《电子封装、微机电与微系统》课件第5章

第五章封装可靠性5.1可靠性概念5.2封装失效机理5.3电迁移5.4失效分析的简单流程5.5焊点的可靠性5.6水气失效5.7加速试验

5.1可 靠 性 概 念

可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。可靠性在现代电子产品中的地位已与产品的技术指标相提并论。如何保证和提高各种电子产品的可靠性，已成为国内外电子制造产业界的共同目标。电子封装的可靠性则是保证电子产品满足整体可靠性的关键部分。

5.2封装失效机理

1.机械方面

由于冲击、振动(如汽车发动机、火炮外壳在发射时引信受到的力)等机械运动引起填充料颗粒在硅芯片上产生的应力，导致对材料和结构产生相应的弹性形变、塑性形变、弯曲(buckle)、脆性或柔性断裂(fracture)、界面分层、疲劳裂缝及增殖、蠕变(creep)及蠕变开裂等，从而影响电子产品的可靠性。

2.热学方面

由于芯片粘接剂固化时的放热或者引线键合前的预加热、成型、后固化以及邻近元器件的重新加工(rework)、浸锡、波峰焊、回流焊等产生的热负荷都会导致材料热膨胀，材料之间的CTE(热膨胀系数)失配，引起局部应力，从而使电子产品失效。图5-1所示为温度与失效率之间的关系。图5-1温度与失效率之间的关系

3.电学方面

突然的电冲击(如汽车发动时的点火)、电压不稳和电传输过程中突然的振荡(如接地不良)，引起电流过冲，从而形成电击穿、电压表面击穿、电能损耗，导致电锈蚀、漏电流、电迁移等。

4.辐射方面

封装材料中微量的放射性元素(如铀、钍等放射性元素)会引起粒子辐射，导致器件(尤其是存储器)性能下降，影响可靠性。

5.化学方面

由于潮湿环境造成的潮气进入电子器件内部，引起锈蚀、氧化、离子表面生长等，从而影响电子产品封装可靠性。进入塑封材料中的潮气将封装材料中的催化剂等其它添加剂中的离子萃取出来，生成副产品，浸入芯片的金属焊盘上、半导体结构上、材料的界面里，导致电子产品失效。

6.特殊失效

较大机械应力会对双极型器件中的小信号电流增益和MOS器件导通产生影响。这类问题可从封装设计、材料选择和工艺过程合理分配热应力，减小由于应力诱导引起的器件参数的变化。

5.3电迁移

电迁移是固体中发生输运的现象之一。在半导体器件和IC中，电迁移是主要的失效机理之一。图5-2所示为高电流密度下的短导线中的电迁移现象示意图。一根很短的铝线在发生电迁移后，可以看到在引线阴极一端形成一个大空洞，而在阳极端则出现堆积。图5-2短导线电迁移现象

5.4失效分析的简单流程

失效分析的简单流程如图5-3所示。图5-3失效分析的简单流程

1.失效模式验证

失效模式的验证是否重现在分析中非常重要。如果失效分析工程师看到的失效模式与顾客看到的不一样，那么接下来的失效分析就没有意义了。因为失效分析所分析的对象并不是顾客感兴趣的东西。

2.失效位置和失效机理假设

基于产品的电路知识、制造工艺和历史数据，假设可能的失效位置和失效机理，并在此基础上设计失效分析流程。该步骤将直接影响失效分析的成功率和耗时长短。

3.失效点逻辑物理定位

失效点逻辑物理定位即通过使用电性能测试仪，找到失效的逻辑点，获得相应的逻辑位置。并且利用失效物理定位仪找到电子器件表面上的物理点。

分析失效逻辑点和物理点是否吻合是决定失效分析是否成功的关键。若不一致，我们应重新寻找失效的逻辑点和物理点，直到吻合为止。

4.制备样品

在做失效物理定位时，首先需要进行合格电子样品的制备工作，使样品处于工作状态。然后利用失效物理定位仪寻找失效的物理点。

5.物理失效分析

失效点物理位置明确后，打开电子器件内部，利用物理失效分析仪找到失效的物理点，获取失效形貌或失效物质。只有找到失效的物理点，整个失效分析才完成。

6.失效改进措施

利用分析得到的数据，结合产品的电路知识、制造工艺和历史数据，分析失效机理，提出避免失效的措施和建议。

7.撰写失效分析报告

撰写失效分析报告，反馈给顾客，并存档。失效分析报告是一个很好的培训教材，有助于了解产品的研发过程，及时掌握电子产品生产过程中的薄弱环节。

5.5焊点的可靠性

1)新型基板材料

一般通过研究热膨胀系数相匹配的电子封装新型基板材料来降低焊点在服役条件下的应力应变，从而提高焊点的可靠性。新型基板材料的工艺复杂，价格相对昂贵，其实用性受到限制。

2)基础理论和测试技术

焊点热循环可靠性的基础理论和测试技术具体包括热循环寿命预测、钎料热循环条件下的失效机制、焊点可靠性的加速试验等。

3)钎料合金

钎料合金内容包括开发高可靠性的钎料合金、构造钎料的力学本构方程等。

4) SnPb焊点应力应变

在热循环过程中，SnPb焊点失效是由于焊点周期性的应力应变所致的，SnPb焊点的应力应变分析是焊点可靠性预测的基础。由于在电子封装中，SnPb焊点细小，应力应变过程复杂，因此焊点应力应变的实验测量通常十分困难。

5) SnPb焊点结构优化

SnPb焊点的几何结构是影响焊点机械性能和热循环可靠性的重要因素。改善焊点形态是提高焊点可靠性的有效途径。目前，已有多种方法来模拟多种封装形式(TQFP、PLCC、球栅阵列BGA、倒装焊)的SnPb焊点形态，并且对有关焊点缺陷的形成也有研究，如基于最小能量原理的SurfaceEvolver方法。图5-4焊点在无高低温时的应力应变曲线图5-5焊点在高低温时的应力应变曲线

5.6水气失效

塑料封装具有价格低廉、重量较轻、绝缘性能好、抗冲击性强等优点，因此在消费电子领域得以广泛应用。除了塑封材料以外，还有其它环氧材料，如倒装焊器件(FlipChip)和球栅阵列中的底充胶材料(Underfill)等。

5.7加速试验

1.表面安装器件的预处理

表面安装器件(SMD)的发展导致了有关封装开裂和分层方面的质量和可靠性问题。空气中的潮气会通过扩散进入到渗透性封装材料中，并聚集在非相似材料结合面上。预处理包括SMD焊接到印刷电路板上，封装体暴露在200℃以上的高温中。在再流焊过程中，潮气的膨胀和材料的失配将导致封装内关键结合面的开裂和分层。

2.偏压寿命试验

偏压寿命试验的目的是确定偏压条件和温度在较长的时间内对电子器件的影响。当超过参数极限或在标称之外和最差条件下，电子器件不能完成其功能时，器件视为失效。

3.温度循环试验

温度循环试验用于测试电子器件在一定时间内对极端温度的耐久性。温度通常在停留一段时间后，以恒定斜率在某平均值上下变化。温度循环试验把电子器件暴露在机械应力下，对有关芯片与封装材料之间热膨胀系数差异的失效模式进行加速。不同温度的停留时间对实验结果很重要，因为温度停留时间关系到应力减轻的过程。

4.高压蒸煮试验

高压蒸煮试验是测量电子器件抗潮湿侵入能力和抗电腐蚀影响的环境试验，它属于破坏性试验。试验使用条件包括120℃的高温和100%的相对湿度。最短试验时间为96小时。

测试的失效机理包括金属化腐蚀、潮湿进入和分层。高压蒸煮试验时，试验箱内的污染物可能引起器件失效，但是污染物失效不能代表器件的失效。

5.温度湿度偏压试验

温度湿度偏压试验用于测试潮湿引起电子器件的失效。与高加速应力试验(HAST)或高压蒸煮试验相比，温度湿度偏压试验要求的温度和相对湿度条件没那么严格。温度湿度偏压试验要求电子器件能够经受恒定温度、相对高湿度和偏电压的考验。一旦潮气达到芯片表面，电热能量把器件变成电解电池，从而加速腐蚀失效机理。

6.高加速应力试验

高加速应力试验(HAST)是在湿