半导体封装芯片粘接前等离子处理 增强封装可靠性

封装缺陷的分类

封装缺陷主要包括引线变形、底座偏移、翘曲、芯片破裂、分层、空洞、不均匀封装、毛边、外来颗粒和不完全固化等。

引线变形

引线变形通常指塑封料流动过程中引起的引线位移或者变形,通常采用引线最大横向位移x与引线长度L之间的比值x/L来表示。引线弯曲可能会导致电器短路(特别是在高密度I/O器件封装中)。有时,弯曲产生的应力会导致键合点开裂或键合强度下降。

影响引线键合的因素包括封装设计、引线布局、引线材料与尺寸、模塑料属性、引线键合工艺和封装工艺等。影响引线弯曲的引线参数包括引线直径、引线长度、引线断裂载荷和引线密度等等。

底座偏移

底座偏移指的是支撑芯片的载体(芯片底座)出现变形和偏移。

塑封料导致的底座偏移,上下层模塑腔体内不均匀的塑封料流动会导致底座偏移。

影响底座偏移的因素包括塑封料的流动性、引线框架的组装设计以及塑封料和引线框架的材料属性。薄型小尺寸封装(TSOP)和薄型方形扁平封装(TQFP)等封装器件由于引线框架较薄,容易发生底座偏移和引脚变形。

翘曲

翘曲是指封装器件在平面外的弯曲和变形。因塑封工艺而引起的翘曲会导致如分层和芯片开裂等一系列的可靠性问题。 翘曲也会导致一系列的制造问题,如在塑封球栅阵列(PBGA)器件中,翘曲会导致焊料球共面性差,使器件在组装到印刷电路板的回流焊过程中发生贴装问题。

导致翘曲的原因主要包括CTE失配和固化/压缩收缩。后者一开始并没有受到太多的关注,深入研究发现,模塑料的化学收缩在IC器件的翘曲中也扮演着重要角色,尤其是在芯片上下两侧厚度不同的封装器件上。在固化和后固化的过程中,塑封料在高固化温度下将发生化学收缩,被称为“热化学收缩”。通过提高玻璃化转变温度和降低Tg附近的热膨胀系数变化,可以减小固化过程中发生的化学收缩。

导致翘曲的因素还包括诸如塑封料成分、模塑料湿气、封装的几何结构等等。通过对塑封材料和成分、工艺参数、封装结构和封装前环境的把控,可以将封装翘曲降低到最小。在某些情况下,可以通过封装电子组件的背面来进行翘曲的补偿。例如,大陶瓷电路板或多层板的外部连接位于同一侧,对他们进行背面封装可以减小翘曲。

芯片破裂

封装工艺中产生的应力会导致芯片破裂。封装工艺通常会加重前道组装工艺中形成的微裂缝。晶圆或芯片减薄、背面研磨以及芯片粘结都是可能导致芯片裂缝萌生的步骤。

破裂的、机械失效的芯片不一定会发生电气失效。芯片破裂是否会导致器件的瞬间电气失效还取决于裂缝的生长路径。例如,若裂缝出现在芯片的背面,可能不会影响到任何敏感结构。

因为硅晶圆比较薄且脆,晶圆级封装更容易发生芯片破裂。因此,必须严格控制转移成型工艺中的夹持压力和成型转换压力等工艺参数,以防止芯片破裂。3D堆叠封装中因叠层工艺而容易出现芯片破裂。在3D封装中影响芯片破裂的设计因素包括芯片叠层结构、基板厚度、模塑体积和模套厚度等。

分层

分层或粘结不牢指的是在塑封料和其相邻材料界面之间的分离。分层位置可能发生在塑封微电子器件中的任何区域;同时也可能发生在封装工艺、后封装制造阶段或者器件使用阶段。

封装工艺导致的不良粘接界面是引起分层的主要因素。界面空洞、封装时的表面污染和固化不完全都会导致粘接不良。其他影响因素还包括固化和冷却时收缩应力与翘曲。在冷却过程中,塑封料和相邻材料之间的CTE不匹配也会导致热-机械应力,从而导致分层。

空洞

封装工艺中,气泡嵌入环氧材料中形成了空洞,空洞可以发生在封装工艺过程中的任意阶段,包括转移成型、填充、灌封和塑封料至于空气环境下的印刷。通过最小化空气量,如排空或者抽真空,可以减少空洞。有报道采用的真空压力范围为1~300Torr(一个大气压为760Torr)。

填模仿真分析认为,是底部熔体前沿与芯片接触,导致了流动性受到阻碍。部分熔体前沿向上流动并通过芯片外围的大开口区域填充半模顶部。新形成的熔体前沿和吸附的熔体前沿进入半模顶部区域,从而形成起泡。

不均匀封装

非均匀的塑封体厚度会导致翘曲和分层。传统的封装技术,诸如转移成型、压力成型和灌注封装技术等,不易产生厚度不均匀的封装缺陷。晶圆级封装因其工艺特点,而特别容易导致不均匀的塑封厚度。

为了确保获得均匀的塑封层厚度,应固定晶圆载体使其倾斜度最小以便于刮刀安装。此外,需要进行刮刀位置控制以确保刮刀压力稳定,从而得到均匀的塑封层厚度。

在硬化前,当填充粒子在塑封料中的局部区域聚集并形成不均匀分布时,会导致不同质或不均匀的材料组成。塑封料的不充分混合将会导致封装灌封过程中不同质现象的发生。

毛边

毛边是指在塑封成型工艺中通过分型线并沉积在器件引脚上的模塑料。

夹持压力不足是产生毛边的主要原因。如果引脚上的模料残留没有及时清除,将导致组装阶段产生各种问题。例如,在下一个封装阶段中键合或者黏附不充分。树脂泄漏是较稀疏的毛边形式。

外来颗粒

在封装工艺中,封装材料若暴露在污染的环境、设备或者材料中,外来粒子就会在封装中扩散并聚集在封装内的金属部位上(如IC芯片和引线键合点),从而导致腐蚀和其他的后续可靠性问题。

不完全固化

固化时间不足或者固化温度偏低都会导致不完全固化。另外,在两种封装料的灌注中,混合比例的轻微偏移都将导致不完全固化。为了最大化实现封装材料的特性,必须确保封装材料完全固化。在很多封装方法中,允许采用后固化的方法确保封装材料的完全固化。而且要注意保证封装料比例的精确配比。

封装失效的分类

在封装组装阶段或者器件使用阶段,都会发生封装失效。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。

分层

如上一节所述,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,最终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,湿气会导致极性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(如上一篇中所提到的例子),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最容易引起树脂裂缝,其它位置出现的界面分层对树脂裂缝的影响较小。

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