塑封元器件高可靠應(yīng)用中的核心問(wèn)題分析
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網(wǎng)絡(luò)
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瑞凱儀器
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網(wǎng)絡(luò)
發(fā)布日期： 2020.07.01
雖然塑封材料的改進(jìn)已使塑封器件的物理性能和可靠性有了很大的提高，但在應(yīng)用中由于封裝材料本質(zhì)特征，仍存在由于潮氣入侵和溫度性能差而導(dǎo)致的一些可靠性問(wèn)題。
1、溫度適應(yīng)性問(wèn)題
相對(duì)于玻璃和陶瓷，塑封材料屬于低溫材料，其玻璃化轉(zhuǎn)換溫度為130℃～160℃，一般的商用塑封器件主要滿(mǎn)足以下3個(gè)溫度范圍的要求:0C～70C(商業(yè)溫度)、-40℃ ～ 85℃(工業(yè)溫度)和-40℃～125℃(汽車(chē)溫度)。但是，這些范圍比軍用溫度范圍-55℃ ～ 125℃要窄。由于芯片、引線(xiàn)框架、樹(shù)脂各自的熱膨脹系數(shù)不同，樹(shù)脂模注后產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，這種內(nèi)應(yīng)力成為循環(huán)變化的應(yīng)力。在這種應(yīng)力作用下，襯底之下或引線(xiàn)之間的區(qū)域容易產(chǎn)生裂紋，此外連接芯片和引線(xiàn)的鍵合絲也會(huì)因溫度循環(huán)而周期性變形，從而造成疲勞損傷。
2、潮氣入侵問(wèn)題
由于塑封材料具有固有的吸濕性以及環(huán)氧成型材料的吸附性，塑封器件會(huì)產(chǎn)生很多可靠性問(wèn)題。潮氣的入侵會(huì)由于離子沾污而導(dǎo)致大量的與腐蝕有關(guān)的失效，在潮濕環(huán)境中貯存和使用也會(huì)因水汽浸入而發(fā)生腐蝕，有害物質(zhì)，如鹵素，常伴隨水汽一起侵入，腐蝕會(huì)更加嚴(yán)重。塑封材料吸潮后會(huì)發(fā)生尺寸蠕變，對(duì)芯片、鍵合點(diǎn)和內(nèi)引線(xiàn)產(chǎn)生應(yīng)力。如果在塑封材料吸收了水汽的情況下進(jìn)行焊接，因突然受熱使水汽快速膨脹，會(huì)對(duì)器件造成更嚴(yán)重的損傷，甚至爆裂，這種現(xiàn)象對(duì)小尺寸表面貼裝電路尤為明顯。隨著大封裝尺寸表貼技術(shù)的大量應(yīng)用，濕度引起的封裝損傷(如內(nèi)部分層和再流焊過(guò)程中的開(kāi)裂現(xiàn)象)會(huì)導(dǎo)致一系列的可靠性問(wèn)題，
PEM(塑封微電路)的很多失效機(jī)理，如腐蝕和“爆米花"效應(yīng)都可以歸結(jié)為潮氣入侵。
3、塑封微電路的分層
3.1低溫分層
在高可靠應(yīng)用中，如航空航天環(huán)境，環(huán)境溫度會(huì)達(dá)到-65℃甚至更低，塑封器件在低溫下使用時(shí)，會(huì)發(fā)生塑料外殼分層和開(kāi)裂導(dǎo)致的器件失效。在從室溫到極端寒冷環(huán)境的熱循環(huán)過(guò)程中，模壓復(fù)合物與基片或引線(xiàn)框之間的熱膨脹系數(shù)(CTE)差異可造成分層和開(kāi)裂。并且，隨著塑料在極端低溫下耐開(kāi)裂強(qiáng)度的下降，開(kāi)裂的可能性也增加了。
3.2“爆米
花”效應(yīng)
塑封器件在焊接期間傳導(dǎo)到器件上的熱有三種來(lái)源:紅外回流焊加熱、氣相回流焊加熱和波峰焊加熱。紅外加熱的峰值溫度是235℃～240℃， 10s;氣相加熱問(wèn)題215℃+5℃，40s;波峰焊加熱溫度260℃+5℃，5s。在器件受熱過(guò)程中，由于管殼中所吸附的水分快速汽化，內(nèi)部水汽壓力過(guò)大，使模制材料(環(huán)氧樹(shù)脂化合物)膨脹，出現(xiàn)分層剝離和開(kāi)裂現(xiàn)象，俗稱(chēng)“爆米花”效應(yīng)。“爆米花”效應(yīng)是已經(jīng)吸潮的塑封器件在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)開(kāi)裂的一種失效模式。由于在再流焊過(guò)程中，塑封器件所處的環(huán)境短時(shí)間溫度升至205℃～250℃，上升梯度較大(1℃/s～
2℃/s)。當(dāng)溫度超過(guò)塑封材料的玻璃化轉(zhuǎn)換溫度(一般130℃～160℃)時(shí)，塑封材料變軟，如果器件內(nèi)部有較多水汽，水汽在短時(shí)間內(nèi)受熱快速膨脹，造成塑封材料爆裂。
3.3分層引起的可靠性問(wèn)題
研究表明，塑封器件的基片一封裝材料界面處的分層會(huì)嚴(yán)重影響PEM的可靠性。它會(huì)因球焊或楔形焊的切斷而引起直接或間歇性電失效，或形成滲透通路和出現(xiàn)集聚水分和離子沾污物的區(qū)域，增加器件腐蝕失效的可能性，從而危及PEM的長(zhǎng)期可靠性。在引線(xiàn)鍵合處的分層可能會(huì)使鍵合界面退化，因?yàn)樵跍囟妊h(huán)過(guò)程中可能會(huì)在球焊處產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，這就會(huì)導(dǎo)致在球焊點(diǎn)下的硅材料破裂。另外，分層可能造成分離的塑料與基片表面產(chǎn)生相對(duì)位移，損壞鈍化層和金屬化層。
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