封装失效的分类

2021年1月8日

在封装组装阶段或者器件使用阶段,都会发生封装失效。根据中国电子展小编的了解,特别是当封装微电子器件组装到印刷电路板上时更容易发生,该阶段器件需要承受高的回流温度,会导致塑封料界面分层或者破裂。

 

 

1 分层

 

分层是指塑封材料在粘接界面处与相邻的材料分离。可能导致分层的外部载荷和应力包括水汽、湿气、温度以及它们的共同作用。在组装阶段常常发生的一类分层被称为水汽诱导(或蒸汽诱导)分层,其失效机理主要是相对高温下的水汽压力。在封装器件被组装到印刷电路板上的时候,为使焊料融化温度需要达到220℃甚至更高,这远高于模塑料的玻璃化转变温度(约110~200℃)。

 

在回流高温下,塑封料与金属界面之间存在的水汽蒸发形成水蒸气,产生的蒸汽压与材料间热失配、吸湿膨胀引起的应力等因素共同作用,会导致界面粘接不牢或分层,甚至导致封装体的破裂。无铅焊料相比传统铅基焊料,其回流温度更高,更容易发生分层问题。吸湿膨胀系数(CHE),又称湿气膨胀系数(CME)湿气扩散到封装界面的失效机理是水汽和湿气引起分层的重要因素。湿气可通过封装体扩散,或者沿着引线框架和模塑料的界面扩散。研究发现,当模塑料和引线框架界面之间具有良好粘接时,湿气主要通过塑封体进入封装内部。

 

但是,当这个粘结界面因封装工艺不良(如键合温度引起的氧化、应力释放不充分引起的引线框架翘曲或者过度修剪和形式应力等)而退化时,在封装轮廓上会形成分层和微裂缝,并且湿气或者水汽将易于沿这一路径扩散。更糟糕的是,湿气会导致环氧黏结剂的水合作用,从而弱化和降低界面的化学键合。表面清洁是实现良好粘结的关键要求。表面氧化常常导致分层的发生,如铜合金引线框架暴露在高温下就常常导致分层。氮气或其他合成气体的存在,有利于避免氧化。模塑料中的润滑剂和附着力促进剂会促进分层。润滑剂可以帮助模塑料与模具型腔分离,但会增加界面分层的风险。

 

另一方面,附着力促进剂可以确保模塑料和芯片界面之间的良好粘结,但却难以从模具型腔内清除。分层不仅为水汽扩散提供了路径,也是树脂裂缝的源头。分层界面是裂缝萌生的位置,当承受交大外部载荷的时候,裂缝会通过树脂扩展。研究表明,发生在芯片底座地面和树脂之间的分层比较容易引起树脂裂缝,其它位置出现的界面分层对树脂裂缝的影响较小。

 

 

2 气相诱导裂缝(爆米花现象)

 

水汽诱导分层进一步发展会导致气相诱导裂缝。当封装体内水汽通过裂缝逃逸时会产生爆裂声,和爆米花的声音非常像,因此又被称为爆米花现象。裂缝常常从芯片底座向塑封底面扩展。

 

在焊接后的电路板中,外观检查难以发现这些裂缝。QFP和TQFP等大而薄的塑封形式比较容易产生爆米花现象;此外也容易发生在芯片底座面积与器件面积之比较大、芯片底座面积与较小塑封料厚度之比较大的的器件中。爆米花现象可能会伴随其他问题,包括键合球从键合盘上断裂以及键合球下面的硅凹坑等。塑封器件内的裂缝通常起源于引线框架上的应力集中区(如边缘和毛边),并且在较薄塑封区域内扩展。毛边是引线框架表面在冲压工艺中产生的小尺寸变形,改变冲压方向使毛边位于引线框架顶部,或者刻蚀引线框架(模压)都可以减少裂缝。减少塑封器件内的湿气是降低爆米花现象的关键。

 

常采用高温烘烤的方法减少塑封器件内的湿气。前人研究发现,封装内允许的安全湿气含量约为1100×10^-6(0.11 wt.%)。在125℃下烘烤24h,可以充分去除封装内吸收的湿气。

 

3 脆性断裂

 

脆性断裂经常发生在低屈服强度和非弹性材料中(如硅芯片)。到材料受到过应力作用时,突然的、灾难性的裂缝扩展会起源于如空洞、夹杂物或不连续等微小缺陷。

 

4 韧性断裂

 

塑封材料容易发生脆性和韧性两种断裂模式,主要取决于环境和材料因素,包括温度、聚合树脂的黏塑特性和填充载荷。即使在含有脆性硅填料的高加载塑封材料中,因聚合树脂的黏塑特性,仍然可能发生韧性断裂。

 

 

5 疲劳断裂

 

塑封料遭受到高强度范围内的周期性应力作用时,会因累积的疲劳断裂而断裂。施加到塑封材料上的湿、热、机械或综合载荷,都会产生循环应力。疲劳失效是一种磨损失效机理,裂缝一般会在间断点或缺陷位置萌生。

 

疲劳断裂机理包括三个阶段:裂纹萌生(阶段Ⅰ);稳定的裂缝扩展(阶段Ⅱ);突发的、不确定的、灾难性失效(阶段Ⅲ)。在周期性应力下,阶段Ⅱ的疲劳裂缝扩展指的是裂缝长度的稳定增长。塑封材料的裂纹扩展速率要远高于金属材料疲劳裂缝扩展的典型值(约3倍)。

 

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来源 :网络