高端塑封料和失效

1、高端塑封料、封裝材料、環(huán)氧塑封料簡介和塑封 IC 常見失效及對策 上海常祥實業(yè)有限公司結合自己的經驗， 再結合世界頂級客戶的實踐， 對塑封料做了簡單的介紹和在塑 封 IC 的過程中常見的失效現(xiàn)象以及對策做了總結，提出以下看法，供愛好者參考塑封料，又稱環(huán)氧塑封料(塑封料， Epoxy Molding Compound )以其高可靠性、低成本、生產工藝 簡單、適合大規(guī)模生產等特點，占據了整個微電子封裝材料 97 以上的市場?，F(xiàn)在，它已經廣泛地應用于 半導體器件、集成電路、消費電子、汽車、軍事、航空等各個封裝領域。環(huán)氧塑封料作為主要的電子封裝 材料之一，在電子封裝中起著非常重要的作用，封裝材料除了保

2、護芯片不受外界灰塵、潮氣、離子、輻射、 機械沖擊外，還起到了機械支撐和散熱的功能。隨著芯片的設計業(yè)、制造業(yè)和封裝業(yè)的發(fā)展，環(huán)氧塑封料 也得到了快速的發(fā)展。先進封裝技術的快速發(fā)展為環(huán)氧塑封料的發(fā)展提供巨大的發(fā)展空間的同時也給環(huán)氧 塑封料的發(fā)展提出了很大的挑戰(zhàn)。塑封料專家劉志認為：滿足超薄、微型化、高性能化、多功能化，低成 本化、以及環(huán)保封裝的要求，是當前環(huán)氧塑封料工藝所面臨的首要解決問題。一 塑封料發(fā)展狀況1 環(huán)氧塑封料的發(fā)展歷程 早在 20 世紀中期，塑料封裝半導體器件生產的初期，人們曾使用環(huán)氧、酸酐固化 體系塑封料用于塑封晶體管生產。但是由于玻璃化溫度(Tg)偏低、氯離子含量偏高等原因，而未

3、被廣泛采用。 1972 年美國 Morton 化學公司成功研制出鄰甲酚醛環(huán)氧酚醛樹脂體系塑封料，此后人們一直沿著 這個方面不斷地研究、 改進、提高和創(chuàng)新， 也不斷出現(xiàn)很多新產品。 1975 年出現(xiàn)了阻燃型環(huán)氧塑封料， 1977 年出現(xiàn)了低水解氯的環(huán)氧塑封料， 1982 年出現(xiàn)了低應力環(huán)氧塑封料， 1985 年出現(xiàn)了有機硅改性低應力環(huán) 氧塑封料， 1995 年前后分別出現(xiàn)了低膨脹、超低膨環(huán)氧塑封料，低翹曲環(huán)氧塑封料等，隨后不斷出現(xiàn)綠色 環(huán)保等新型環(huán)氧塑封料。2 環(huán)氧塑封料的市場應用 值得一提的是環(huán)保塑封料的市場作用?，F(xiàn)在，全球環(huán)保意識的提高，更加注重電 子零組件的無鉛( Lead Free )封

4、裝，也稱為綠色封裝( Green Package )技術研發(fā)。歐盟提議至 2008 年 全面禁止使用電子含鉛焊料，日本大廠也多在 2004 年至 2006 年，以無鉛技術生產產品，兩者意圖通過限 制性法令形成非關稅障礙( Non Tariffs Barrier )，達到保護市場的目的。信息電子、半導體企業(yè)未來只 有符合環(huán)保標準、法令，才能在全球高單價市場上，搶占頭角，突破全球市場非關稅障礙，提高國際競爭 力。所以，全球的各大塑封料廠家都在開發(fā)環(huán)保塑封料上投入了大量的精力，如何研究和開發(fā)綠色環(huán)保塑 封料已經成為全球塑封料產業(yè)的焦點問題。目前，綠色封裝對塑封料的要求主要有兩個方面：一是不含有傳統(tǒng)溴

5、/銻的鹵化物阻燃劑，而且要達到UL94 V - 0級標準；二是要滿足無鉛焊料工藝的 260 'C高溫回流焊 考核要求。經過研究人員的探索，尋找不含有傳統(tǒng)溴/銻的鹵化物阻燃劑的替代品已經不成問題，而且可以滿足UL V 0的阻燃標準。但是，按照MSL JEDEC的可靠性考核標準，必須要通過260 C的高溫回流焊，在這種考核中往往會出現(xiàn)高溫可靠性問題， 所以很難通過 MSL1：85C/85/168H IR REFLOW 260 C 3Times 這種一級考核，甚至 MSL2：85C/60/168H IR REFLOW260 C 3Times 考核。應該說這是環(huán)保 塑封料研究的難點問題，也會影

6、響環(huán)保塑封料的市場推廣和應用。另外，還有成本問題也將會影響和推遲 環(huán)保塑封料的市場推廣和應用，一般來說，環(huán)保塑封料的成本是同類普通產品成本的兩倍以上，甚至十幾 倍，一般客戶也很難接受這種高成本材料。因此，如何解決高溫可靠性技術問題和降低成本是當前發(fā)展和 推廣環(huán)保塑封料的主要研究課題。3 國外國內塑封料廠家情況國外環(huán)氧塑封料生產廠家主要集中在美國、日本、韓國、新加坡等國，主要有CNCUN 、住友電木、日東電工、日立化成、松下電工、信越化學、東芝，Hysol 、 Plaskon 、 Cheil、 Samsung 等，此外中國臺灣地區(qū)也有一些規(guī)模可與國外企業(yè)相較的大廠，例如臺灣長春等廠家?，F(xiàn)在，環(huán)氧

7、塑封料的主流產品是適用于0.35 gm -0.18 gm特征尺寸集成電路的封裝材料，研究水平已經達到0.1 gm 0.09 gm ,主要用于 SOP 、 QFP 、 BGA 、CSP 、 MCM 、SIP 等特別值得一提的是上海常祥實業(yè)有限公司上海常祥實業(yè)（） 不僅有固體塑封料，也有液體塑封料是目前國內惟一一家涵蓋固體塑封料和液體塑封料的企業(yè)常祥公司的塑封料全部是綠 色環(huán)保塑封料，并且所有的塑封料都是低應力塑封料，還可以為客戶量身定做產品另外，國內還有部分外資環(huán)氧塑封料生產廠家，由于他們依靠國外比較成熟的技術和先進的研發(fā)手段，以 及強大的實力作為后盾，所以他們的產品主要處在中高檔水平，主要應用

8、于QFP 、 BGA 、CSP 等比較先進的封裝形式以及環(huán)保封裝領域，基本上占據了國內大部分的中高端市場。國內環(huán)氧塑圭寸料廠家生產技術還是偏低，能夠滿足0.35 gm 0.25 gm技術用，開發(fā)水平達到 0.13 gm 0.10 gm,主要應用于SIP、DIP、SOP、PQFP、PBGA等形式的封裝。國產塑封料產品在封裝形式上由 僅能滿足DIP、SOP、SOJ、QFP等簡單封裝形式發(fā)展到能夠滿足 TQFP等封裝形式，同時 PBGA、CSP等 先進封裝形式用塑封料的生產技術正在快速發(fā)展。但是，國產塑封料產品在質量穩(wěn)定性、粘附性、吸潮性、 雜質含量、放射粒子量以及電性能、力學性能、耐熱性能等方面還

9、需要進一步改善，要完全滿足今后高水 平的4 國內塑封料的差距環(huán)氧塑封料的技術發(fā)展呈現(xiàn)下述趨勢： 1.為適應超大規(guī)模集成電路向著高密度、高 I/O 數(shù)方向的發(fā)展 需求，朝著適應高密度、高 I/O數(shù)的封裝形式（如BGA）方向發(fā)展；2.朝著適應于微型化、薄型化、不對稱 化、低成本化封裝形式 （CSP/QFN） 方向發(fā)展； 3.為適應無鉛焊料、綠色環(huán)保的要求，向著高耐熱、無溴阻燃 化方向快速發(fā)展。隨著歐盟 WEEE 和 ROHS 法案和其他國家相關環(huán)保法案法規(guī)的實施，我國環(huán)氧塑封料的發(fā)展面臨三個 嚴峻的挑戰(zhàn)：1.從QFP/TQFP等表面貼裝形式的塑封料生產技術向適于BGA、CSP等先進封裝形式的塑封料

10、生產技術躍升； 2.由傳統(tǒng)的含溴 /含銻塑封料生產技術向無溴 /無銻塑封料生產技術的快速轉換； 3.從傳統(tǒng) 適于有鉛焊料的組裝工藝向適于新型無鉛焊料組裝工藝的轉換。我們必須組織、建立一支高水平的科技攻 關和產業(yè)化隊伍，攻克無溴 /無銻塑封料及其配套原材料的制造技術難題，實現(xiàn)產業(yè)化。只有這樣，才能盡 快縮短國產化的進程，使我國環(huán)氧塑封料的技術水平與國際先進水平接軌。5 塑封料發(fā)展趨勢塑封料作為 IC 封裝業(yè)主要支撐材料，它的發(fā)展，是緊跟整機與封裝技術的發(fā)展而發(fā)展。整機的發(fā)展趨勢：輕、?。蓴y帶性）；高速化；增加功能；提高可靠性；降低成本；對環(huán)境污染少。 封裝技術的發(fā)展趨勢：封裝外形上向小、薄、輕

11、、高密度方向發(fā)展；規(guī)模上由單芯片向多芯片發(fā)展；結構 上由兩維向三維組裝發(fā)展；封裝材料由陶封向塑封發(fā)展；價格上成本呈下降趨勢。隨著高新技術日新月異不斷發(fā)展對半導體應用技術不斷促進，所以對其環(huán)氧封裝材料提出了更加苛刻的要 求，今后環(huán)氧塑封料主要向以下五個方面發(fā)展：（1 ）向適宜表面封裝的高性化和低價格化方向發(fā)展。 為了滿足塑封料高性化和低價格， 適宜這種要求的新 型環(huán)氧樹脂不斷出現(xiàn)，結晶性樹脂，因分子量低，熔融粘度低，但熔點高具有優(yōu)良的操作性，適用于高流 動性的封裝材料。目前已經有的結晶性環(huán)氧樹脂，為了得到適用于封裝材料的熔點范圍，多數(shù)接枝了柔軟 的分子鏈段，但是成型性和耐熱性難以滿足封裝材料的要

12、求，所以必須開發(fā)新的結晶性的環(huán)氧樹脂。（2）向適宜倒裝型的封裝材料方向發(fā)展。最近隨著電子工業(yè)的發(fā)展，作為提高高密度安裝方法，即所謂裸管芯安裝引起人們的高度重視。在裸管芯倒裝法安裝中，為了保護芯片防止外界環(huán)境的污染，利用液體 封裝材料。在液體封裝料中，要求對芯片和基板間隙的浸潤和充填，因這種浸潤和充填最終是通過毛細管 原理進行的，因此要求樹脂具有非常高的流動性，同時無機填充率要降低。但液體封裝料與芯片之間的應 力會增大，因此要求塑封料必須具有低的線膨脹系數(shù)，現(xiàn)在國外采用具有萘環(huán)結構的新型環(huán)氧樹脂制備塑 封料。（3）BGA、CSP等新型封裝方式要求開發(fā)新型材料。裸管芯安裝方法，雖然是實現(xiàn)高密度化封

13、裝的理想方法，但目前仍有一些問題，如安裝裝置和芯片質量保證等，出現(xiàn)了一種新的封裝方式即BGA或CSP,這是一種格子接頭方式的封裝，不僅可以實現(xiàn)小型化、輕量化而且可達到高速傳遞化，目前這種封裝形式正處 于快速增長期。 但這種工藝成型后在冷卻工藝出現(xiàn)翹曲現(xiàn)象， 這是因為基板與封裝材料收縮率不同引起的。 克服方法是盡量使封裝料與基板線膨脹系數(shù)接近，從封裝材料和基板粘合劑兩方面均需開發(fā)新型塑封料的 同時提高保護膜與材料的密著性。(4) 高散熱性的塑封料。隨著電子儀器的發(fā)展，封裝材料散熱性的課題已提出，因為塑封料基體材料 環(huán)氧樹脂屬于有機高分子材料，基于分子結構的不同，熱傳導性的改善受到局限，因此從引線

14、框架的金屬 材料著手，采用 42# 銅合金，因為有比較高的熱傳導率，銅合金引線框架表面有一層氧化膜，因此要求塑 封料與之有良好的粘接密著性。國外有些廠家正在研究開發(fā)，通過引入鏈段，提高范德瓦爾引力，以提高 塑封料與銅框架的引力。(5) 綠色環(huán)保型塑封料：隨著全球環(huán)保呼聲日益高漲，綠色環(huán)保封裝是市場發(fā)展的要求，上海常祥實業(yè) ( )采用不含阻燃劑的環(huán)氧樹脂體系或更高填充量不含阻燃劑的綠色環(huán)保塑封料 已經全面上市。也有一些國外公司正在試用含磷化合物 ,包括紅磷和瞵。總之，隨著集成電路向高超大規(guī)模、超高速、高密度、大功率、高精度、多功能方向的迅速發(fā)展及電子封裝技術由通孔插裝(PHT)向表面貼裝技術發(fā)展

15、，封裝形式由雙列直插(DIP )向(薄型)四邊引線扁平封裝(TQFP/QFP )和球柵陣列塑裝(PBGA)以及芯片尺寸封裝(CSP)方向發(fā)展，塑封料專家劉志認為：塑 封料的發(fā)展方向正在朝著無后固化、高純度、高可靠性、高導熱、高耐焊性、高耐濕性、高粘接強度、低 應力、低膨脹、低粘度、易加工、低環(huán)境污染等方向發(fā)展。二 塑封 IC 常見失效及對策 電子器件的失效可分為早期失效和使用期失效，前者多是由設計或工藝失誤造成的質量缺陷所致，可 以通過常規(guī)電參數(shù)檢驗和篩選進行檢測，后者則是由器件中的潛在缺陷引起的，潛在缺陷的行為與時間和 應力有關，經驗表明，潮汽吸附、腐蝕和熱機械應力、電過應力、靜電放電等產生

16、的失效占主導地位。1 塑封 IC 常見失效塑封 IC 是指以塑料等樹脂類聚合物材料封裝的集成電路。 由于樹脂類材料具有吸附水汽的特性， 故限制了 其在航天、航空等領域的應用。其常見的失效有：(1) 芯片破裂；(2) 管芯鈍化層損傷；(3) 管芯金屬化腐蝕；(4) 金屬化變形；(5) 鍵合金絲彎曲；(6) 金絲鍵合焊盤凹陷；(7) 鍵合線損傷；(8) 鍵合線斷裂和脫落；(9) 鍵合引線和焊盤腐蝕；(10) 引線框架腐蝕；(11) 引線框架的低粘附性及脫層(12) 包封料破裂；(13) 包封材料疲勞裂縫；(14) 封裝爆裂 ( “爆米花 ” )(15) 電學過載和靜電放電；(16) 焊接點疲勞。2

17、 塑封 IC 失效分析中的理化分析方法 理化分析是搞清失效機理的最先進的分析方法，以下簡要介紹一些理化分析方法的基本原理及其在失效分 析中的應用。2 1 掃描電子顯微鏡 掃描電子顯微鏡是運用電子束在樣品上逐點掃描，引起二次電子發(fā)射，再將這些二次電子等信息轉換成隨 試樣表面形貌、材料等因素而變化的放大了的信息圖像。它與光學顯微鏡等相比，具有聚焦景深長、視野 大、不破壞樣品，并富有立體感，分辨率高，能觀察 lOnm 以下的細節(jié)，放大倍數(shù)可以方便地在 20-10 萬 倍連續(xù)變化等優(yōu)點，是目前最有效的一種失效分析工具。2 2 電子微探針電子微探針是利用細電子束作為 X射線的激發(fā)源，打在要分析的樣品表面

18、（穿透深度一般約1-3gm），激發(fā)產生出與被打擊的微小區(qū)域內所包含元素的特征X射線譜，通過對特征 X射線波長和強度的分析，來判斷樣品的成分和數(shù)量情況，對硅中缺陷、 pn 結區(qū)重金屬雜質沉淀，半導體材料微區(qū)域雜質及擴散層剖面雜質 等進行分析，以確定潛在的失效模式。2 3 離子微探針 離子微探針是用一次電子束轟擊試樣，產生二次離子，然后按荷質比進行分離，從而分析出試樣的成分， 其取樣的深度一般只有 5-20 原子層，可用來測定表面污染、表面吸附以及對氧化、擴散薄層、涂層等表面 的分析。24 俄歇電子能譜儀 俄歇電子能譜儀的基本原理，是用低能電子束 （1000eV 以下）轟擊被分析的靶材料，使其釋放

19、出具有不同能 量的二次電子，通過能量分析器對其進行能量分析，測出其能量分布，得到一系列的能譜，其中有些峰就 是俄歇電子峰，與光譜分析相似，根據俄歇電子峰可以決定出某些元素的存在，由峰的強度可以測出該元 素的含量。俄歇電子具有表面探針的作用，它可以用來分析表面，如表面組分、表面生長過程、合金接觸質量、鍵合質量以及其它與表面有關的現(xiàn)象，其深度可深至10gm左右的表面層。2 5 紅外熱分析 紅外熱分析可運用紅外顯微鏡、紅外掃描顯微鏡等，它的基本原理，是當器件加上電源后，芯片上將有一 定溫度，產生相應的紅外輻射，通過相應的紅外接收系統(tǒng)，可將芯片上的反常熱點顯示出來，發(fā)現(xiàn)不合理 的設計及材料和工藝中的缺

20、陷，如反偏 pn 結上的發(fā)光點、針孔、尖端擴散及鋁膜臺階處的局部發(fā)熱等。3 塑封 IC 失效分析基本步驟3 1 保存物理證據 在生產過程中，回流焊返工或替換有問題的元器件是可以接受的，但在失效分析中，讓已暴露出來的問題 清楚顯現(xiàn)，最為重要。失效分析最禁忌的是替換或修理問題點，這樣會損壞物理證據。對失效分析樣品，應溫、濕度受控，并避免振動及靜電等外力作用，在原因未得到確認前，應避免對失效 樣品進行通電。3 2 物理分析 初步電參數(shù)測試，觀察失效器件哪些參數(shù)與正常器件參數(shù)不符合。 外觀及密封性檢查。開帽鏡檢，開帽時，注意不要損壞管芯和引入新的失效因素，用30-60 倍顯微鏡檢查機械缺陷、內引線、芯

21、片位置、鋁條好壞等，用 400-1000 倍的金相顯微鏡觀察光刻、鋁引線、氧化層缺陷、芯片裂紋等，并 對結果照相。進一步測試電參數(shù)，必要時可劃斷鋁條用探針測試管芯，檢查電路的有源和無源元件性能是 否正常。除去鋁膜再對管芯進行測試，觀察性能變化，并檢查二氧化硅層的厚度與存在的針孔等。除去 Si02 用探針測試管芯，分析表面是否有溝道，失效是否由表面效應引起。3 3 根本失效原因確定塑封 IC 失效的原因有：設計缺陷、原材料品質不良、制程問題、運輸中靜電擊穿或存儲環(huán)境中水汽吸附、 使用時的過應力等。應征對失效分析樣品，確定導致失效的根本原因。工藝問題在塑封IC 中占失效比例最大，問題主要集中在后工

22、序上，如某塑封電路，由于器件塑封材料與金屬框架和芯片間發(fā)生分層效應（俗稱“爆米花 ”效應 ），而拉斷鍵合絲，從而發(fā)生開路失效。經分析，其主要原因是塑封料中的水分在高溫下迅速 膨脹使塑封料與其附著的其他材料間發(fā)生分離。3 4 糾正措施及驗證 在查明失效原因的基礎上，通過分析、計算和必要的試驗驗證，提出糾正措施，經評審通過后付諸實施， 跟蹤驗證糾正措施的有效性，并按技術狀態(tài)控制要求或圖樣管理制度對設計或工藝文件進行更改。4 提高塑封 IC 可靠性的措施 在規(guī)定時間內或整個有用壽命期內，產品在規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的概率，即可靠性。其取決于固有 設計、制造過程、工作條件 （確定產品如何被使用、維修

23、及修理 ） 。以下從三方面介紹提高塑封 IC 可靠性的 措施：4 1 設計的可靠性 產品應設計成能運用于它使用的環(huán)境，而且應當對設計有充分了解。應當最優(yōu)先考慮表示環(huán)境的特性。它 取決于用戶的類型以及產品的工作周期?？梢酝ㄟ^試驗或分析來驗證是否已達到了可靠性的目標，通過試 驗，產品的設計可以得到證實。試驗可以暴露出未想到的設計的薄弱環(huán)節(jié)或不令人滿意的性能，作為研制 工具，應向工程師反饋他們所需要的信息，以便工程師們改進設計、修正分析。在塑封 IC 設計時，為提高可靠性，將零件最大允許應力限制到低于其最大額定應力值的某一規(guī)定值。并在 產品中要考慮熱量的產生和擴散，避免出現(xiàn)由溫度造成的可靠性問題。4 2 工藝及材料控制在塑封 IC 整個生產過程，應加大工藝控制，其主要措施有：（1）減少封裝體內水汽含量，避免分層效應 封裝體內的實際水汽含量是由密封材料、 封裝體本身、 密封環(huán)境釋放的水和通過密封處漏人的水汽組成的。 為防止水汽侵入，良好的鈍化覆蓋層 （使用磷玻璃或氮化硅 ） 是必要