關(guān)于塑封集成電路分層失效的機理研究及生產(chǎn)工藝改進建議

顏紅

摘要：FCBGA封裝器件作為現(xiàn)代復(fù)雜電子產(chǎn)品重要功能元器件，對電子產(chǎn)品小型化、低功耗、高性能等特性發(fā)揮主要作用！然而由于FCBGA封裝器件采用了特殊倒扣封裝工藝，其封裝體易吸附一定水分，導(dǎo)致如果保存、焊接工藝不規(guī)范時可能出現(xiàn)器件分層短路等現(xiàn)象。本文通過分析提出了關(guān)于這類器件的保存、焊接、使用等建議，希望能對提高該類器件使用效能提供幫助。

關(guān)鍵詞：FCBGA;倒扣封裝工藝;故障機理分析

概述

集成電路（IC）經(jīng)過幾十年發(fā)展，對于推動經(jīng)濟社會發(fā)展、增強國防實力等發(fā)揮了巨大作用。如果沒有良好的封裝技術(shù)，芯片的使用、存儲、運輸?shù)仁欠浅＠щy的。

芯片的封裝技術(shù)也經(jīng)歷好幾代的發(fā)展，從DIP、QFP、PGA、BGA、CSP再到MCM，技術(shù)指標不斷提升，頻率越來越高、耐溫性能越來越好。引腳增多、重量減輕、可靠性提高，使用更方便。在眾多封裝技術(shù)中，塑料類封裝在市場中具有很高的市場份額。

塑封器件是指集成電路芯片經(jīng)過塑料封裝，起到安放、固定、密封和保護芯片的作用，還將芯片內(nèi)部各種信號通過導(dǎo)線連接到塑料封裝外殼引腳上，方便設(shè)計、使用和生產(chǎn)。尤其是大規(guī)模的FCBGA（FilpChipBGA）封裝器件在電裝焊接后，容易因內(nèi)部受潮出現(xiàn)焊料重熔短路問題。本文結(jié)合實際案例進行問題定位、機理分析、改進建議及措施，對該類器件正確使用、裝配和保存有一定指導(dǎo)作用。

1、故障情況

某批次FCBGA封裝的DSP芯片經(jīng)過焊接后，發(fā)現(xiàn)有6塊DSP芯片無法使用仿真器進行程序仿真調(diào)試或GPIO管腳功能不正常。常規(guī)檢查是否存在虛焊、短路等現(xiàn)象排除后，故障現(xiàn)象無法恢復(fù)。為了徹底查明故障原因，請某可靠性分析機構(gòu)技術(shù)人員對存在故障的DSP芯片去除散熱蓋后進行聲學(xué)掃描顯微檢查，發(fā)現(xiàn)塑封器件內(nèi)部存在有分層的故障現(xiàn)象，如圖1所示。

進一步對DSP芯片進行開封過程中，電路芯片與PCB層斷裂脫離，經(jīng)顯微鏡觀察，該DSP芯片PCB印制板中多個凸點存在熔融擴散而導(dǎo)致橋連的現(xiàn)象。初步判定可能是電路開封后受到空氣潮氣的侵蝕，導(dǎo)致器件在焊接受熱過程中凸點的焊料熔融并向周圍擴散，引起PCB基板與芯片出現(xiàn)分層及凸點橋連，最終出現(xiàn)端口開路或短路失效故障。

2、故障機理研究與分析

一般FCBGA封裝集成電路內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意如圖2，由上而下包括散熱蓋、帶倒扣凸點的主芯片、主芯片與基板間的底部填充劑、基板、BGA球，芯片與封裝的電氣連接是通過倒扣凸點實現(xiàn)。芯片倒扣凸點材質(zhì)組成及比例為97.7%Sn、2.3%Ag，熔點為217℃，有鉛BGA球材質(zhì)組成及比例為63%Sn、37%Pb，熔點為183℃，由此可看出焊接溫度不能長時間高于217℃。

芯片與基板間底部填充劑主要材質(zhì)為環(huán)氧樹脂，多層封裝基板主要材質(zhì)為有機物（一般為FR-4環(huán)氧玻璃布層壓板）。散熱蓋與基板的結(jié)合采用高結(jié)合力的粘接膠，粘接膠主要成分也為有機物。同時，由于該塑料封裝內(nèi)部有空腔，基于有機物吸潮的特點，在器件暴露在外部環(huán)境下，空氣中的潮氣將通過芯片下方的基板、水平方向粘接膠及通氣口進入到底部填充膠[1]。

FCBGA封裝類型器件采用較為特殊的倒扣焊工藝，在外部環(huán)境條件下，由于倒裝焊基板、底部填充膠、粘接膠等均為環(huán)氧樹脂這類有機材料，有一定的吸附水分的能力，器件封裝體在封裝過程中存在一定概率吸附一些潮氣。

吸附有潮氣器件在進行板級回流焊接時，在較高的回流溫度下，填充在芯片凸點間隙中、起到增強芯片與基板結(jié)合的底部填充膠中的水汽將會膨脹，并使得底部填充膠與芯片結(jié)合界面處發(fā)生了脫離分層。由于整個封裝經(jīng)歷了高溫，尤其當(dāng)用戶采用有鉛無鉛混裝工藝時，高溫達到235℃，超過了芯片倒扣凸點熔點217℃，芯片倒扣凸點將發(fā)生重新熔化。熔融的凸點焊料在毛細現(xiàn)象作用下，將滲入到底部填充膠與芯片的分層區(qū)域，使得凸點消失導(dǎo)致凸點開路、或者相鄰?fù)裹c焊料橋連導(dǎo)致凸點短路。這與專業(yè)可靠性分析機構(gòu)分析的芯片與底部填充膠之間存在明顯分層、并有多個凸點存在橋連的現(xiàn)象一致[2]。然而傳統(tǒng)的引線鍵合工藝封裝結(jié)構(gòu)如圖3所示，芯片與封裝的電氣連接是通過金絲實現(xiàn)，由于金絲熔點較高，在板級回流焊接時金絲不會重熔。

綜合上述試驗結(jié)果和機理研究與分析，由于FCBGA器件封裝體受到空氣潮氣的侵蝕，導(dǎo)致器件在焊接受熱過程中凸點的焊料熔融并向周圍擴散，引起PCB基板與芯片出現(xiàn)分層及倒扣凸點橋連，最終出現(xiàn)電路開路或短路失效故障。

3、改進建議及完善措施

目前有/無鉛器件混合裝配使用在軍用電子產(chǎn)品制造領(lǐng)域仍然較為普遍存在，有鉛和無鉛的熔點相差近40℃，所以混合裝配要得到可靠的焊接質(zhì)量，就不能只關(guān)注焊接環(huán)節(jié)，而應(yīng)在裝配前、中及后端加強整個過程控制。針對該類型FCBGA器件封裝結(jié)構(gòu)特殊性，為確保FCBGA器件使用可靠性，避免出現(xiàn)類似上述故障，提出以下的建議及改善措施。

3.1存儲與包裝

對于FCBGA類型的非氣密性器件，建議使用防靜電袋真空包裝，包裝袋內(nèi)加入干燥劑和濕度指示卡，器件非使用時，請勿拆開封裝。如使用時未領(lǐng)取完，需對未領(lǐng)取的器件拆包后1h內(nèi)重新采用防靜電袋、加干燥劑進行真空包裝。

3.2烘烤

依據(jù)IPC/JEDEC標準《J-STD-033B：SMD溫濕度敏感元件作業(yè)、運輸、儲存、包裝標準》，F(xiàn)CGBA封裝器件焊接前需在125℃下烘烤至少24h。烘烤后立即使用，停留時間不應(yīng)超過1h，否則應(yīng)存放在充氮氣N2的干燥箱中，干燥箱要求環(huán)境溫度25±5℃、濕度<10%RH。

3.3焊接

PCB印刷錫膏建議采用Sn63-Pb37焊料，考慮到回流條件控制存在一定波動、并為了BGA球與PCB板充分焊接，建議參照圖4所示回流焊接曲線進行焊接，其中峰值溫度為220℃±5℃。

參考文獻

[1]寧葉香，潘開林，李逆.電子組裝中焊點的失效分析[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2007（09）.

[2]董均海.電子元器件失效分析技術(shù)[J].現(xiàn)代情報，2006（04）.