封裝可靠性與失效分析(上)
來源:可靠性技術(shù)交流 編輯:小月亮 2020-07-12 16:20:56 加入收藏
將有源器件以及無源元件組裝到已完成膜層印燒/蒸發(fā)/濺射的基片上以后,這個(gè)混合微電路就可以進(jìn)行封裝了。組裝和封裝作為產(chǎn)品開發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)在業(yè)界引起人們?nèi)找嬖龆嗟年P(guān)注。
廣義的封裝是指將半導(dǎo)體和電子元器件所具有的電子的、物理的功能,轉(zhuǎn)變?yōu)檫m用于設(shè)備或系統(tǒng)的形式,并使之能夠?yàn)槿祟惿鐣?huì)服務(wù)的科學(xué)技術(shù)。
狹義的封裝(Packaging,PKG)是指裸芯片與布線板實(shí)現(xiàn)微互連后,將其密封在塑料、玻璃、金屬或者陶瓷外殼中,以確保半導(dǎo)體集成電路芯片在各種惡劣條件下正常工作。
無論是單芯片封裝前的裸芯片,還是將多個(gè)裸芯片裝載在多層布線板上的多芯片組件(MCM),在不經(jīng)封裝的狀態(tài)下,由于空氣中濕氣和氧的影響,半導(dǎo)體集成電路元件表面及多層布線板表面的導(dǎo)體圖形及電極等,會(huì)隨時(shí)受到氧化的腐蝕,使其性能退化。無論是單芯片封裝還是MCM制造,在整個(gè)工藝過程中,應(yīng)避免在空氣中放置,而應(yīng)在氮?dú)鈿庀涞确腔钚詺夥罩屑右员Wo(hù)。否則,會(huì)出現(xiàn)半導(dǎo)體元件的內(nèi)側(cè)引線凸點(diǎn)因氧化而難以鍵合,多層布線板的導(dǎo)體電極因氧化而不能釬焊等失效問題。
即使已完成了微互連,不經(jīng)封裝而在含有濕氣的空氣中工作加之遷移現(xiàn)象, 半導(dǎo)體元件及多層布線板上的導(dǎo)體電路會(huì)發(fā)生突然短路。因此,多層布線板及半導(dǎo)體元件表面露出的導(dǎo)體圖形必須與外界氣氛隔絕。無論對于單個(gè)使用的裸芯片還是MCM,封裝都是必不可少的。
封裝除對混合電路起機(jī)械支撐、防水和防磁、隔絕空氣等的作用外,還具有對芯片及電連接的物理保護(hù)、應(yīng)力緩和、散熱防潮、尺寸過渡、規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化等多種功能。
非氣密性樹脂封裝技術(shù)
No.1
單芯片封裝
單芯片封裝分氣密性封裝型和非氣密性封裝型兩大類: 前者包括金屬外殼封接型、玻璃封接型(陶瓷蓋板或金屬蓋板)、釬焊(Au/Sn共晶焊料)封接型;后者包括傳遞模注塑封型、液態(tài)樹脂封裝型、樹脂塊封裝型等。其中傳遞模注塑封法價(jià)格便宜,便于大批量生產(chǎn),目前采用最為普遍。
No.(1)
傳遞模注塑封技術(shù)
a. 模注樹脂成分及特性
樹脂通常是指受熱后有軟化或熔融范圍,軟化時(shí)在外力作用下有流動(dòng)傾向,常溫下是固態(tài)、半固態(tài),有時(shí)也可以是液態(tài)的有機(jī)聚合物。廣義地講,可以作為塑料制品加工原料的任何聚合物都稱為樹脂。
樹脂有天然樹脂和合成樹脂之分。天然樹脂是指由自然界中動(dòng)植物分泌物所得的有機(jī)物質(zhì),如松香、琥珀、蟲膠等。合成樹脂是指由簡單有機(jī)物經(jīng)化學(xué)合成或某些天然產(chǎn)物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)而得到的樹脂產(chǎn)物。
按樹脂分子主鏈組成分類:
按此方法可將樹脂分為碳鏈聚合物、雜鏈聚合物和元素有機(jī)聚合物。
碳鏈聚合物是指主鏈全由碳原子構(gòu)成的聚合物,如聚乙烯、聚苯乙烯等。
雜鏈聚合物是指主鏈由碳和氧、氮、硫等兩種以上元素的原子所構(gòu)成的聚合物,如聚甲醛、聚酰胺、聚醚等。
元素有機(jī)聚合物是指主鏈上不一定含有碳原子,主要由硅、氧、鋁、鈦、硼、硫、磷等元素的原子構(gòu)成,如有機(jī)硅。
ex:環(huán)氧樹脂是泛指分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的有機(jī)高分子化合物。環(huán)氧樹脂的分子結(jié)構(gòu)是以分子鏈中含有活潑的環(huán)氧基團(tuán)為其特征,環(huán)氧基團(tuán)可以位于分子鏈的末端、中間或成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。由于分子結(jié)構(gòu)中含有活潑的環(huán)氧基團(tuán),使它們可交聯(lián)反應(yīng)而形成不溶、不熔的具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的高聚物。
傳遞模注樹脂封裝的可靠性取決于模注樹脂的可靠性。標(biāo)準(zhǔn)模注樹脂的組成,按其配比質(zhì)量分?jǐn)?shù),從高到低依次為填充料(filler)(約70%),環(huán)氧樹脂(約18%以下),固化劑(約9%以下)等。
填充料的主要成分是二氧化硅。
晶態(tài)二氧化硅有利于提高模注樹脂的導(dǎo)熱性,熔凝態(tài)(非晶)二氧化硅有利于降低模注樹脂的熱膨脹系數(shù)及吸濕性。圖中可見隨熔凝二氧化硅含量的增加,封裝樹脂熱膨脹系數(shù)降低最多,從而對模注塑封中的熱應(yīng)力緩和更為有效。
環(huán)氧樹脂的組成,一般都采用甲酚-酚醛系([C6H3OHCH2]n)。環(huán)氧樹脂具有保護(hù)芯片、使其于外部氣體隔絕,確保成形時(shí)的流動(dòng)性外,還對模注樹脂的機(jī)械、電氣、熱等基本特性起決定性作用。
固化劑的主要成分為苯酚-酚醛系樹脂,其與環(huán)氧樹脂一起對成形時(shí)的流動(dòng)性及樹脂特性起作用。
此外,模注樹脂中還含有如下成分:促進(jìn)固化反應(yīng)的固化促進(jìn)劑(觸媒);樹脂在注模內(nèi)固化后,為使其便于取出的脫模劑;為阻止燃燒,滿足阻燃特性規(guī)定的阻燃劑;以黑色炭粉及各種顏料進(jìn)行著色的著色劑等。
b. 傳遞模注工藝過程
先將模具預(yù)熱,將經(jīng)過微互連的芯片框架插入上下模具中,上模具下降,將芯片框架固定。
注塑壓頭按設(shè)定程序下降,樹脂料餅經(jīng)預(yù)加熱器加熱,粘度下降,在注塑壓頭壓力作用下,由料筒經(jīng)流道,通過澆口分配器進(jìn)入澆口,最后注入到型腔中。
注入中不加壓力,待封裝樹脂基本上填滿每個(gè)型腔之后再加壓力。在加壓狀態(tài)下保持?jǐn)?shù)分鐘,樹脂聚合而硬化。
上模具提升,取出模注好的封裝體。切除流道、澆口等不必要的樹脂部分。
此時(shí)樹脂聚合仍不充分,特性也不穩(wěn)定,需要在160~180攝氏度經(jīng)數(shù)小時(shí)的高溫加熱,使聚合反應(yīng)完結(jié)。
由于模注時(shí)樹脂可能從模具的微細(xì)間隙流出,故最后還要利用高壓水及介質(zhì)(玻璃粉等)的沖擊力,使殘留在外引腳表面的樹脂溢料(又稱毛邊、飛邊等)剝離。
外引腳經(jīng)過電鍍焊料或電鍍Sn等處理,以改善引腳的耐蝕性及微互連時(shí)焊料與它的浸潤性。至此,傳遞模注封裝全部完成。
問題1:
隨著芯片封裝規(guī)模及相應(yīng)模具的大型化,往往會(huì)發(fā)生樹脂注入型腔的不均勻化問題。從樹脂注入每個(gè)型腔的過程看,離注塑壓頭遠(yuǎn)的型腔注入樹脂前,離注塑壓頭近的型腔中樹脂已開始硬化;離注塑壓頭遠(yuǎn)的型腔填充完畢開始增加注入壓力時(shí),離注塑壓頭近的型腔中的樹脂已經(jīng)硬化,殘留的氣體會(huì)產(chǎn)生氣孔或氣泡。
解決方法是采用多個(gè)注塑壓頭,以保證樹脂在每個(gè)型腔內(nèi)處于均衡的流入狀態(tài)。
問題2
一般的模注采用下澆口注入樹脂,這在芯片和封裝尺寸較小時(shí)沒有問題,但隨著芯片和封裝尺寸變大,離澆口遠(yuǎn)的封裝上部,往往出現(xiàn)樹脂未填充的部分。
解決方法是通過將澆口設(shè)置在封裝中部,保證注入樹脂在型腔內(nèi)芯片的上面、下面均衡流動(dòng),從而避免樹脂未填充問題。
c. 模注樹脂流速及粘度對Au絲偏移(沖絲)的影響
封裝樹脂在型腔內(nèi)流動(dòng)會(huì)造成微互連Au絲的偏移(沖絲)。
為了減小Au絲偏移,應(yīng)降低封裝樹脂的粘度,并控制封裝樹脂盡量緩慢的在型腔內(nèi)流動(dòng)。
No.2
多芯片封裝
MCM封裝也可按其氣密性等級(jí),分為氣密封裝和非氣密封裝兩大類。 非氣密封裝的代表是樹脂封裝法,依樹脂的加入方式不同,進(jìn)一步還可分為注型(casting)法、浸漬(dipping)法、滴灌(potting)法及流動(dòng)浸漬法(粉體涂裝法)等;氣密性封裝包括低熔點(diǎn)玻璃封接法、釬焊封接法、縫焊封接法及激光熔焊法等。
封裝可靠性與其價(jià)格具有明顯的關(guān)系,可靠性越高則封裝價(jià)格越貴。
樹脂封裝價(jià)格低,但從可靠性角度,特別是耐濕性存在問題,對于可靠性要求高的大型電子計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域,必須采用氣密性封裝。
采用釬焊密封法, 可以做到完全的氣密性封接,金屬性腔體內(nèi)還可封入氦氣、氮?dú)獾确腔钚詺怏w。但這種方法存在焊料與多層布線板上導(dǎo)體層之間的擴(kuò)散問題,若在高溫環(huán)境下使用,則耐熱性及長期使用的可靠性都不能保證。
對可靠性有更高要求的應(yīng)用,需采用熔焊法。 其中之一是縫焊封接(seamweld),但現(xiàn)有縫焊焊機(jī)的功率有限,只能焊比較薄(厚度約0.15mm)的金屬蓋板,不能用于大型MCM。為了能對大型MCM中采用比較厚(0.25~0.5mm)的金屬蓋板進(jìn)行熔焊封接,需要采用激光熔焊法。
采用縫焊封接時(shí) ,先用環(huán)氧樹脂及焊料等粘結(jié)劑,將陶瓷布線板支持固定在金屬外殼中,而粘結(jié)劑在散熱性及耐機(jī)械沖擊性等方面都存在問題。為解決這些問題,可以在陶瓷布線板上,通過銀漿料,粘結(jié)固定與布線板熱膨脹系數(shù)基本相等的可伐或Fe/Ni42合金等密封環(huán),并作為激光熔焊時(shí)的金屬基體。
耐濕性試驗(yàn):
為了比較各種封裝方法的可靠性,一般以耐濕性為代表,耐濕性試驗(yàn)最常使用壓力鍋試驗(yàn)。
近30年前的DIP封裝(傳遞模注塑封法),由于塑封材料耐濕性差,在121攝氏度,202kPa的壓力鍋中,只能維持70h左右;隨著塑封材料耐濕性的逐步改善,目前的可靠性已達(dá)200h.對MCM封裝,大多數(shù)塑封MCM,例如滴灌法COB(chip on board)、流動(dòng)浸漬法的SMT模塊、浸漬法、注型法等制作的HIC,僅能維持小于70h的可靠性;而氣密性MCM封裝,幾乎能維持無限長時(shí)間,顯示出高可靠性。
無論是非氣密樹脂封裝,還是其他幾種氣密性封裝,都具有各自優(yōu)勢,但從可靠性比較,氣密封裝明顯優(yōu)于非氣密封裝。
a. 非氣密多芯片樹脂封裝技術(shù)
常用于MCM的非氣密性樹脂封裝法,一般是采用環(huán)氧樹脂、塑料、硅樹脂等有機(jī)樹脂,覆蓋在微互連于多層布線板之上的半導(dǎo)體芯片上,使其與外界隔絕。覆蓋樹脂的方法有以下五種。
涂布(coating)法
用筆或毛刷等蘸取環(huán)氧樹脂或硅樹脂,直接在半導(dǎo)體芯片及片式元件上涂布,經(jīng)加熱固化完成封裝。用于這種方法的涂布樹脂粘度要適中略低。
滴灌(potting)法
又稱滴下法。用注射器及布液器將粘度比較低的環(huán)氧樹脂、硅樹脂等液態(tài)樹脂滴灌在微互連于多層布線板之上的半導(dǎo)體芯片上,經(jīng)加熱固化完成封裝。
浸漬(dipping)法
將完成微互連的MCM浸入裝滿環(huán)氧樹脂或酚樹脂液體的浴槽中,浸漬一定時(shí)間后向上提拉,經(jīng)加熱固化完成封裝。此方法要搭配掩模等方法避免樹脂在不需要的部位上附著。
注型(casting)法
又稱模注法。將完成微互連的MCM置入比其尺寸略大的模具或樹脂盒中,在它們的間隙中注入環(huán)氧樹脂或酚樹脂等液體樹脂,經(jīng)加熱固化完成封裝。
流動(dòng)浸漬法
又稱粉體涂裝法。將完成微互連的多層布線板在預(yù)加熱的狀態(tài),浸入裝滿環(huán)氧樹脂與氧化硅粉末的混合粉體中,并處于流動(dòng)狀態(tài)的流動(dòng)浴槽中,浸漬一段時(shí)間,待粉體附著達(dá)一定厚度后,經(jīng)加熱固化完成封裝。
在對樹脂封裝進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)重點(diǎn)考慮耐濕性和減小內(nèi)應(yīng)力這兩個(gè)問題。對于前者應(yīng)減少可能漏氣的環(huán)節(jié),加強(qiáng)從外氣到半導(dǎo)體元件的密封措施;對于后者應(yīng)正確把握封裝樹脂熱膨脹系數(shù)、填充量等的關(guān)系,減少容易發(fā)生應(yīng)力集中的環(huán)節(jié)等。在有些情況下,可以采用從里到外三層樹脂封裝的結(jié)構(gòu),靠近芯片為一層柔軟層,中間為一層緩沖層,外部為一層致密層。這樣既可提高耐濕性,又可減小內(nèi)應(yīng)力。
以上幾種方法都屬于樹脂封裝,不可避免都會(huì)浸入一定程度的濕氣,導(dǎo)致可靠性也短,一般只有2~3年的保質(zhì)時(shí)間;封裝之后,當(dāng)發(fā)現(xiàn)不合格或出現(xiàn)故障,需要?jiǎng)冸x樹脂,找出不合格芯片,但剝離液對正常芯片會(huì)產(chǎn)生影響,因此,出現(xiàn)故障的塑封元件一般以廢品處理。這些方法適合于規(guī)模較小,價(jià)格比較低的一般民用器件。
b. 樹脂封裝中濕氣侵入路徑及防止措施
樹脂材料作為有機(jī)物,都或多或少存在耐濕性較差的問題。樹脂封裝中濕氣的來源主要有三條: 一是樹脂自身的吸濕性; 二是樹脂自身的透水性; 三是通過樹脂與多層布線板之間的間隙,以及通過封裝與MCM引腳之間的間隙發(fā)生滲漏。
液態(tài)樹脂的固化條件(溫度和時(shí)間)對吸水性、透水性有決定性的影響,必須嚴(yán)格保證。還要注意樹脂的保質(zhì)期及冷藏保管,使用前要進(jìn)行脫泡處理,嚴(yán)禁粉塵和氣泡混入。經(jīng)生產(chǎn)廠家多年努力,樹脂的吸水性和透水性已明顯改善。
關(guān)于密封性,不單單取決于樹脂材料,還取決于引腳的表面狀態(tài),以及樹脂材料同氧化鋁陶瓷多層布線板等基體材料的匹配情況。對于耐濕性良好而密封性不太理想的樹脂,可以通過增加基體材料表面粗糙度的方法,增加整體的密封性。
樹脂封裝法中,芯片周圍包圍的樹脂材料越多、有效隔離長度越長、耐濕性越好。但另一方面,隨著封裝樹脂量的增加及樹脂中內(nèi)應(yīng)力的增加,會(huì)造成陶瓷布線板發(fā)生翹曲,致使芯片布線板上搭載的芯片部件剝離、引起WB電氣連接破壞、造成布線板上膜電阻出現(xiàn)裂紋等。故應(yīng)正確把握樹脂填充量、有效絕緣長度、內(nèi)應(yīng)力等因素的關(guān)系。
熱膨脹系數(shù)是否匹配為內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的重要起因之一。應(yīng)通過改進(jìn)樹脂添加成分,使樹脂與電路材料熱膨脹系數(shù)盡量匹配。
c.樹脂未填充起因及解決辦法
由于模具溫度過高,預(yù)熱后的塑封料在高溫下反應(yīng)加快,會(huì)造成型腔還未充滿時(shí),塑封料粘度急劇上升,流動(dòng)阻力增大,注塑壓力無法傳遞,形成有趨向性的未填充。這種現(xiàn)象在大體積電路中容易出現(xiàn),因?yàn)槠涿磕K芊饬嫌昧枯^多,為使塑封料在短時(shí)間內(nèi)受熱均勻,設(shè)定的模溫一般較高。
有趨向性未填充主要是塑封料流動(dòng)不充分引起的,可采用提高塑封料預(yù)熱溫度和增加注塑速度使塑封料流動(dòng)加快,同時(shí)降低模具溫度,減緩反應(yīng)速度,可以使流動(dòng)時(shí)間延長,填充更充分。
由于模具的澆口堵塞,使塑封料無法注入,以及排氣口堵塞造成型腔氣體殘留,從而阻礙了型腔的填充。這種未填充在型腔位置分布上無規(guī)律性,小體積電路出現(xiàn)的幾率較高,因?yàn)樾⌒头庋b的澆口、排氣口相對較小而容易引起堵塞。
對于澆口和排氣口的堵塞,可用工具刮去堵塞物并涂上脫模劑,每模封裝后,用氣槍和刷子清掃模具。
d. 沖絲
塑封料在注塑成形時(shí)是有粘度的運(yùn)動(dòng)流體,因此具有一定的沖力。沖力作用在金絲上,使金絲產(chǎn)生偏移,極端情況下金絲沖斷,這就是所謂的沖絲。
沖絲是塑封產(chǎn)品的一個(gè)通病,無法完全消除,它必須借助專用的X射線儀才能觀察到,在生產(chǎn)中無法做到全檢,一般只做少量的抽檢。如何通過抽檢來判斷沖絲程度就非常重要了。
a/b越大,沖絲程度越嚴(yán)重;
當(dāng)a/b>20%時(shí)可判為不良品;
a/b>12%~15%時(shí),必須引起重視并進(jìn)行調(diào)整;
a/b<10%時(shí),情況較好。
一般來說,塑封料粘度越大,速度越快,對鍵合絲的沖擊角度越接近于90度,沖力越大。
No.3
氣密性封裝技術(shù)
a. 釬焊氣密封接技術(shù)
釬焊氣密封接是通過釬焊將金屬外殼固定在多層布線板上,將IC芯片與外氣絕緣。為了利用釬焊實(shí)現(xiàn)氣密封接的目的,要求焊料與被釬焊材料之間具有良好的浸潤性。通常采用Sn63/Pb37焊料。
為了釬焊金屬封裝外殼,需要在多層布線板表面的四周,形成與外殼相匹配、用于釬焊連接的導(dǎo)體圖形。該導(dǎo)體圖形與焊料間應(yīng)有良好的浸潤性,且與焊料的互擴(kuò)散盡量小。一般是通過厚膜法,采用Cu漿料印刷。對于氧化鋁陶瓷多層共燒基板來說,一般在W導(dǎo)體層上電鍍Ni/Au層,以達(dá)到良好的浸潤性。
金屬外殼與多層布線板的熱膨脹系數(shù)一般是不同的,因此對氧化鋁布線板來說,最好選用可伐合金外殼。但可伐合金與焊料間的浸潤性不好,通常金屬外殼也需要電鍍Ni/Au或Sn,以改善其浸潤性。
可伐合金(Kovar):本合金含鎳29%,鈷17%的鐵基封接合金。該合金在20~450℃范圍內(nèi)具有與陶瓷相近的熱膨脹系數(shù),和相應(yīng)的陶瓷能進(jìn)行有效封接匹配,此容易焊接和熔接,有良好可塑性,可切削加工,廣泛用于制作電真空元件,發(fā)射管,顯像管,開關(guān)管,晶體管以及密封插頭和繼電器外殼等。用可伐合金對工件進(jìn)行封接 時(shí),一般工件表面要求鍍金。
釬焊封接時(shí),將金屬外殼扣在預(yù)釬焊的封接圖形上,在大約240攝氏度下進(jìn)行回流焊,此時(shí)外殼內(nèi)的空氣會(huì)膨脹,因此需要在金屬外殼上制作空氣向外逃逸用的小孔,而后,在氦氣或氮?dú)獾确腔钚詺夥罩校霉簿Ш噶蠈π】走M(jìn)行封接。
釬焊封接的金屬外殼封裝便于分解、重裝,一般可保證在10次以上。因此,這種封接可用做通常氣密性封裝后半導(dǎo)體元件的初期不良品篩選。
釬焊封接中采用助焊劑,焊接過程中產(chǎn)生殘?jiān)逑粗竸┑娜纫彝榈扔袡C(jī)清洗劑破壞臭氧層,不利于環(huán)保。
b. 激光熔焊封接技術(shù)
激光熔焊適用于大型MCM及外形復(fù)雜的MCM,并能保證高可靠性。
其工藝過程如下:先在多層布線板的設(shè)定位置上,由Ag焊料固定作為熔焊金屬基體的焊接環(huán),將金屬外殼扣在焊接環(huán)上,使兩者處于緊密接觸狀態(tài),用激光束照射密接部位,焊接環(huán)及與其密接部位的外殼金屬同時(shí)熔化,經(jīng)冷卻完成氣密封接。由于相同金屬間便于熔焊,一般情況下焊接環(huán)與外殼都采用可伐合金。
激光熔焊封接法僅使焊接環(huán)與金屬外殼間需要密封連接的部位瞬時(shí)達(dá)到高溫再冷卻。不像焊料封接那樣,需要使多層布線板達(dá)到高溫,因此,不必考慮金屬外殼內(nèi)部空氣的膨脹問題,不需要在金屬外殼上設(shè)置氣孔。激光熔焊法可以在非活性氣氛封接箱內(nèi)完成氣密性封接。
對熔焊封接外殼進(jìn)行拆卸、重裝是比較困難的,一般采取的是拆卸、重裝焊接環(huán)的方式。因此,焊接環(huán)的高度一般保持在0.75mm以上,在每一次拆卸、重裝過程中,焊接環(huán)需要研磨掉約100~200的高度,總共可進(jìn)行2~3次返修、重裝操作。
與釬焊封接法相比,激光熔焊法允許的拆卸、返修次數(shù)少,故在正式封裝前,需要對半導(dǎo)體元件進(jìn)行老化篩選,以去除初期不良的器件。
將無Pb的激光熔焊封接技術(shù)和無鉛的芯片微互連技術(shù)相結(jié)合,就可以在完全不必采用Sn-Pb系焊料,實(shí)現(xiàn)封裝的真正無無鉛化。
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