塑封器件失效原因分析

赵哲

摘要：塑料凭借其为半导体、能够传输电流、成本低 等各方面的特点，被应用在越来越多的地方。但是，在航空、军事领域这些塑封器件是不能被应用的。文中讲述了一些影响塑封器件可靠性的原理，并对其进行了更细层次的描述。其中主要讲述了受潮、EOS/ESD损坏、机械应力作用、生产工艺缺陷等方面。通过研究发现，影响塑封器件失效的最主要原因就是器件的腐蚀和封装缺陷。

关键词：塑封器件；失效；模式；机理；生产工艺

塑封材料具有很高的纯度，并且应力低，因此得到了广泛应用，随着科学技术的发展，塑封器件在芯片钝化、粘接、没涂层材料方面越来越可靠，甚至在可靠性方面超过了金属或者陶瓷的封装器件。通常塑封器件会有两种失效模式，即早期失效、使用期失效。早期失效模式是指那些在设计或者工艺方面的失误造成的质量问题，可以借助常规检测发现的；而使用期失效是指塑封器件本身存在的问题，经过一段时间后会受到影响的与应力有关的行为，研究发现，这种模式主要是受潮、腐蚀、机械应力等方面所导致的。

一、对失效模式和原理的分析

塑封器件的作用是借助塑封料将引线框架、键合引线、集成芯片等可以支撑集成芯片的封起来，使集成芯片可以受到保护。一般情况下，塑封器件主要采用环氧塑封料（EMC-Epoxy Molding Compound），这种塑料的基体树脂是环氧树脂。其成型原理是环氧树脂和酚醛树脂相互反应，通过交联固化作用形成。塑封材料是一种高分子的复合材料，与陶瓷以及金属材料有着不同的性质。塑封材料凭借其特有的有机大分子结构以及吸湿性在应用量远远超过陶瓷、金属材料的器件。开路、短路等都会引起塑封材料的失效。因为塑封器件属于非气密性的器件，所以很容易受到潮气的影响。

1.1受潮

当塑封器具长期处于潮湿环境下时，就会受到水气的影响，这样在其表层就会有水膜形成。受潮是塑封器件经常遇到的问题，也是最常见的问题，主要包括以下两个方面：腐蚀、爆米花效应。

1.1.1腐蚀

从塑封器件受潮的角度来看，影响其气密性的最主要的原因就是有湿气的进入，这主要体现在以下两个方面：一是材料本身就具有一定的吸水性和透湿性，这样就会导致水气直接进入，进而扩散到芯片的表面；二是因为塑料包封层和金属框架之间会留有一定的缝隙，这又为水气进入芯片表面提供了机会。

当水气通过以上两种方法进入芯片表面后，就会在其表面形成一层水膜，之后就会有钠离子、氯离子进入到芯片表面，形成电位差发生化学反应，这会加快芯片的腐蚀性，最后会损坏电路。目前，我国在不断地提高电路的集成度，也就是说铝布线会变得越来越细，这就在一定程度上加大了塑封器件腐蚀的可能性。

芯片腐蚀的原理为电极两段的钠、氯发生化学反应，同时又因为有水气的进入便加快了离子的分解从而加快了腐蚀的速度。在腐蚀时电解出来的化学物质会发生质的变化，比如说，会增加脆性以及电阻值增加等等，除此之外。在使用塑封器件时出现漏电流、线路短路等问题也会使电路出现故障，并且不是所有的失效模式都可以恢复，那些腐蚀的器件在使用过程中可能就会有安全隐患。

1.1.2爆米花效应

在对塑封器件进行加热时，管中的水分就会发生汽化，使得管内压力增大，就会使器件发生膨胀，之后就会有分层、开裂的现象出现，这就是爆米花效应的由来。分层、开裂的现象不仅仅会出现在加热的过程中，还可能出现在冷却的过程中。当管壳出现裂缝时就会有水分以及其他污染物进入，这样就会影响器件的使用寿命。除此之外，在对材料进行加热的过程中，产生的压力会影响到焊线的完好性，尤其是当芯片角应力处于最大状态的时候，这种情况下很容易导致电失效。出现这种情况主要是我受到温度变化、塑封器件尺寸大小的影响。

1.2EOS/ESD

如果电路的EOS/ESD受到破坏，就会导致芯片受高温的地方出现碳化的现象，这种现象是因为电流通过导致塑料过热。这就会导致封装剂效果下降，甚至产生电阻。如果出现电流过大的情况就会导致塑料本身发热，这样就会加快塑封器件的损坏。

1.3机械应力作用

塑封器件的密封性会受到芯片线膨胀系数以及金属框架线膨胀系数带来的影响。通常，塑封器件的膨胀系数是大于芯片的，所以塑封器件在进行注模工艺时就可能会发生移动。这就会给芯片表面带来一定的压力，使得金属层逐渐往芯片中央移动，这样就会导致铝条间发生短路；同样还可能导致钝化层发生破裂，形成短路。

除此之外，芯片会受到塑封料在工作时给的压力，温度与压力呈反方向变动。同样，当当塑封料的填充物中为石英砂时，芯片就会受到压力，发生上述类似的事情，导致器件无法使用。

1.4生产工艺存在的不足

1.4.1塑封成形存在的不足

影响塑封器件失效的因素主要有以下几种：塑封器件的设计工艺、塑封器件的材料。在工艺中可能会出现的问题主要有以下几种：内部填充不完整，存在气孔或者表面多孔、表面开裂等等。

通常，塑封料在进行形态处理的时候会呈现出熔融的状态，是具有冲力的粘稠的运动流体。有了冲力就会导致金丝发生移动，甚至会导致今日断裂，这就是人们口中的冲丝，但是冲丝会牵涉到键合、塑封两道工艺，这主要是因为在塑形时产生的金丝过长、气体较多等等。

1.4.2芯片粘接存在的不足

造成芯片粘接方面存在不足的原因主要是因为芯片和基片的粘接状况不良、材料之间留有空隙，这就会导致芯片表面产生脏物，进而导致热量不能均匀分布、芯片表面开裂等现象。另外，空隙之间还会留有湿气自己污染物，这都会导致芯片受损。

1.4.3钝化层存在的不足

钝化层方面存在的不足主要体现在以下几个方面：表层裂开、存在空隙或者粘接不良等。这些问题会导致电气开路或者存在漏电等问题出现。因此，在对芯片的钝化层进行设计的时候要讲将键合以及集成电路方面的问题考虑进去，要保证焊盘具有足够的抗水气腐蚀性。

1.4.4封装存在的不足

封装存在的不足主要表现为：表面有气泡、粘接剥离、芯片基片发生移动以及引线弯曲等等。这些问题都会导致塑封开裂、金属层发生形变、短路等等，就会影响器件的使用；如果引线框架表面污染物就会有剥离的现象出现。另外，还包括应力不能完全消除以及脫模剂过量等问题。

二、结束语

要想从根本上提高塑封器件的可靠性，就要处理好设计与制造、工作环境等方面的事情。在对器件进行设计的时候要考虑到环境的问题。保证在进行封装的时候控制好工艺流程，尽量减少其中的水汽量以及金属框架带来的影响。另外，选取塑封料也是一个很重要的环节，在对其进行运输搬运的过程中要采取相应的保护措施，防止湿气进入、引线弯曲等等。

参考文献：

[1]朱江，乔庐峰，FPGA高手设计实战真经100则M].北京电子工业出版社，2013.

[2]杨兴、刘玉宝，器件的失效分析[J]，LSI制造与测试，1999.