封装应力引起的器件特性变动

1、封装应力引起的器件特性变动东北大学三浦英生 半导体封装器件和模组生产完成后，将会发生由组成材料的线膨胀系数差异所 引起的、作用于硅芯片上的热应力。在此热应力的作用下，一些封装前后的半 导体封装器件的性能将会发生大的变化。应力引起的封装器件特性的变化 半导体器件的基本特性是由半导体结晶的能带隙（ Bandgap）所决定 的。该能带隙与构成结晶格子的原子排列顺序的规则性相关， 结晶构 造受外力等的作用就会发生变形（歪斜），这时的能带隙构造也就将 发生变化。因此， 象电阻和晶体管等的电子特性将产生变化。具体的 来说就是半导体内部支配电气传送的电子和空穴的密度在变化， 各种 的有效质量和位移度发生了变

2、化，结果如图 1（a）（b）所示的那样， 电阻的电阻率和晶体管的特性产生了明显的改变。 表示电阻的电阻率偏斜依存性的常数称作 Piezo（压电）电阻系数， 这与构成电阻的不纯物元素及其浓度和温度有关， 变化复杂。 硅芯片 应力和电阻的电阻率的变化率关系可以由以下的 TENSOLE 矩阵方 程式表示出来。这里， ii （i=x ，y，z）是三轴方向正交点的垂直应力， ij （i ， j= x，y，z）是各平面内的专断应力。行列系数 kl（k，l=1 6）是 Piezo（压电）电阻系数。典型值是 10-100 10E-3/MPa。对于后面将 要提到的塑封件，其硅芯片上很容易发生 100MPa 的应

3、力，电阻值的 变化幅度以 %来表示。晶体管的性能同样存在变化较大的场合，其变 化率也存在达到百分之几十的情况。 而且，二极管和晶体管的门槛电 压将发生漂移， 造成工作条件的改变， 且一定电压环境下的电流值将 发生明显变化。所以，针对封装器件的构造设计，对引起这种特性变 动的材料和结构设计的考量是非常重要的。 另一方面， 如果能积极地 善用这种半导体器件特性的偏离相关性的话， 即偏硅技术， 利用硅芯 片的拉偏效果，超越以往的理论界限，实现晶体管的高速功能。 发生在硅芯片上的应力 很多的电子封装器件和模组都采用树脂灌封结构形式， 这些器件都将 受到组装工程和使用环境温度变化的影响， 如图 2 所示

4、，构造内部受 到了热应力的影响。 灌封用树脂的线膨胀系数要比硅芯片大 35倍， 在灌封树脂热固化温度条件下， 存在向硅芯片方向的收缩力， 即形成 压缩应力的作用。我们来简单地计算一下。灌封树脂和硅芯片的线膨胀系数分别是 13ppm/和 3ppm/，假设树脂的固化温度与室温相差 150，所产 生的热（膨胀）差值是（线膨胀系数差）（温度变化）， 10ppm/ 150=1500ppm=0.15%。根据硅芯片的弹性率与结晶方向的异向性， 由结晶方位值得出 130170GPa值的变化。 因此，该热差所产生的热 应力值将是 200MPa。所以，树脂灌封型封装器件内部的硅芯片将很 容易受到 100MPa压缩

5、应力的作用。半导体封装件的构成要素中还存 在金属框架等， 因此硅芯片实际上受到的应力将复杂多变。 也就需要 留意相同温度变化、不同场合下的拉拽应力的发生。 树脂灌封型封装器件的实际封装晶体管性能变化的测试例子由图 3 所示。该实例是搭载内含晶体管放大电路的硅芯片的表面贴装型树脂 灌封器件， 测定其在封装前后的信号放大率的例子。 图中的横轴代表 灌封树脂的机械特性， 是树脂和硅芯片的线膨胀系数之差与树脂的弹 性率相乘的值。树脂灌封后的电路特性降低用 %表示出。另外我们知 道，不同的金属框架材质，其变化率也不一样。在本测试例中，使用 铁-镍合金金属框架制品要比使用铜合金金属框架制品的变化率小约 3

6、0%。这是因为铁 - 镍金属框架的线膨胀系数比铜金属框架要小， 作用 在硅芯片上的压缩应力相对的也就小了。 因此，即使产品的构造相同， 如果所使用的材料发生了改变， 则内部搭载的各种器件的特性变动量 就会发生变化，此点需要注意。到目前为止，讲述的都是平均的特性变动，但通过图 2 可以看出，实 际的半导体封装器件内硅芯片的应力分布是复杂的， 其特性变动值随 晶体管和电阻的配置位置变化而变化。 因此，决定敏感性偏离倾向高 的器件配置场所（硅芯片内的电路布线） 也是很重要的设计项目领域。 局部应力导致的元器件性能的变化 未来的封装形态是考虑先在硅芯片表面装配二维微细金属凸块， 然后 再以倒装芯片的形

7、式搭载到金属框架和线路基板上。 对于这类封装构 造，为达到增强金属凸块的连接可靠性目的， 采用在金属凸块周围涂 覆绝缘性树脂的结构。 金属凸块处的绝缘性树脂的线膨胀系数普遍都 存在差异，导致垂直方向的热变形性差，如图 4 所示，硅芯片越薄， 芯片的局部地方会发生厚度方向上的变形。 很明显在这样的局部变形 下，将导致（晶轴）偏离和应力的发生，也出现过局部应力分布的变动幅度达到 100MPa 的情况。在这种情况下，与封装构造相关的半导体元器件的性能，将存在因硅芯片内部复杂的（应力）分布而出 现隐忧。这种硅芯片发生的非平面变形（程度）与硅芯片的弯曲刚性的大小有关，特别对于厚度小于 100um 的芯片

8、，将变得显着。因此， 对于立体式封装等倒装芯片构造的薄型化硅芯片封装的场合， 封装材 料的材质选择、如何克服元器件的性能变动， 是非常重要的设计项目。再者，半导体元器件性能局部变动的原因是来自灌封树脂内添加 的填料形状和分布情况造成的。为控制树脂的线膨胀系数和弹性率， 一般情况下，在树脂中添加了约 70%体积量的石英粉，如图 5 所示。 石英粉的现状包括简单粉碎的角形和熔融过的球形两种。 这种填料在 硅芯片的表面将会形成局部的应力集中区。 树脂收缩力的作用已详细 阐述过，如图中所示，角型填料的尖锐部刚好落在硅芯片的正上方， 球形填料中大直径填料的正下方刚好夹带小型填料， 在这类构造的下 部将形

9、成应力集中区域。 这样的形态是偶然发生的， 所发生的频度和 位置是不可能定量掌握到的。 但这确实因此出现不少局部构造下的元 器件性能发生显着变化的事例报告，必须十分注意。通常情况下，硅 芯片表面由聚酰亚胺等高分子膜保护着，这样可以缓和应力集中区， 而对于没有保护膜的薄芯片场合必须注意。 半导体封装器件内部所产生的热应力是不可能完全为零的， 所以半导 体器件不可避免将产生性能变动。但是，不同的产品其（性能）变动 的容差值不一样， 热应力的发生并不一定就造成可靠性上的问题。 虽 然电阻和晶体管等所有的元器件都将发生性能变动的情况， 其是否会 影响到最终的电子电路的特性还需取决于电路的构成。 例如，模拟电 路元器件的各项关键性能的变动直接影响电路输出的可能性很高， 但 对于数字电路，只要没有影响到门限值（阀值），就完全不会造成电 路输出的变化，出现这类情况并不觉得奇怪。因此，设计者