塑封分立器件的分層問題

馬緒

摘要文章先是對分層進行概述，又詳細闡述了分層分類，最后分析介紹了分層解決方案的制定，以避免分層問題的出現，降低器件失效的幾率，提高可靠性。

關鍵詞塑封；分立器件；分層問題；可靠性

中圖分類號：TN406 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0168-01

隨著我國科學技術的不斷發展，集成電路的封裝與貼裝技術得到了極大的進步，而塑封成為封裝領域中最重要的封裝工藝。而塑封器在使用的過程中，不僅在資金成本上具備很大的優勢，而且使用壽命較長，但是塑封還是存在很多的不足之處。如果封裝材料中的分層現象較為嚴重的話，會對塑封器件的使用性能造成不良影響，影響內部電路的正常運行。因此需要對塑封器件的分層問題進行解決，以提高其工作效率。

1分層概述

在塑封器的使用過程中，由于使用了不同參數，因此造成不同材料的粘結界面存在著分離或者是剝離的現象，屬于內應力問題中的一種，會影響塑封器的正常工作與使用壽命。分層主要是因為材料的不同，造成熱膨脹系數的不同，從而對濕氣與熱應力造成破壞。

在框架式塑封器件中，分層問題主要集中在芯片截面和封裝樹脂、引線框架界面和封裝樹脂、引線框架界面和導電膠、載片界面和封裝樹脂、導電膠界面和芯片等區域。而在BGA的封裝中，主要發生在銅基片DAP與封裝樹脂界面。塑封器件的結構圖如圖1所示。

圖1塑封器件的結構圖

2分層分類分析

2.1 熱應力分析

在塑封中存在很多的封裝材料，例如：金屬引線框架、金絲、封裝樹脂、粘接料以及芯片等，芯片的熱膨脹系數是3.5×10-6/K，比引線、硅片等略高一些。因此在塑封器件處在高溫或者是低溫環境中時，會與其他材料的熱膨脹系數存在差異，從而造成不同材料粘接位置常見應力。當應力超過某一種材料的承受能力時，就會出現斷裂強度與屈服強度，產生分層。

在對界面中存在的應力數值進行分析時，可以使用多種方法，例如區域能量釋放理論、有限元法、虛擬裂紋閉合技術以及J積分法等。有限元分析法在封裝失效分析中較為適用，不僅能夠對封裝內部的應力分布情況進行預測，而且還能夠轉移載片、芯片、塑封之間存在的應力。而在過去長達十年的時間里，有效元分析法一直在失效分析中應用，大大提高了分析的準確性。Xue等對薄型陣列塑封器件中的界面進行分析，主要是判斷溫度對其產生的影響，發現無任何外應力存在的模型，即使溫降較為均勻，也會造成塑封器件的形變，出現垂直收縮。

有限元分析法的使用，銅基片DAP與封裝樹脂之間存在的應力較高，而在溫差較大的環境中，兩者之間產生的拉伸應力會集中在某一個局部，如果超過兩者中的任意一個參數，將會產生開裂的現象。

2.2 濕氣影響

塑封屬于一種非氣密性封裝，濕氣可以經過封裝樹脂和引線框架之間的界面或者是封裝樹脂進入塑封器件內部，導致內部出現腐蝕。在芯片封裝的過程中，濕氣腐蝕是導致器件出現失效的最大原因，會造成金屬表面出現水合氧化物，而氧化物后續又會吸收一部分的水汽，在封裝樹脂與金屬界面中出現了較為脆弱的部分，導致粘接失效。如果濕氣中存在著鉀-納-氯等離子的話，大大增加了芯片、引線框架以及DAP發生腐蝕的幾率，離解樹脂，從而出現分層或者是剝離的現象。在發生分層后，大大降低了濕氣侵入的難度，器件可靠性也大大降低。在組裝器件板時，在進行高溫回流焊的操作中，濕氣會被汽化，產生大量的蒸汽壓力，塑封材料界面在熱應力與蒸汽壓力的共同作用下，就可出現分層，也會造成裂紋的出現，嚴重時會造成塑封體外開裂，產生爆米花效應。

3分層解決方案的制定

通過對分層產生原因的分析，筆者認為可從兩個方面來制定分層解決方案：改進封裝材料；預防濕氣。

3.1 改進封裝材料

對分層影響最大的材料是封裝樹脂，主要在吸濕性、應力以及粘接性等三個方面影響分層。而在塑封料的使用過程中，填料占據較大的比例，填料的不同會影響封裝材料的性能。環氧樹脂的熱膨脹系數為（50-90）×10-6/℃，而硅微粉的熱膨脹系數是0.6×10-6/℃，僅為環氧樹脂的1%。因此在高填料的選擇過程中，應盡量使用熱膨脹系數較小的材料，從而降低熱應力的影響，但是硅微粉的彈性模量卻較高，而填料一旦過多的話，就會增加應力，因此工作人員要選取合適的封裝材料使用。

如果塑封材料中存在著Cl-、Na+等離子雜質的話，侵入的濕氣會帶著離子附在芯片表面，造成濕氣腐蝕的出現。塑封料具有很高的純度，但是在塑封的操作過程中，要盡量降低芯片表面存在的離子濃度。條件允許的話，可使用離子捕捉劑進行處理。

3.2 預防濕氣

在進行塑封操作前，工作人員需要對芯片表面進行觀察。如果在芯片表面出現玷污或者是發黃現象的話，就需要在塑封前進行離子清洗操作，以對分層問題進行改善或者是消除分層出現的幾率；在塑封操作后，對器件進行測試，若屬于良品的話，則需要進行真空烘烤。在塑封后，需要定期使用MSL可靠性或者是超聲掃描分層檢查對濕氣進行抽樣檢驗。一旦發現器件已經被侵入濕氣，則需要將器件連續24 h放置于125℃的烘箱中進行去濕操作，在去濕后方可使用，以提高器件使用的有效性。在使用防靜電真空包裝的過程中，工作人員需要將干燥劑放置于靜電包裝塑料袋中，以起到預防濕氣的作用。

4結束語

綜上所述，隨著我國科學技術的不斷進步，塑封技術也趨于成熟，但是不可避免會出現分層問題，因此需要工作人員對塑封材料進行調整，提高塑封的可靠性，以擴大塑封的應用范圍。

參考文獻

[1]劉培生，盧穎，王金蘭，陶玉娟.塑封集成電路分層的研究[J].電子元件與材料，2013（11）.

[2]方強.塑封功率器件分層失效機理研究與工藝改進[D].復旦大學，2009.

[3]方行.塑封功率器件中Cu/EMC界面分層失效的實驗與計算分析研究[D].復旦大學，2010.

[4]楊江勤.國產塑封半導體器件可靠性試驗的研究[D].電子科技大學，2012.

[5]石海忠，張學兵，張蓓蓓，聶蕾.導電膠性能對器件分層的影響[J].電子與封裝，2011（12）.

endprint

摘要文章先是對分層進行概述，又詳細闡述了分層分類，最后分析介紹了分層解決方案的制定，以避免分層問題的出現，降低器件失效的幾率，提高可靠性。

關鍵詞塑封；分立器件；分層問題；可靠性

中圖分類號：TN406 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0168-01

隨著我國科學技術的不斷發展，集成電路的封裝與貼裝技術得到了極大的進步，而塑封成為封裝領域中最重要的封裝工藝。而塑封器在使用的過程中，不僅在資金成本上具備很大的優勢，而且使用壽命較長，但是塑封還是存在很多的不足之處。如果封裝材料中的分層現象較為嚴重的話，會對塑封器件的使用性能造成不良影響，影響內部電路的正常運行。因此需要對塑封器件的分層問題進行解決，以提高其工作效率。

1分層概述

在塑封器的使用過程中，由于使用了不同參數，因此造成不同材料的粘結界面存在著分離或者是剝離的現象，屬于內應力問題中的一種，會影響塑封器的正常工作與使用壽命。分層主要是因為材料的不同，造成熱膨脹系數的不同，從而對濕氣與熱應力造成破壞。

在框架式塑封器件中，分層問題主要集中在芯片截面和封裝樹脂、引線框架界面和封裝樹脂、引線框架界面和導電膠、載片界面和封裝樹脂、導電膠界面和芯片等區域。而在BGA的封裝中，主要發生在銅基片DAP與封裝樹脂界面。塑封器件的結構圖如圖1所示。

圖1塑封器件的結構圖

2分層分類分析

2.1 熱應力分析

在塑封中存在很多的封裝材料，例如：金屬引線框架、金絲、封裝樹脂、粘接料以及芯片等，芯片的熱膨脹系數是3.5×10-6/K，比引線、硅片等略高一些。因此在塑封器件處在高溫或者是低溫環境中時，會與其他材料的熱膨脹系數存在差異，從而造成不同材料粘接位置常見應力。當應力超過某一種材料的承受能力時，就會出現斷裂強度與屈服強度，產生分層。

在對界面中存在的應力數值進行分析時，可以使用多種方法，例如區域能量釋放理論、有限元法、虛擬裂紋閉合技術以及J積分法等。有限元分析法在封裝失效分析中較為適用，不僅能夠對封裝內部的應力分布情況進行預測，而且還能夠轉移載片、芯片、塑封之間存在的應力。而在過去長達十年的時間里，有效元分析法一直在失效分析中應用，大大提高了分析的準確性。Xue等對薄型陣列塑封器件中的界面進行分析，主要是判斷溫度對其產生的影響，發現無任何外應力存在的模型，即使溫降較為均勻，也會造成塑封器件的形變，出現垂直收縮。

有限元分析法的使用，銅基片DAP與封裝樹脂之間存在的應力較高，而在溫差較大的環境中，兩者之間產生的拉伸應力會集中在某一個局部，如果超過兩者中的任意一個參數，將會產生開裂的現象。

2.2 濕氣影響

塑封屬于一種非氣密性封裝，濕氣可以經過封裝樹脂和引線框架之間的界面或者是封裝樹脂進入塑封器件內部，導致內部出現腐蝕。在芯片封裝的過程中，濕氣腐蝕是導致器件出現失效的最大原因，會造成金屬表面出現水合氧化物，而氧化物后續又會吸收一部分的水汽，在封裝樹脂與金屬界面中出現了較為脆弱的部分，導致粘接失效。如果濕氣中存在著鉀-納-氯等離子的話，大大增加了芯片、引線框架以及DAP發生腐蝕的幾率，離解樹脂，從而出現分層或者是剝離的現象。在發生分層后，大大降低了濕氣侵入的難度，器件可靠性也大大降低。在組裝器件板時，在進行高溫回流焊的操作中，濕氣會被汽化，產生大量的蒸汽壓力，塑封材料界面在熱應力與蒸汽壓力的共同作用下，就可出現分層，也會造成裂紋的出現，嚴重時會造成塑封體外開裂，產生爆米花效應。

3分層解決方案的制定

通過對分層產生原因的分析，筆者認為可從兩個方面來制定分層解決方案：改進封裝材料；預防濕氣。

3.1 改進封裝材料

對分層影響最大的材料是封裝樹脂，主要在吸濕性、應力以及粘接性等三個方面影響分層。而在塑封料的使用過程中，填料占據較大的比例，填料的不同會影響封裝材料的性能。環氧樹脂的熱膨脹系數為（50-90）×10-6/℃，而硅微粉的熱膨脹系數是0.6×10-6/℃，僅為環氧樹脂的1%。因此在高填料的選擇過程中，應盡量使用熱膨脹系數較小的材料，從而降低熱應力的影響，但是硅微粉的彈性模量卻較高，而填料一旦過多的話，就會增加應力，因此工作人員要選取合適的封裝材料使用。

如果塑封材料中存在著Cl-、Na+等離子雜質的話，侵入的濕氣會帶著離子附在芯片表面，造成濕氣腐蝕的出現。塑封料具有很高的純度，但是在塑封的操作過程中，要盡量降低芯片表面存在的離子濃度。條件允許的話，可使用離子捕捉劑進行處理。

3.2 預防濕氣

在進行塑封操作前，工作人員需要對芯片表面進行觀察。如果在芯片表面出現玷污或者是發黃現象的話，就需要在塑封前進行離子清洗操作，以對分層問題進行改善或者是消除分層出現的幾率；在塑封操作后，對器件進行測試，若屬于良品的話，則需要進行真空烘烤。在塑封后，需要定期使用MSL可靠性或者是超聲掃描分層檢查對濕氣進行抽樣檢驗。一旦發現器件已經被侵入濕氣，則需要將器件連續24 h放置于125℃的烘箱中進行去濕操作，在去濕后方可使用，以提高器件使用的有效性。在使用防靜電真空包裝的過程中，工作人員需要將干燥劑放置于靜電包裝塑料袋中，以起到預防濕氣的作用。

4結束語

綜上所述，隨著我國科學技術的不斷進步，塑封技術也趨于成熟，但是不可避免會出現分層問題，因此需要工作人員對塑封材料進行調整，提高塑封的可靠性，以擴大塑封的應用范圍。

參考文獻

[1]劉培生，盧穎，王金蘭，陶玉娟.塑封集成電路分層的研究[J].電子元件與材料，2013（11）.

[2]方強.塑封功率器件分層失效機理研究與工藝改進[D].復旦大學，2009.

[3]方行.塑封功率器件中Cu/EMC界面分層失效的實驗與計算分析研究[D].復旦大學，2010.

[4]楊江勤.國產塑封半導體器件可靠性試驗的研究[D].電子科技大學，2012.

[5]石海忠，張學兵，張蓓蓓，聶蕾.導電膠性能對器件分層的影響[J].電子與封裝，2011（12）.

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摘要文章先是對分層進行概述，又詳細闡述了分層分類，最后分析介紹了分層解決方案的制定，以避免分層問題的出現，降低器件失效的幾率，提高可靠性。

關鍵詞塑封；分立器件；分層問題；可靠性

中圖分類號：TN406 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0168-01

隨著我國科學技術的不斷發展，集成電路的封裝與貼裝技術得到了極大的進步，而塑封成為封裝領域中最重要的封裝工藝。而塑封器在使用的過程中，不僅在資金成本上具備很大的優勢，而且使用壽命較長，但是塑封還是存在很多的不足之處。如果封裝材料中的分層現象較為嚴重的話，會對塑封器件的使用性能造成不良影響，影響內部電路的正常運行。因此需要對塑封器件的分層問題進行解決，以提高其工作效率。

1分層概述

在塑封器的使用過程中，由于使用了不同參數，因此造成不同材料的粘結界面存在著分離或者是剝離的現象，屬于內應力問題中的一種，會影響塑封器的正常工作與使用壽命。分層主要是因為材料的不同，造成熱膨脹系數的不同，從而對濕氣與熱應力造成破壞。

在框架式塑封器件中，分層問題主要集中在芯片截面和封裝樹脂、引線框架界面和封裝樹脂、引線框架界面和導電膠、載片界面和封裝樹脂、導電膠界面和芯片等區域。而在BGA的封裝中，主要發生在銅基片DAP與封裝樹脂界面。塑封器件的結構圖如圖1所示。

圖1塑封器件的結構圖

2分層分類分析

2.1 熱應力分析

在塑封中存在很多的封裝材料，例如：金屬引線框架、金絲、封裝樹脂、粘接料以及芯片等，芯片的熱膨脹系數是3.5×10-6/K，比引線、硅片等略高一些。因此在塑封器件處在高溫或者是低溫環境中時，會與其他材料的熱膨脹系數存在差異，從而造成不同材料粘接位置常見應力。當應力超過某一種材料的承受能力時，就會出現斷裂強度與屈服強度，產生分層。

在對界面中存在的應力數值進行分析時，可以使用多種方法，例如區域能量釋放理論、有限元法、虛擬裂紋閉合技術以及J積分法等。有限元分析法在封裝失效分析中較為適用，不僅能夠對封裝內部的應力分布情況進行預測，而且還能夠轉移載片、芯片、塑封之間存在的應力。而在過去長達十年的時間里，有效元分析法一直在失效分析中應用，大大提高了分析的準確性。Xue等對薄型陣列塑封器件中的界面進行分析，主要是判斷溫度對其產生的影響，發現無任何外應力存在的模型，即使溫降較為均勻，也會造成塑封器件的形變，出現垂直收縮。

有限元分析法的使用，銅基片DAP與封裝樹脂之間存在的應力較高，而在溫差較大的環境中，兩者之間產生的拉伸應力會集中在某一個局部，如果超過兩者中的任意一個參數，將會產生開裂的現象。

2.2 濕氣影響

塑封屬于一種非氣密性封裝，濕氣可以經過封裝樹脂和引線框架之間的界面或者是封裝樹脂進入塑封器件內部，導致內部出現腐蝕。在芯片封裝的過程中，濕氣腐蝕是導致器件出現失效的最大原因，會造成金屬表面出現水合氧化物，而氧化物后續又會吸收一部分的水汽，在封裝樹脂與金屬界面中出現了較為脆弱的部分，導致粘接失效。如果濕氣中存在著鉀-納-氯等離子的話，大大增加了芯片、引線框架以及DAP發生腐蝕的幾率，離解樹脂，從而出現分層或者是剝離的現象。在發生分層后，大大降低了濕氣侵入的難度，器件可靠性也大大降低。在組裝器件板時，在進行高溫回流焊的操作中，濕氣會被汽化，產生大量的蒸汽壓力，塑封材料界面在熱應力與蒸汽壓力的共同作用下，就可出現分層，也會造成裂紋的出現，嚴重時會造成塑封體外開裂，產生爆米花效應。

3分層解決方案的制定

通過對分層產生原因的分析，筆者認為可從兩個方面來制定分層解決方案：改進封裝材料；預防濕氣。

3.1 改進封裝材料

對分層影響最大的材料是封裝樹脂，主要在吸濕性、應力以及粘接性等三個方面影響分層。而在塑封料的使用過程中，填料占據較大的比例，填料的不同會影響封裝材料的性能。環氧樹脂的熱膨脹系數為（50-90）×10-6/℃，而硅微粉的熱膨脹系數是0.6×10-6/℃，僅為環氧樹脂的1%。因此在高填料的選擇過程中，應盡量使用熱膨脹系數較小的材料，從而降低熱應力的影響，但是硅微粉的彈性模量卻較高，而填料一旦過多的話，就會增加應力，因此工作人員要選取合適的封裝材料使用。

如果塑封材料中存在著Cl-、Na+等離子雜質的話，侵入的濕氣會帶著離子附在芯片表面，造成濕氣腐蝕的出現。塑封料具有很高的純度，但是在塑封的操作過程中，要盡量降低芯片表面存在的離子濃度。條件允許的話，可使用離子捕捉劑進行處理。

3.2 預防濕氣

在進行塑封操作前，工作人員需要對芯片表面進行觀察。如果在芯片表面出現玷污或者是發黃現象的話，就需要在塑封前進行離子清洗操作，以對分層問題進行改善或者是消除分層出現的幾率；在塑封操作后，對器件進行測試，若屬于良品的話，則需要進行真空烘烤。在塑封后，需要定期使用MSL可靠性或者是超聲掃描分層檢查對濕氣進行抽樣檢驗。一旦發現器件已經被侵入濕氣，則需要將器件連續24 h放置于125℃的烘箱中進行去濕操作，在去濕后方可使用，以提高器件使用的有效性。在使用防靜電真空包裝的過程中，工作人員需要將干燥劑放置于靜電包裝塑料袋中，以起到預防濕氣的作用。

4結束語

綜上所述，隨著我國科學技術的不斷進步，塑封技術也趨于成熟，但是不可避免會出現分層問題，因此需要工作人員對塑封材料進行調整，提高塑封的可靠性，以擴大塑封的應用范圍。

參考文獻

[1]劉培生，盧穎，王金蘭，陶玉娟.塑封集成電路分層的研究[J].電子元件與材料，2013（11）.

[2]方強.塑封功率器件分層失效機理研究與工藝改進[D].復旦大學，2009.

[3]方行.塑封功率器件中Cu/EMC界面分層失效的實驗與計算分析研究[D].復旦大學，2010.

[4]楊江勤.國產塑封半導體器件可靠性試驗的研究[D].電子科技大學，2012.

[5]石海忠，張學兵，張蓓蓓，聶蕾.導電膠性能對器件分層的影響[J].電子與封裝，2011（12）.

endprint