高端塑封料和失效

1、高端塑封料、封装材料、环氧塑封料简介和塑封IC 常见失效及对策上海常祥实业有限公司结合自己的经验，再结合世界顶级客户的实践，对塑封料做了简单的介绍和在塑封IC的过程中常见的失效现象以及对策做了总结，提出以下看法，供爱好者参考.塑封料，又称环氧塑封料(塑封料，Epoxy Molding Compound )以其高可靠性、低成本、生产工艺简单、适合大规模生产等特点，占据了整个微电子封装材料97 以上的市场。现在，它已经广泛地应用于半导体器件、集成电路、消费电子、汽车、军事、航空等各个封装领域。环氧塑封料作为主要的电子封装材料之一，在电子封装中起着非常重要的作用，封装材料除了保护芯片不受外界灰尘、潮

2、气、离子、辐射、机械冲击外，还起到了机械支撑和散热的功能。随着芯片的设计业、制造业和封装业的发展，环氧塑封料也得到了快速的发展。先进封装技术的快速发展为环氧塑封料的发展提供巨大的发展空间的同时也给环氧塑封料的发展提出了很大的挑战。塑封料专家刘志认为：满足超薄、微型化、高性能化、多功能化，低成本化、以及环保封装的要求，是当前环氧塑封料工艺所面临的首要解决问题。一 塑封料发展状况1 环氧塑封料的发展历程早在 20 世纪中期，塑料封装半导体器件生产的初期，人们曾使用环氧、酸酐固化体系塑封料用于塑封晶体管生产。但是由于玻璃化温度( Tg)偏低、氯离子含量偏高等原因，而未被广泛采用。 1972 年美国

3、Morton 化学公司成功研制出邻甲酚醛环氧酚醛树脂体系塑封料，此后人们一直沿着这个方面不断地研究、改进、 提高和创新，也不断出现很多新产品。1975 年出现了阻燃型环氧塑封料，1977年出现了低水解氯的环氧塑封料，1982 年出现了低应力环氧塑封料，1985 年出现了有机硅改性低应力环氧塑封料，1995 年前后分别出现了低膨胀、超低膨环氧塑封料，低翘曲环氧塑封料等，随后不断出现绿色环保等新型环氧塑封料。2 环氧塑封料的市场应用值得一提的是环保塑封料的市场作用。现在，全球环保意识的提高，更加注重电子零组件的无铅(Lead Free )封装，也称为绿色封装(Green Package )技术研发

4、。欧盟提议至2008 年全面禁止使用电子含铅焊料，日本大厂也多在2004 年至 2006 年，以无铅技术生产产品，两者意图通过限制性法令形成非关税障碍(Non Tariffs Barrier )，达到保护市场的目的。信息电子、半导体企业未来只有符合环保标准、法令，才能在全球高单价市场上，抢占头角，突破全球市场非关税障碍，提高国际竞争力。所以，全球的各大塑封料厂家都在开发环保塑封料上投入了大量的精力，如何研究和开发绿色环保塑封料已经成为全球塑封料产业的焦点问题。目前，绿色封装对塑封料的要求主要有两个方面：一是不含有传统溴 /锑的卤化物阻燃剂，而且要达到UL94 V 0 级标准； 二是要满足无铅焊

5、料工艺的260 高温回流焊考核要求。经过研究人员的探索，寻找不含有传统溴/锑的卤化物阻燃剂的替代品已经不成问题，而且可以满足 UL V 0 的阻燃标准。但是，按照MSL JEDEC 的可靠性考核标准，必须要通过260 的高温回流焊， 在这种考核中往往会出现高温可靠性问题，所以很难通过MSL1 ： 85 /85 /168H IR REFLOW 260 3Times 这种一级考核，甚至MSL2： 85 /60 /168H IR REFLOW260 3Times 考核。应该说这是环保塑封料研究的难点问题，也会影响环保塑封料的市场推广和应用。另外，还有成本问题也将会影响和推迟环保塑封料的市场推广和应用

6、，一般来说，环保塑封料的成本是同类普通产品成本的两倍以上，甚至十几倍，一般客户也很难接受这种高成本材料。因此，如何解决高温可靠性技术问题和降低成本是当前发展和推广环保塑封料的主要研究课题。3 国外国内塑封料厂家情况国外环氧塑封料生产厂家主要集中在美国、日本、韩国、新加坡等国，主要有CNCUN 、住友电木、日东电工、日立化成、松下电工、信越化学、东芝，Hysol 、 Plaskon 、 Cheil、 Samsung 等，此外中国台湾地区也有一些规模可与国外企业相较的大厂，例如台湾长春等厂家。现在，环氧塑封料的主流产品是适用于0.35 gm 0.18 gm特征尺寸集成电路的封装材料，研究水平已经达

7、到 0.1 gm-0.09 gm ,主要用于 SOP、 QFP、 BGA、 CSP 、 MCM 、 SIP 等特别值得一提的是上海常祥实业有限公司上海常祥实业（ ） 不仅有固体塑封料，也有液体塑封料是目前国内惟一一家涵盖固体塑封料和液体塑封料的企业常祥公司的塑封料全部是绿色环保塑封料，并且所有的塑封料都是低应力塑封料，还可以为客户量身定做产品另外，国内还有部分外资环氧塑封料生产厂家，由于他们依靠国外比较成熟的技术和先进的研发手段，以及强大的实力作为后盾，所以他们的产品主要处在中高档水平，主要应用于QFP、 BGA、 CSP 等比较先进的封装形式以及环保封装领域，基本上占据了国内大部分的中高端市

8、场。国内环氧塑封料厂家生产技术还是偏低，能够满足0.35 gm 0.25 gm技术用，开发水平达到 0.13 gm 0.10 gm,主要应用于SIP、DIP、SOP、PQFP、PBGA等形式的封装。国产塑封料产品在封装形式上由 仅能满足DIP、SOP、SOJ、QFP等简单封装形式发展到能够满足 TQFP等封装形式，同时 PBGA、CSP等先进封装形式用塑封料的生产技术正在快速发展。但是，国产塑封料产品在质量稳定性、粘附性、吸潮性、杂质含量、放射粒子量以及电性能、力学性能、耐热性能等方面还需要进一步改善，要完全满足今后高水平的4 国内塑封料的差距环氧塑封料的技术发展呈现下述趋势：1. 为适应超大

9、规模集成电路向着高密度、高I/O 数方向的发展需求，朝着适应高密度、高 I/O数的封装形式（如BGA）方向发展；2.朝着适应于微型化、薄型化、不对称化、低成本化封装形式（CSP/QFN） 方向发展；3.为适应无铅焊料、绿色环保的要求，向着高耐热、无溴阻燃化方向快速发展。随着欧盟WEEE 和 ROHS 法案和其他国家相关环保法案法规的实施，我国环氧塑封料的发展面临三个严峻的挑战：1. 从 QFP/TQFP 等表面贴装形式的塑封料生产技术向适于BGA、 CSP 等先进封装形式的塑封料生产技术跃升；2. 由传统的含溴/含锑塑封料生产技术向无溴/无锑塑封料生产技术的快速转换；3. 从传统适于有铅焊料的

10、组装工艺向适于新型无铅焊料组装工艺的转换。我们必须组织、建立一支高水平的科技攻关和产业化队伍，攻克无溴/无锑塑封料及其配套原材料的制造技术难题，实现产业化。只有这样，才能尽快缩短国产化的进程，使我国环氧塑封料的技术水平与国际先进水平接轨。5 塑封料发展趋势塑封料作为IC 封装业主要支撑材料，它的发展，是紧跟整机与封装技术的发展而发展。整机的发展趋势：轻、小（可携带性）；高速化；增加功能；提高可靠性；降低成本；对环境污染少。封装技术的发展趋势：封装外形上向小、薄、轻、高密度方向发展；规模上由单芯片向多芯片发展；结构上由两维向三维组装发展；封装材料由陶封向塑封发展；价格上成本呈下降趋势。随着高新技

11、术日新月异不断发展对半导体应用技术不断促进，所以对其环氧封装材料提出了更加苛刻的要求，今后环氧塑封料主要向以下五个方面发展：（ 1 ） 向适宜表面封装的高性化和低价格化方向发展。为了满足塑封料高性化和低价格，适宜这种要求的新型环氧树脂不断出现，结晶性树脂，因分子量低，熔融粘度低，但熔点高具有优良的操作性，适用于高流动性的封装材料。目前已经有的结晶性环氧树脂，为了得到适用于封装材料的熔点范围，多数接枝了柔软的分子链段，但是成型性和耐热性难以满足封装材料的要求，所以必须开发新的结晶性的环氧树脂。（ 2 ）向适宜倒装型的封装材料方向发展。最近随着电子工业的发展，作为提高高密度安装方法，即所谓裸管芯安

12、装引起人们的高度重视。在裸管芯倒装法安装中，为了保护芯片防止外界环境的污染，利用液体封装材料。在液体封装料中，要求对芯片和基板间隙的浸润和充填，因这种浸润和充填最终是通过毛细管原理进行的，因此要求树脂具有非常高的流动性，同时无机填充率要降低。但液体封装料与芯片之间的应力会增大，因此要求塑封料必须具有低的线膨胀系数，现在国外采用具有萘环结构的新型环氧树脂制备塑封料。（3） BGA、CSP等新型封装方式要求开发新型材料。裸管芯安装方法，虽然是实现高密度化封装的理想方法，但目前仍有一些问题，如安装装置和芯片质量保证等，出现了一种新的封装方式即BGA或CSP,这是一种格子接头方式的封装，不仅可以实现小

13、型化、轻量化而且可达到高速传递化，目前这种封装形式正处于快速增长期。但这种工艺成型后在冷却工艺出现翘曲现象，这是因为基板与封装材料收缩率不同引起的。克服方法是尽量使封装料与基板线膨胀系数接近，从封装材料和基板粘合剂两方面均需开发新型塑封料的同时提高保护膜与材料的密着性。( 4 )高散热性的塑封料。随着电子仪器的发展，封装材料散热性的课题已提出，因为塑封料基体材料环氧树脂属于有机高分子材料，基于分子结构的不同，热传导性的改善受到局限，因此从引线框架的金属材料着手，采用42# 铜合金，因为有比较高的热传导率，铜合金引线框架表面有一层氧化膜，因此要求塑封料与之有良好的粘接密着性。国外有些厂家正在研究

14、开发，通过引入链段，提高范德瓦尔引力，以提高塑封料与铜框架的引力。( 5 )绿色环保型塑封料：随着全球环保呼声日益高涨，绿色环保封装是市场发展的要求，上海常祥实业( )采用不含阻燃剂的环氧树脂体系或更高填充量不含阻燃剂的绿色环保塑封料已经全面上市。也有一些国外公司正在试用含磷化合物, 包括红磷和瞵。总之，随着集成电路向高超大规模、超高速、高密度、大功率、高精度、多功能方向的迅速发展及电子封装技术由通孔插装(PHT)向表面贴装技术发展，封装形式由双列直插(DIP)向(薄型)四边引线扁平封装(TQFP/QFP)和球栅阵列塑装(PBGA)以及芯片尺寸封装(CSP)方向发展，塑封料专家刘志认为：塑 封

15、料的发展方向正在朝着无后固化、高纯度、高可靠性、高导热、高耐焊性、高耐湿性、高粘接强度、低 应力、低膨胀、低粘度、易加工、低环境污染等方向发展。二 塑封 IC 常见失效及对策电子器件的失效可分为早期失效和使用期失效，前者多是由设计或工艺失误造成的质量缺陷所致，可以通过常规电参数检验和筛选进行检测，后者则是由器件中的潜在缺陷引起的，潜在缺陷的行为与时间和应力有关，经验表明，潮汽吸附、腐蚀和热机械应力、电过应力、静电放电等产生的失效占主导地位。1 塑封 IC 常见失效塑封 IC 是指以塑料等树脂类聚合物材料封装的集成电路。由于树脂类材料具有吸附水汽的特性，故限制了其在航天、航空等领域的应用。其常见

16、的失效有：(1) 芯片破裂；(2) 管芯钝化层损伤；(3) 管芯金属化腐蚀；(4) 金属化变形；(5) 键合金丝弯曲；(6) 金丝键合焊盘凹陷；(7) 键合线损伤；(8) 键合线断裂和脱落；(9) 键合引线和焊盘腐蚀；(10) 引线框架腐蚀；(11) 引线框架的低粘附性及脱层(12) 包封料破裂；(13) 包封材料疲劳裂缝；(14) 封装爆裂( “爆米花 ” )(15) 电学过载和静电放电；(16) 焊接点疲劳。(17) 塑封 IC 失效分析中的理化分析方法理化分析是搞清失效机理的最先进的分析方法，以下简要介绍一些理化分析方法的基本原理及其在失效分析中的应用。(18) 1 扫描电子显微镜扫描电

17、子显微镜是运用电子束在样品上逐点扫描，引起二次电子发射，再将这些二次电子等信息转换成随试样表面形貌、材料等因素而变化的放大了的信息图像。它与光学显微镜等相比，具有聚焦景深长、视野大、不破坏样品，并富有立体感，分辨率高，能观察lOnm 以下的细节，放大倍数可以方便地在20-10 万倍连续变化等优点，是目前最有效的一种失效分析工具。(19) 2 电子微探针电子微探针是利用细电子束作为X射线的激发源，打在要分析的样品表面（穿透深度一般约1-3" m）,激发产生出与被打击的微小区域内所包含元素的特征X 射线谱，通过对特征X 射线波长和强度的分析，来判断样品的成分和数量情况，对硅中缺陷、pn

18、结区重金属杂质沉淀，半导体材料微区域杂质及扩散层剖面杂质等进行分析，以确定潜在的失效模式。(20) 3 离子微探针离子微探针是用一次电子束轰击试样，产生二次离子，然后按荷质比进行分离，从而分析出试样的成分，其取样的深度一般只有5-20 原子层，可用来测定表面污染、表面吸附以及对氧化、扩散薄层、涂层等表面的分析。(21) 4 俄歇电子能谱仪俄歇电子能谱仪的基本原理，是用低能电子束（1000eV 以下）轰击被分析的靶材料，使其释放出具有不同能量的二次电子，通过能量分析器对其进行能量分析，测出其能量分布，得到一系列的能谱，其中有些峰就是俄歇电子峰，与光谱分析相似，根据俄歇电子峰可以决定出某些元素的存

19、在，由峰的强度可以测出该元素的含量。俄歇电子具有表面探针的作用，它可以用来分析表面，如表面组分、表面生长过程、合金接触质量、键合质量以及其它与表面有关的现象，其深度可深至10Mm左右的表面层。(22) 5 红外热分析红外热分析可运用红外显微镜、红外扫描显微镜等，它的基本原理，是当器件加上电源后，芯片上将有一定温度，产生相应的红外辐射，通过相应的红外接收系统，可将芯片上的反常热点显示出来，发现不合理的设计及材料和工艺中的缺陷，如反偏pn 结上的发光点、针孔、尖端扩散及铝膜台阶处的局部发热等。(23) 塑封 IC 失效分析基本步骤(24) 1 保存物理证据在生产过程中，回流焊返工或替换有问题的元器

20、件是可以接受的，但在失效分析中，让已暴露出来的问题清楚显现，最为重要。失效分析最禁忌的是替换或修理问题点，这样会损坏物理证据。对失效分析样品，应温、湿度受控，并避免振动及静电等外力作用，在原因未得到确认前，应避免对失效样品进行通电。(25) 2 物理分析初步电参数测试，观察失效器件哪些参数与正常器件参数不符合。外观及密封性检查。开帽镜检，开帽时，注意不要损坏管芯和引入新的失效因素，用30-60 倍显微镜检查机械缺陷、内引线、芯片位置、铝条好坏等，用400-1000 倍的金相显微镜观察光刻、铝引线、氧化层缺陷、芯片裂纹等，并对结果照相。进一步测试电参数，必要时可划断铝条用探针测试管芯，检查电路的

21、有源和无源元件性能是否正常。除去铝膜再对管芯进行测试，观察性能变化，并检查二氧化硅层的厚度与存在的针孔等。除去Si02 用探针测试管芯，分析表面是否有沟道，失效是否由表面效应引起。(26) 3 根本失效原因确定塑封IC 失效的原因有：设计缺陷、原材料品质不良、制程问题、运输中静电击穿或存储环境中水汽吸附、使用时的过应力等。应征对失效分析样品，确定导致失效的根本原因。工艺问题在塑封IC 中占失效比例最大，问题主要集中在后工序上，如某塑封电路，由于器件塑封材料与金属框架和芯片间发生分层效应（ 俗称“爆米花 ”效应），而拉断键合丝，从而发生开路失效。经分析，其主要原因是塑封料中的水分在高温下迅速膨胀

22、使塑封料与其附着的其他材料间发生分离。(27) 4 纠正措施及验证在查明失效原因的基础上，通过分析、计算和必要的试验验证，提出纠正措施，经评审通过后付诸实施，跟踪验证纠正措施的有效性，并按技术状态控制要求或图样管理制度对设计或工艺文件进行更改。(28) 提高塑封IC 可靠性的措施在规定时间内或整个有用寿命期内，产品在规定的条件下完成规定功能的概率，即可靠性。其取决于固有设计、制造过程、工作条件（ 确定产品如何被使用、维修及修理） 。以下从三方面介绍提高塑封IC 可靠性的措施：(29) 1 设计的可靠性产品应设计成能运用于它使用的环境，而且应当对设计有充分了解。应当最优先考虑表示环境的特性。它取

23、决于用户的类型以及产品的工作周期。可以通过试验或分析来验证是否已达到了可靠性的目标，通过试验，产品的设计可以得到证实。试验可以暴露出未想到的设计的薄弱环节或不令人满意的性能，作为研制工具，应向工程师反馈他们所需要的信息，以便工程师们改进设计、修正分析。在塑封IC设计时，为提高可靠性，将零件最大允许应力限制到低于其最大额定应力值的某一规定值。并在产品中要考虑热量的产生和扩散，避免出现由温度造成的可靠性问题。(30) 2 工艺及材料控制在塑封 IC 整个生产过程，应加大工艺控制，其主要措施有：（1） 减少封装体内水汽含量，避免分层效应封装体内的实际水汽含量是由密封材料、封装体本身、密封环境释放的水和通过密封处漏人的水汽组成的。为防止水汽侵入，良好的钝化覆盖层（使