及产品的使用过程中的热-机械载荷作用下，固化中产生的微小缺陷或损伤会扩展、汇合而形成宏观裂纹，以及气孔受潮、水汽膨胀、最终导致器件的失效。

研究表明，在保证基体强度的条件下，设计界面强度较高、粒径分散度较低、平均粒径较小的微粒填充高聚物复合材料有利于改善高聚物的性能，降低其失效机率。

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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，山西孝义人，南京信息职业技术学院机电学院，讲师/工程师，主要研究方向：微电子封装技术、电子表面组装技术、双语教学。

电 路 设 计