关于塑封集成电路分层失效的机理研究及生产工艺改进建议

颜红

摘要：FCBGA封装器件作为现代复杂电子产品重要功能元器件，对电子产品小型化、低功耗、高性能等特性发挥主要作用！然而由于FCBGA封装器件采用了特殊倒扣封装工艺，其封装体易吸附一定水分，导致如果保存、焊接工艺不规范时可能出现器件分层短路等现象。本文通过分析提出了关于这类器件的保存、焊接、使用等建议，希望能对提高该类器件使用效能提供帮助。

关键词：FCBGA;倒扣封装工艺;故障机理分析

概述

集成电路（IC）经过几十年发展，对于推动经济社会发展、增强国防实力等发挥了巨大作用。如果没有良好的封装技术，芯片的使用、存储、运输等是非常困难的。

芯片的封装技术也经历好几代的发展，从DIP、QFP、PGA、BGA、CSP再到MCM，技术指标不断提升，频率越来越高、耐温性能越来越好。引脚增多、重量减轻、可靠性提高，使用更方便。在众多封装技术中，塑料类封装在市场中具有很高的市场份额。

塑封器件是指集成电路芯片经过塑料封装，起到安放、固定、密封和保护芯片的作用，还将芯片内部各种信号通过导线连接到塑料封装外壳引脚上，方便设计、使用和生产。尤其是大规模的FCBGA（FilpChipBGA）封装器件在电装焊接后，容易因内部受潮出现焊料重熔短路问题。本文结合实际案例进行问题定位、机理分析、改进建议及措施，对该类器件正确使用、装配和保存有一定指导作用。

1、故障情况

某批次FCBGA封装的DSP芯片经过焊接后，发现有6块DSP芯片无法使用仿真器进行程序仿真调试或GPIO管脚功能不正常。常规检查是否存在虚焊、短路等现象排除后，故障现象无法恢复。为了彻底查明故障原因，请某可靠性分析机构技术人员对存在故障的DSP芯片去除散热盖后进行声学扫描显微检查，发现塑封器件内部存在有分层的故障现象，如图1所示。

进一步对DSP芯片进行开封过程中，电路芯片与PCB层断裂脱离，经显微镜观察，该DSP芯片PCB印制板中多个凸点存在熔融扩散而导致桥连的现象。初步判定可能是电路开封后受到空气潮气的侵蚀，导致器件在焊接受热过程中凸点的焊料熔融并向周围扩散，引起PCB基板与芯片出现分层及凸点桥连，最终出现端口开路或短路失效故障。

2、故障机理研究与分析

一般FCBGA封装集成电路内部结构示意如图2，由上而下包括散热盖、带倒扣凸点的主芯片、主芯片与基板间的底部填充剂、基板、BGA球，芯片与封装的电气连接是通过倒扣凸点实现。芯片倒扣凸点材质组成及比例为97.7%Sn、2.3%Ag，熔点为217℃，有铅BGA球材质组成及比例为63%Sn、37%Pb，熔点为183℃，由此可看出焊接温度不能长时间高于217℃。

芯片与基板间底部填充剂主要材质为环氧树脂，多层封装基板主要材质为有机物（一般为FR-4环氧玻璃布层压板）。散热盖与基板的结合采用高结合力的粘接胶，粘接胶主要成分也为有机物。同时，由于该塑料封装内部有空腔，基于有机物吸潮的特点，在器件暴露在外部环境下，空气中的潮气将通过芯片下方的基板、水平方向粘接胶及通气口进入到底部填充胶[1]。

FCBGA封装类型器件采用较为特殊的倒扣焊工艺，在外部环境条件下，由于倒装焊基板、底部填充胶、粘接胶等均为环氧树脂这类有机材料，有一定的吸附水分的能力，器件封装体在封装过程中存在一定概率吸附一些潮气。

吸附有潮气器件在进行板级回流焊接时，在较高的回流温度下，填充在芯片凸点间隙中、起到增强芯片与基板结合的底部填充胶中的水汽将会膨胀，并使得底部填充胶与芯片结合界面处发生了脱离分层。由于整个封装经历了高温，尤其当用户采用有铅无铅混装工艺时，高温达到235℃，超过了芯片倒扣凸点熔点217℃，芯片倒扣凸点将发生重新熔化。熔融的凸点焊料在毛细现象作用下，将渗入到底部填充胶与芯片的分层区域，使得凸点消失导致凸点开路、或者相邻凸点焊料桥连导致凸点短路。这与专业可靠性分析机构分析的芯片与底部填充胶之间存在明显分层、并有多个凸点存在桥连的现象一致[2]。然而传统的引线键合工艺封装结构如图3所示，芯片与封装的电气连接是通过金丝实现，由于金丝熔点较高，在板级回流焊接时金丝不会重熔。

综合上述试验结果和机理研究与分析，由于FCBGA器件封装体受到空气潮气的侵蚀，导致器件在焊接受热过程中凸点的焊料熔融并向周围扩散，引起PCB基板与芯片出现分层及倒扣凸点桥连，最终出现电路开路或短路失效故障。

3、改进建议及完善措施

目前有/无铅器件混合装配使用在军用电子产品制造领域仍然较为普遍存在，有铅和无铅的熔点相差近40℃，所以混合装配要得到可靠的焊接质量，就不能只关注焊接环节，而应在装配前、中及后端加强整个过程控制。针对该类型FCBGA器件封装结构特殊性，为确保FCBGA器件使用可靠性，避免出现类似上述故障，提出以下的建议及改善措施。

3.1存储与包装

对于FCBGA类型的非气密性器件，建议使用防静电袋真空包装，包装袋内加入干燥剂和湿度指示卡，器件非使用时，请勿拆开封装。如使用时未领取完，需对未领取的器件拆包后1h内重新采用防静电袋、加干燥剂进行真空包装。

3.2烘烤

依据IPC/JEDEC标准《J-STD-033B：SMD温湿度敏感元件作业、运输、储存、包装标准》，FCGBA封装器件焊接前需在125℃下烘烤至少24h。烘烤后立即使用，停留時间不应超过1h，否则应存放在充氮气N2的干燥箱中，干燥箱要求环境温度25±5℃、湿度<10%RH。

3.3焊接

PCB印刷锡膏建议采用Sn63-Pb37焊料，考虑到回流条件控制存在一定波动、并为了BGA球与PCB板充分焊接，建议参照图4所示回流焊接曲线进行焊接，其中峰值温度为220℃±5℃。

参考文献

[1]宁叶香，潘开林，李逆.电子组装中焊点的失效分析[J].电子工业专用设备，2007（09）.

[2]董均海.电子元器件失效分析技术[J].现代情报，2006（04）.