共讀好書(shū)

劉文喆 陳道遠(yuǎn) 黃煒

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司）

摘要：

塑封器件具有體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，逐步替代氣密性封裝器件，廣泛地應(yīng)用于我國(guó)軍用產(chǎn)品中。軍用塑封SIP（System In Package）產(chǎn)品集成度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性要求高等特點(diǎn)，對(duì)塑封工藝帶來(lái)了挑戰(zhàn)，目前國(guó)內(nèi)工業(yè)級(jí)塑封產(chǎn)品不能完全滿足軍用可靠性要求，工業(yè)級(jí)塑封產(chǎn)品常在嚴(yán)酷的環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)下表現(xiàn)出失效。本文針對(duì)工業(yè)級(jí)塑封 SIP 器件在可靠性試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的失效現(xiàn)象進(jìn)行分析研究，通過(guò)超聲檢測(cè)、芯片切面分析等手段，結(jié)合產(chǎn)品應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果，分析導(dǎo)致塑封產(chǎn)品失效的關(guān)鍵原因，并針對(duì)失效機(jī)理提出優(yōu)化改進(jìn)方案。

引言

塑封器件具有體積小，重量輕，成本低，電性能指標(biāo)優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，在軍用電子元器件領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛[1] 。

塑封器件分層是其典型的故障模式，封裝材料熱膨脹系數(shù)的不同以及被粘接材料表面能低，是造成塑封電路分層的內(nèi)部原因。在塑封器件失效案例中因塑封分層導(dǎo)致的失效是比較隱蔽、不易被發(fā)現(xiàn)的，但其對(duì)塑封器件長(zhǎng)期可靠性帶來(lái)了較大隱患，例如塑封器件分層后水汽進(jìn)入內(nèi)部，對(duì)芯片的鋁電極產(chǎn)生腐蝕，導(dǎo)致電極開(kāi)路失效。

本文選取一款復(fù)雜結(jié)構(gòu)塑封 SIP（System In Pack-age）產(chǎn)品，其較常規(guī)塑封單片電路結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，內(nèi)部器件類(lèi)型多樣、器件尺寸及高度不一致等因素對(duì)其塑封工藝帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。本文采用多樣品多應(yīng)力條件試驗(yàn)驗(yàn)證的方式，分析影響塑封 SIP 繼承模塊封裝可靠性的關(guān)鍵環(huán)境因素，通過(guò)對(duì)環(huán)境進(jìn)行特殊的控制和工藝優(yōu)化可以解決塑封分層問(wèn)題，為塑封器件的可靠應(yīng)用提供有效支撐。

1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

該款塑封 SIP 集成模塊由 6 款芯片、3 款無(wú)源器件和有機(jī)基板組成，無(wú)源器件包括電阻、電容和磁珠，采用塑封工藝進(jìn)行封裝。其封裝結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。

為達(dá)到軍用塑封產(chǎn)品可靠性指標(biāo)，該款塑封 SIP 集成模塊產(chǎn)品需經(jīng)歷的可靠性環(huán)境試驗(yàn)包括溫度循環(huán)、預(yù)處理（烘焙、濕浸、回流焊、清洗、烘干等）、高溫貯存、強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱（H AST）。

2 失效原因分析

該產(chǎn)品經(jīng)歷烘焙（125 ℃，24 h）、濕浸（60 ℃，60 % RH ，40 h）、回流焊（3次）、溫度循環(huán)（-40 ℃/60 ℃，5 次）并常溫烘干后，分兩組分別進(jìn)行溫度循環(huán)（-55 ℃ /150 ℃，100 次）、強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱（H A ST）（130 ℃ /85 % RH ，96 h）試驗(yàn)，試驗(yàn)后采用超聲檢測(cè)方法檢測(cè)塑封結(jié)構(gòu)變化情況。檢測(cè)結(jié)果顯示所有試驗(yàn)樣品均出現(xiàn)塑封分層現(xiàn)象，分層區(qū)域?yàn)?IC6 鍵合焊盤(pán)處，如圖 1、2 標(biāo)記處所示。

對(duì)故障件進(jìn)行 X 射線檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)明顯異常，形貌如圖 3 所示。因此，采用破壞性切片分析的手段，對(duì)超聲檢測(cè)不合格區(qū)域進(jìn)行定位，切片形貌可明顯觀察到基板上鍵合焊盤(pán)處與塑封料間存在分層，分層程度輕微，高度在 1 μm 以?xún)?nèi)，形貌如圖 4 所示。

試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)品經(jīng)歷一定的溫度、濕度影響，為評(píng)估影響塑封器件分層的關(guān)鍵因素，對(duì)該款塑封 SIP 集成模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、封裝工藝、經(jīng)歷應(yīng)力條件進(jìn)行分析排查。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該款塑封 SIP 集成模塊外形尺寸為 10 m m ×10 m m×1.8 m m ，選用QFN48塑封封裝實(shí)現(xiàn)，采用6層有機(jī)基板，芯片與基板的互聯(lián)采用 25 μm 金絲球焊，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部各個(gè)器件的連接和信號(hào)扇出。

分層處焊盤(pán)上 5 個(gè)鍵合點(diǎn)屬于同一電源網(wǎng)絡(luò)，焊盤(pán)設(shè)計(jì)時(shí)按照區(qū)域方式設(shè)計(jì)，區(qū)域?qū)挾葹?1.5 m m *0.2 m m ，如圖 1 標(biāo)記處所示，為該模塊中面積最大的焊盤(pán)。該區(qū)域焊盤(pán)塑封料與鍵合區(qū)域間的接觸面較大，焊盤(pán)接觸面材料為 Au 較為光滑，易形成空洞，與塑封料間附著力減小，引起接觸面塑封分層，且金屬與塑封料之間的界面面積越大，分層的可能性越大。

該款結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)焊盤(pán)面積偏大，與塑封料界面處存在一定分層的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 封裝工藝

該款塑封 SIP 集成模塊選用 SUM ITOM O G760L 塑封料進(jìn)行封裝，該塑封料為行業(yè)內(nèi)主流材料?；暹x用M GC 材料基板，該基板材料成熟，為通用大批量基板材料。

在材料選型及封裝過(guò)程控制上不存在風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 應(yīng)力條件分析

為判斷預(yù)處理中濕浸試驗(yàn)（濕度應(yīng)力）、回流焊試驗(yàn)（溫度應(yīng)力）、溫度循環(huán)（溫度應(yīng)力）、強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱（溫濕度應(yīng)力） [2] 分別對(duì)該款塑封 SIP 集成模塊超聲檢測(cè)分層的影響，選取合格樣品，分組進(jìn)行可靠性評(píng)估試驗(yàn)，每分組 5 只樣品，試驗(yàn)條件及結(jié)果如表 1所示。

上述試驗(yàn)結(jié)果顯示，第2分組試驗(yàn)條件不進(jìn)行濕浸，烘焙后直接投入回流焊，隨后進(jìn)行超聲檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示超聲無(wú)分層情況，表明分層主要受濕浸試驗(yàn)影響，塑封材料吸附了水汽，在回流焊過(guò)程中受高溫影響，水汽加速釋放，導(dǎo)致塑封料與金屬接觸面分層。

3 失效機(jī)理分析

塑封器件是以樹(shù)脂類(lèi)聚合物為材料封裝的器件，由于塑封料與焊盤(pán)及基板材料的熱膨脹系數(shù)不完全一致，熱應(yīng)力作用下塑封器件內(nèi)不同材料的連接處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)力水平超過(guò)其中任何一種封裝材料的屈服強(qiáng)度或斷裂強(qiáng)度導(dǎo)致器件分層；同時(shí)，樹(shù)脂類(lèi)材料本身并非致密具有吸附水汽的特性，封裝體與引線框架的粘接界面等處也會(huì)引入濕氣進(jìn)入塑封器件，塑封器件中水汽含量過(guò)高時(shí)會(huì)引起塑封料與基板界面上的樹(shù)脂離解，即溫度、濕度應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致塑封器件分層。

4 糾正措施建議

為避免較大面積焊盤(pán)經(jīng)歷環(huán)境試驗(yàn)后出現(xiàn)的塑封器件分層情況，建議改進(jìn)焊盤(pán)設(shè)計(jì)，將原區(qū)域化設(shè)計(jì)焊盤(pán)（圖5（a））優(yōu)化為單個(gè)焊盤(pán)設(shè)計(jì)（圖 5（b）），優(yōu)化后單個(gè)焊盤(pán)尺寸為 0.15 m m ×0.1 m m ，由該款塑封 SIP 集成模塊中其余較小面積焊盤(pán)試驗(yàn)后均無(wú)分層情況可以判斷，該優(yōu)化方案可行。

結(jié)合本次產(chǎn)品失效情況，提出如下塑封產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：

塑封器件分層不僅與塑封原材料選擇、工藝控制相關(guān)，與器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也息息相關(guān)。在高可靠性塑封產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮產(chǎn)品電性能基礎(chǔ)上，需加強(qiáng)可靠性設(shè)計(jì)，盡量避免使用較大面積整體區(qū)域化焊盤(pán)設(shè)計(jì)。當(dāng)塑封料附著于較大面積整體區(qū)域化焊盤(pán)時(shí)，粘接力下降，經(jīng)歷溫、濕度應(yīng)力試驗(yàn)后易出現(xiàn)輕微分層形貌，對(duì)產(chǎn)品長(zhǎng)期使用可靠性產(chǎn)生影響。

5 結(jié)論

面對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的塑封模塊產(chǎn)品設(shè)計(jì)，其可靠性與塑封原材料選擇、工藝控制、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均相關(guān)[3] ，較大面積區(qū)域設(shè)計(jì)將降低產(chǎn)品可靠性，在經(jīng)歷一定溫度、濕度應(yīng)力試驗(yàn)后表現(xiàn)出分層，甚至直接引起產(chǎn)品失效。在高可靠性產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。

審核編輯 黃宇