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塑封半导体功率电子器件分层及可靠性分析杨俊【摘要】塑料封装是功率半导体器件主要的封装形式,但塑料封装的非气密性会带来潜在的可靠性问题,封装分层就是其中最常见的一种失效模式.封装分层一般是在水汽和热应力的协同作用下发生的,工作温度很高的功率器件极易发生分层.封装分层会导致键合引线脱落、芯片表面金属层或钝化层损伤、爆米花效应、金属的腐蚀,使塑封器件的性能极大降低甚至失效.功率器件的广泛应用对封装可靠性提出了更高的要求.本文主要对塑封功率器件分层进行解释,研究封装分层的具体机制,并提出工艺改进方案.【期刊名称】《河南科技》【年(卷),期】2018(000)014【总页数】3页(P81-83)【关键词】半导体功率电子器件;塑料封装;分层;粘接强度【作者】杨俊【作者单位】中国振华集团永光电子有限公司(国营第八七三厂),贵州贵阳550018【正文语种】中文【中图分类】TN386塑封器件受封装材料和本身特性的限制，采用环氧树脂塑封料进行封装。
塑封器件是非气密性封装，在封装方面就存在一些缺点，最主要的缺点就是对潮气比较敏感。
湿气的侵入，会使电子封装中产生一些可靠性问题，特别是分层现象。
对处于较高温度工作的塑封半导体功率电子器件来说，分层现象会更加严重。
相较于塑封器件，在使用或是在可靠性试验时，分层相对于常温贮存的普通塑封器件更容易产生，且在较高的温度下，扩展和蔓延在分层现象中更容易形成，进而造成器件失效。
因此，面对湿和热时，塑封半导体功率电子器件会愈加敏感，受湿气影响，分层会给器件可靠性带来更大危害。
界面分层的形成相对于塑封料与其他材料间的成因有多种，如受污染的注件表面，不良注塑工艺条件的存在，因失配的热膨胀系数而引起的剪切应力，水汽侵入及热应力形成的爆米花效应等［1］。
1 塑料器件失效模式及原因分析1.1 塑料器件失效模式从失效模式来说，早期失效和使用期失效是主要模式。
1.1.1 塑封早期失效。
早期失效多是由封装工艺的不完善造成的，主要发生在芯片焊接、引线键合和模塑料注塑等封装工艺过程中，主要表现形式有以下4方面。
课程报告浅析由热机缺陷引起的塑料封装失效的成因及预防课程内容引言--------------------------------------------------------- ----- 1 1.------------------------------------------------------------------------------------------------------------ 塑料封装的历史----------------------------------------------------------------------------- 12.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 塑料封装的常用材料------------------------------------------------------------------------ 13.塑料封装中的缺陷及失效--------------------------------------------------- 14.热机缺陷--------------------------------------------------------- 25. 热机缺陷的成因---------------------------------------------------------- 26. 热机缺陷的预防---------------------------------------------------------- 37.塑料封装的发展趋势---------------------------------------------------------- 4参考文献致谢-67引言塑料封装器件很容易由于多种原因而导致早期失效。
封装可靠性失效原因及其改善方案阐述长电科技（滁州）有限公司安徽省滁州市 239000 摘要：可靠性是产品质量的一个重要指标，就是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定的功能的能力。
确切的讲，一个产品的使用寿命越接近设计寿命，代表可靠性越好。
1、产品的可靠性与规定的条件密切相关。
如产品使用的环境条件、负荷大小、使用方法等。
一般，温度越高、额定负载越大，产品的可靠性就越低。
2、产品的可靠性与规定的时间也有关系。
例如，一般大型桥梁、道路的设计寿命为50～100年。
3、产品的可靠性还与规定的功能有密切的关系。
例如，一个普通的晶体管有反向漏电流、放大倍数、反向击穿电压、特征频率等多项功能。
芯片封装质量直接影响整个器件和组件的性能,随着混合集成电路向着高性能、高密度以及小型化、低成本的方向发展，对芯片的封装技术和可靠性提出了更高的要求。
本文主要阐述了几种可靠性项目及其失效的机理以及封装导致的原因，以便封装生产中规避此类异常发生。
关键字可靠性；质量；可靠性项目；失效机理；封装导致的原因。
背景描述：电子器件是一个非常复杂的系统，其封装过程的缺陷和失效也是非常复杂的。
因此，研究封装缺陷和失效需要对封装过程有一个系统性的了解，这样才能从多个角度去分析缺陷产生的原因。
封装的失效机理可以分为两类：过应力和磨损。
过应力失效往往是瞬时的、灾难性的；磨损失效是长期的累积损坏，往往首先表示为性能退化，接着才是器件失效。
失效的负载类型又可以分为机械、热、电气、辐射和化学负载等。
影响封装缺陷和失效的因素是多种多样的，材料成分和属性、封装设计、环境条件和工艺参数等都会有所影响。
封装缺陷主要包括引线变形、底座偏移、翘曲、芯片破裂、分层、空洞、不均匀封装、毛边、外来颗粒和不完全固化等。
随着应用的要求越来越高，对产品封装可靠性要求也越来越高。
我们要识别一些可靠性项目考核目的、失效机理以及可能导致的原因，以便在前期FMEA中定义，从设计、生产角度来提升质量。
封装材料对产品可靠性的影响分析封装材料，这玩意儿在产品可靠性里可是有着至关重要的地位呢！就好像给产品穿上了一件“防护服”，防护效果好不好，直接关系到产品能不能稳稳当当、顺顺利利地工作。
先来说说封装材料的作用吧。
想象一下，你有一个超级宝贝的玩具车，你是不是得找个盒子把它装起来，免得磕了碰了？封装材料对于产品来说，就像是这个盒子，保护着里面的核心部件不受外界的各种“攻击”，比如潮湿的空气、灰尘颗粒、温度的变化等等。
要是这“盒子”质量不行，那产品可就容易出问题啦。
我给您讲个事儿，有一次我去一家电子厂参观。
在生产线上，我看到工人们正在组装一批电子产品。
其中有一个环节就是给产品进行封装。
我注意到有一批产品使用的封装材料看起来有点不对劲，颜色不太均匀，质地也有点粗糙。
我就好奇地问旁边的技术员，这样的封装材料能行吗？技术员皱了皱眉头说，这批材料是临时替换的，原本的供应商出了点问题，新的材料还没经过充分的测试。
结果，没过多久，这批产品在后续的检测中就出现了不少问题，有的是因为密封性不好进了水汽，有的是因为材料的耐热性差，在高温环境下工作不稳定。
这可把厂里的人急坏了，不仅要重新返工，还耽误了交货时间，损失不小。
从这个小小的例子就能看出来，封装材料要是选不好，那后果可真是不堪设想。
不同的封装材料，性能也是大不相同。
比如说塑料封装材料，成本相对较低，加工也比较容易，但是在耐高温和抗湿性方面就稍微逊色一些。
而陶瓷封装材料呢，虽然性能很出色，耐高温、耐湿性都很棒，但是价格相对较高，加工难度也大。
金属封装材料呢，导热性能好，机械强度高，但是重量大，成本也不低。
所以啊，在选择封装材料的时候，得综合考虑产品的使用环境、性能要求、成本等多个因素，就像给人搭配衣服一样，得选合适的，不能只看好看不好看，还得看实用不实用。
再来说说封装材料对产品可靠性的具体影响。
首先是对产品的防护性能。
好的封装材料能够有效地阻挡外界的湿气、灰尘和化学物质的侵入，就像给产品穿上了一层“金钟罩铁布衫”，让产品在恶劣的环境下也能安然无恙。
封装材料的老化特性与可靠性研究嘿，咱今天来聊聊封装材料的老化特性与可靠性这档子事儿。
先来说说我自己的一个经历吧。
前阵子我家那台用了好些年的老电脑，突然就罢工了。
我捣鼓了半天，发现是主板上的一个芯片出了问题。
仔细一瞧，原来是封装材料老化啦，导致芯片接触不良。
这可把我给郁闷坏了，想着平时用得也挺小心的，咋就出这岔子了呢？这事儿让我对封装材料的老化特性和可靠性上了心。
咱们得先搞清楚啥是封装材料的老化特性。
简单说，就好比一个人会随着时间慢慢变老，身体机能下降，封装材料也是这样，在使用过程中会逐渐发生变化。
比如说，塑料封装材料可能会因为温度、湿度的影响变得脆弱，容易破裂；金属封装材料可能会生锈，影响性能。
那可靠性又是啥呢？这就好比你买了双鞋，你希望它能穿得久，走得稳，不会动不动就开胶、断底。
封装材料的可靠性也是这个道理，就是指它在一定的使用条件下，能够稳定、可靠地工作，不出岔子。
为了研究这玩意儿，科学家们可是费了不少心思。
他们会把封装材料放在各种恶劣的环境中，像高温、高湿、强辐射等等，看看它们能撑多久。
这就好比让一个运动员参加各种高强度的比赛，来检验他的实力。
比如说，在高温环境下，封装材料可能会变软，失去原有的机械强度。
就像一块巧克力，放在太阳底下晒久了，就会融化变形。
还有湿度的影响也不能小瞧。
湿气可能会渗透到封装材料内部，导致电路短路或者腐蚀。
而且，不同类型的封装材料，老化特性和可靠性也大不相同。
像陶瓷封装材料，一般来说耐高温、耐腐蚀的能力就比较强，但成本也高。
而塑料封装材料虽然成本低，但是在恶劣环境下就容易出问题。
在实际应用中，封装材料的老化特性和可靠性可太重要啦。
比如说在航空航天领域，那些电子设备要经受极端的温度变化和强烈的辐射，如果封装材料不可靠，设备出了故障，那后果可不堪设想。
再比如说，咱们现在用的智能手机，里面的芯片封装材料要是不靠谱，手机用不了多久就卡顿、死机，那得多闹心啊。
所以啊，研究封装材料的老化特性与可靠性，不仅能让我们的电子产品更耐用，还能推动整个科技行业的发展。
塑封半导体器件的质量与可靠性【摘要】本文主要介绍了塑封半导体器件的运用情况、供应质量水平、主要失效模式，结合实际工作经验，通过对塑封器件失效原因进行统计分析，提出了开展塑封器件可靠性保障工作的建议。
【关键词】塑封；器件；质量与可靠性引言塑封半导体器件特别是贴片塑封半导体器件以其体积小、重量轻的优势，满足了航天武器系统小型化的需求，逐渐被用来替代金属或陶瓷封装的分立半导体器件。
受到封装材料、禁运和进货渠道的限制，装机的塑封半导体器件（以下简称塑封器件）质量等级多为工业级。
器件小型化和高集成度的飞速发展，受到质量保证能力的局限和滞后的影响，有许多器件在装机之前还没有手段进行相关的可靠性工作，其质量存在较大隐患。
近年来，国内元器件可靠性机构逐渐意识到塑封半导体器件的质量对整机的影响，开展了专题研究和试验，结合试验情况参考国际行业标准，对GJB4027-2000《军用电子元器件破坏性物理分析方法》进行了修订，在GJB4027A-2006中增加了贴片塑封电路的DPA，重要武器型号的质量保证大纲中都明确了对不能进行补充筛选的低等级器件（包括塑封器件）要制定相应的质量保证方案，通过一些可行的试验项目来考核器件的可靠性，考核合格的器件才允许装机使用，避免有质量隐患的器件使用到武器系统上，提高了武器系统的质量与可靠性。
1 塑封器件的供应质量水平塑封器件从价格、体积与金属和陶瓷封装相比都存在巨大的优势，但塑封器件的供应质量水平不能完全按照常规的质量等级来进行衡量。
在IPC-M-109中定义了潮湿敏感性元件，规定了由潮湿可透材料所制造的非气密性包装的分类程序，塑料器件为潮湿敏感器件。
在IPC/JEDEC J-STD-033标准中，潮湿敏感器件从低到高共分为8级，分级、储存环境和寿命如下：1级：温度≤30℃、湿度85%，无限；2级：温度≤30℃、湿度60%，1年；2a级：温度≤30℃、湿度60%，4周；3级：温度≤30℃、湿度60%，168h；4级：温度≤30℃、湿度60%，72h；5级：温度≤30℃、湿度60%，48h；5a级：温度≤30℃、湿度60%，24h；6级：温度≤30℃、湿度60%，时间在标签上。
塑料封装可靠性问题浅析1、引言塑料封装器件很容易由于多种原因而导致早期失效。
这些缺陷产生的根源很多, 他们能够导致在塑封体各个部位产生一系列的失效模式和失效机理。
缺陷的产生主要是由于原材料的不匹配、设计存在缺陷或者不完善的制造工艺。
塑料封装器件同样也存在着非缺陷机理性失效, 比如PEM在空气中吸潮, 所吸收的潮气将会导致很多的问题出现, 包含在这一类失效中的就是所谓的磨损型失效机理。
这些类型的失效在后面将会进行详细的论述。
同时也将讨论避免产生缺陷的各种方法以及生产过程的优化和完善的设计。
这些都是为了保证最后成品的质量和可靠性。
2、塑料封装器件的缺陷及其预防有些缺陷很自然地归类于热机性能造成的, 而其他的缺陷通常和一些特殊的制成有关系, 比如芯片的制造、芯片的粘接、塑封、芯片的钝化、引线框架芯片基板的制造、焊丝或者后道成品包装。
这些都将在下面的讨论中看到, 同时其中的某些缺陷在分类上还是相互交叉的。
2.1、热机缺陷某些缺陷能够导致失效, 而这些缺陷都与热以及微观物质的移动有密切关系, 产生的主要原因就是环氧塑封料和不同接触界面材料的线膨胀系数不一致比如说, 当EMC固化时, 热收缩应力也随之产生这些应力将会导致巨大的拉伸和剪切应力, 作用于直接接触的芯片表面特别是在邑片的角部, 应力将会成几何级数增长, 很容易导致芯片薄膜钝化层或者芯片焊接材料以及, 芯片本身的破裂。
这些应力同样也容易导致EMC和芯片/芯片基板/引线框架之间出现分层断裂以及分层将会导致电路断开、短路以及间歇性断路问题出现。
同样它们也为潮气和污染源更容易进人塑封体内部提供了通路。
这些类型的缺陷可以通过以下措施来避免：在选择塑封料、引线框架、芯片焊接剂以及芯片钝化层的原材料时, 所有材料的线膨胀系数必须尽可能地相互匹配；芯片上部和下部塑封料的厚度应该尽可能地接近；尽量避免在设计和排版过程中出现边缘尖端以及尖角, 这样可以防止出现应力集中, 从而避免断裂的出现；最后, 提倡使用低应力塑封料以及低应力芯片焊接剂, 可以最大限度防止在封装的过程中出现多余应力。
2.2、芯片缺陷芯片缺陷通常都是和半导体圆片制造以及塑料封装器件特有的缺陷（比如在应力作用下所产生的金属化分层以及钝化层破裂现象）有关系的。
这里不再详细描述所有缺陷, 仅限于讨论对塑封体结构关系非常密切的缺陷以及塑封体独有的缺陷。
2.3、芯片粘接缺陷出现在气密性封装的缺陷同样也会出现在塑料封装器件中。
芯片和基板的粘接性能差, 在芯片焊接剂中去侣现气孔以及不完全充填等。
这些缺陷通常都是因过程控制较差导致的, 比如不合适的材料制备以及固化等。
它们会导致不均匀的热分配（局部过热），从而形成芯片分层或者芯片断裂。
由于过热产生的应力或者内部开路会导致突变失效。
此外, 气孔很可能为潮气以及污染源提供通路。
同样也存在着和塑封体独特的芯片粘接材料有关的缺陷。
如果原材料的热膨胀系数和芯片、芯片基板以及塑封体的热膨胀系数严重不匹配, 这样过余的应力在模压操作时就作用于芯片。
此外, 一些聚合物芯片粘接剂在高湿环境下吸收了相当数量的潮气, 这将会导致塑封体断裂现象的出现。
2.4、封装缺陷一般来说封装缺陷包括气孔、分层、芯片基板移动以及冲丝。
芯片焊接温度。
此外塑封料本身也包含了一些杂质, 最关键的就是离子杂质和潮气以及能够形成腐蚀机理的化合物。
气孔是塑封结构中一个严重的问题。
产生气孔的因素很多, 如封装压力的不足、塑封料在进料口提前固化以及套筒中空气残留都会导致不完全充填或者是遍布塑封体的气孔。
气孔为潮气和污染源的聚集提供了空间, 也降低了塑封体的热、电和机械性能。
接近芯片及芯片基板位置的气孔会引起更严重的问题, 靠近芯片的气孔会影响芯片的散热性能, 这样就会出现局部热量集中, 将会降低材料的电性能；接近芯片基板的气孔会让潮气很容易腐蚀毫无防护的铝布线。
遍布于塑封体内部的众多小气孔将会增加塑封体的多孔性, 很容易导致由于吸潮而产生的各种失效。
随着半导体器件体积变得越来越小且越来越薄, 气孔就成为影响可靠性的最主要因素。
随着封装尺寸的收缩, 塑封体和芯片的尺寸比率变得越来越小, 这样如果气孔存在的话, 就会增加气孔处于重要区域的机率, 其后果就是增加了失效几率。
界面粘接性差分层是另外一个比较严重的缺陷。
分层产生的原因主要是引线框架的污染或者引线框架在焊接的时候由于温度过高而发生了氧化反应。
它同样也可能是由于引线框架的应力释放或者添加过多的润滑剂而产生, 比如塑封料中的脱模成分。
分层是潮气进入的一个主要起因, 并且会导致早期的塑封体失效。
分层的发生位置主要是顺着引线方向以及芯片的表面, 沿着芯片的边缘到达塑封体边缘。
芯片分层之所以引起关注, 主要是因为分层在芯片的边缘引起应力集中, 并且对芯片的特性造成损害。
分层会导致一系列的失效模式, 包括塑封体断裂、腐蚀、金属化分层、焊球移动以及金丝断裂。
这将会导致电性能失效、短路以及断路。
表面清洁是保证良好粘接性的一个基本要求。
因此在制成的时候要注意避免引人杂质。
此外, 应该避免过高的焊接温度并且在进行焊接操作时应当引人惰性气体加以保护, 这样就能避免引线框架的氧化。
同样塑封料中的粘接促进剂也对粘接有益。
特殊的设计对引线框架和塑封料的粘接也起到了很重要的作用,包括定位带、定位孔以及表面纹理和表面凹坑等。
2.5、钝化层缺陷一般的钝化层缺陷, 比如断裂、多孔以及粘接性差, 使得塑封体更容易失效。
塑封料的收缩应力大于钝化层的强度时就会出现钝化层断裂。
在双层镀金属系统上面的钝化层更容易破裂, 这是因为其几何外形和高度会导致更大的收缩应力。
钝化层破裂将会导致开路、间断或者较高的漏电流。
它同样和焊球的虚焊及剪切应力有关, 这是因为剪切应力集中在芯片的边缘, 会导致接近钝化层破裂区域的焊球对芯片造成损伤。
低应力塑封料的使用以及在芯片钝化层表面使用了弹性硅橡胶, 这些措施都极大地降低作用于芯片钝化层的应力。
同样, 在芯片排版设计中, 一定要牢记尖角及边缘是应力集中的区域, 因此在这些地方应该避免设计活性的电路。
vga线焊接。
2.6、引线框架/芯片基板缺陷引线框架及芯片基板缺陷包括过蚀刻、压模缺陷、毛边、引线错位、引线断裂以及电镀时表面针孔。
引线框架蚀刻过度或者在冲压时不平整, 会降低框架的强度, 在模压时容易出现一系列问题。
过蚀刻产生的原因主要是磨损和掩模不重合,这对于细节距的引线框架来说是一个很严重的问题。
因为为了保护引线通过的区域并且由于引线展弦比接近于1,通常引线框架都设计得非常薄。
如果切割工具磨损,引线框架通常在加工以后会出现毛边现象,这就会引起塑封材料的分层并导致应力集中引起塑封体断裂。
电镀膜上的针孔会导致焊接时出现浸润问题或引起框架腐蚀现象。
对于芯片焊接温度vga线焊接方法。
过蚀刻或者压延框架不正确会导致硬度变小,并且在塑封过程中更容易受到流动所产生的应力的冲击,高脚数细间距引线器件尤其要关注。
流动时所产生的应力会使得引线偏离原来的连接方向,这就很容易在焊接到电路板上时出现问题。
这些流动所产生的应力同样会移动芯片基板,其结果就是塑封整体外形变得不对称,会在塑封体内部残留一些不适当的应力。
粘接芯片的芯片基板不再位于中心位置,将会缩短水分进人塑封体的路径。
此外,芯片在基板上的任何移动都会导致芯片和框架之间的金丝绷紧, 导致金丝以及焊球上应力增大。
防止引线框架/芯片基板的缺陷主要有以下办法在框架制造时严格控制表面抛光、边缘抛光、残余应力以及精细的尺寸误差。
光滑的表面将会有助于无缺陷电镀。
当把引线框架放人模具型腔成型的时候,边缘抛光和制作材料尺寸精确在模封时对于确保框架的平整度很有好处。
热退火工艺对于移出残余应力是十分有利的, 否则这种应力会导致内部引线脚排列的移动。
2.7、丝焊/金丝互联缺陷PEM的金丝焊接金丝互联缺陷和陶瓷封装缺陷基本上都是一样的, 焊接板上的污染源或者处理过程不完善都会导致焊接不良。
在应力的直接作用下就会出现虚焊、剪切以及碎裂。
这种焊接失效机理在塑封体器件失效中经常看到, 这主要是因为在塑封过程中塑封料流经芯片表面时产生较大的应力。
值得注意的是塑封料收缩应力以及后固化所残留的应力都会导致焊接失效以及电路断路。
完善的过程控制是十分重要的, 可以确保焊丝在起始的时候有足够的强度同样, 塑封料在模具中流动时对温度、私度以及流动速率的控制也一样重要, 建议使用低应力的塑封料。
电路的设计应该避免局部应力过大。
金丝本身很容易出现的一个问题就是冲丝现象。
冲丝就是指在上面所说的流动应力的影响下, 在流动的方向上金丝所产生的永久变形或者位置移动。
因此在模压时应该尽可能地完善过程控制将这种应力降至最低, 否则, 邻近的金丝可能相互接靠甚至造成金丝断开。
在金丝焊接时避免了金丝过长或者金丝跨度过大, 就能够降低冲丝的危险性。
2.8、封装后的缺陷当塑封体固化完成以后, 同样会有一定数量的缺陷发生。
相比看vga线焊接。
材料不良或者过程缺陷都会导致印字产生拖尾效应。
这些印字会消失或者模糊不清, 从而造成产品制造商、器件号码、生产日期等的不可追溯。
3、与缺陷无关的失效机理和模式并不是所有的塑封器件都一定会有相应的缺陷。
缺陷或者设计不良都起着很敏感的作用, 而其他因素也一起加剧了诸如腐蚀这样的自然衰降过程。
3.1、腐蚀所有封装好的器件都会从周围环境中吸收一定量的潮气, 如果吸收潮气过多, 将会导致一系列的问题。
如果潮气中含有一系列的离子, 这就会出现芯片的金属化腐蚀现象。
金属化腐蚀通常出现在焊球附近, 这些焊球通常都是裸露的以便进行焊丝。
高温及高压通常能够加速这些机理的发生。
由于潮气和离子的存在使得金丝间的内部连接同样容易受到腐蚀。
杂质水解后产生的一些离子, 能够和焊球中的金铝共熔相中的铝发生反应。
焊丝和芯片的金属化腐蚀失效模式包括电性能参数移动、过大的漏电流、短路以及断路。
焊球的腐蚀可能不会直接导致失效, 但是会导致接触电阻的增大, 这很容易使得器件变得没有任何功能。
腐蚀的基本原理如下:对铝布线的腐蚀:Al+4Cl →2AlCl +3e2AlCl +6H O→2Al(OH) +6H 8Cl对金属共熔物的腐蚀:AuAl +6Br →Au+Al Br +6e2Al+Au→AuAlAuAl +Au→2AuAlAuAl+Au→Au Al2Au Al_Au→Au Al应该采取一些措施来防止和腐蚀有关的失效发生,这些措施包括选择的塑封材料可水解离子含量要少于10×10 ,寻找更适合的阻燃剂来取代嗅类阻燃剂, 在设计塑封料配方时要考虑使用离子捕捉剂来捕捉塑封料中的离子,而且也要充分考虑到塑封材料和引线框架之间的粘接性能以阻止潮气人侵, 用抗湿涂料比如硅树脂来密封焊球（这个过程应该在焊接以后封装以前进行）,并且在划片时应该严格控制磷的进人。
