半導體封裝芯片粘接前等離子處理 增強封裝可靠性

封裝缺陷的分類

封裝缺陷主要包括引線變形、底座偏移、翹曲、芯片破裂、分層、空洞、不均勻封裝、毛邊、外來顆粒和不完全固化等。

引線變形

引線變形通常指塑封料流動過程中引起的引線位移或者變形,通常采用引線最大橫向位移x與引線長度L之間的比值x/L來表示。引線彎曲可能會導致電器短路(特別是在高密度I/O器件封裝中)。有時,彎曲產生的應力會導致鍵合點開裂或鍵合強度下降。

影響引線鍵合的因素包括封裝設計、引線布局、引線材料與尺寸、模塑料屬性、引線鍵合工藝和封裝工藝等。影響引線彎曲的引線參數包括引線直徑、引線長度、引線斷裂載荷和引線密度等等。

底座偏移

底座偏移指的是支撐芯片的載體(芯片底座)出現變形和偏移。

塑封料導致的底座偏移,上下層模塑腔體內不均勻的塑封料流動會導致底座偏移。

影響底座偏移的因素包括塑封料的流動性、引線框架的組裝設計以及塑封料和引線框架的材料屬性。薄型小尺寸封裝(TSOP)和薄型方形扁平封裝(TQFP)等封裝器件由于引線框架較薄,容易發生底座偏移和引腳變形。

翹曲

翹曲是指封裝器件在平面外的彎曲和變形。因塑封工藝而引起的翹曲會導致如分層和芯片開裂等一系列的可靠性問題。 翹曲也會導致一系列的制造問題,如在塑封球柵陣列(PBGA)器件中,翹曲會導致焊料球共面性差,使器件在組裝到印刷電路板的回流焊過程中發生貼裝問題。

導致翹曲的原因主要包括CTE失配和固化/壓縮收縮。后者一開始并沒有受到太多的關注,深入研究發現,模塑料的化學收縮在IC器件的翹曲中也扮演著重要角色,尤其是在芯片上下兩側厚度不同的封裝器件上。在固化和后固化的過程中,塑封料在高固化溫度下將發生化學收縮,被稱為“熱化學收縮”。通過提高玻璃化轉變溫度和降低Tg附近的熱膨脹系數變化,可以減小固化過程中發生的化學收縮。

導致翹曲的因素還包括諸如塑封料成分、模塑料濕氣、封裝的幾何結構等等。通過對塑封材料和成分、工藝參數、封裝結構和封裝前環境的把控,可以將封裝翹曲降低到最小。在某些情況下,可以通過封裝電子組件的背面來進行翹曲的補償。例如,大陶瓷電路板或多層板的外部連接位于同一側,對他們進行背面封裝可以減小翹曲。

芯片破裂

封裝工藝中產生的應力會導致芯片破裂。封裝工藝通常會加重前道組裝工藝中形成的微裂縫。晶圓或芯片減薄、背面研磨以及芯片粘結都是可能導致芯片裂縫萌生的步驟。

破裂的、機械失效的芯片不一定會發生電氣失效。芯片破裂是否會導致器件的瞬間電氣失效還取決于裂縫的生長路徑。例如,若裂縫出現在芯片的背面,可能不會影響到任何敏感結構。

因為硅晶圓比較薄且脆,晶圓級封裝更容易發生芯片破裂。因此,必須嚴格控制轉移成型工藝中的夾持壓力和成型轉換壓力等工藝參數,以防止芯片破裂。3D堆疊封裝中因疊層工藝而容易出現芯片破裂。在3D封裝中影響芯片破裂的設計因素包括芯片疊層結構、基板厚度、模塑體積和模套厚度等。

分層

分層或粘結不牢指的是在塑封料和其相鄰材料界面之間的分離。分層位置可能發生在塑封微電子器件中的任何區域;同時也可能發生在封裝工藝、后封裝制造階段或者器件使用階段。

封裝工藝導致的不良粘接界面是引起分層的主要因素。界面空洞、封裝時的表面污染和固化不完全都會導致粘接不良。其他影響因素還包括固化和冷卻時收縮應力與翹曲。在冷卻過程中,塑封料和相鄰材料之間的CTE不匹配也會導致熱-機械應力,從而導致分層。

空洞

封裝工藝中,氣泡嵌入環氧材料中形成了空洞,空洞可以發生在封裝工藝過程中的任意階段,包括轉移成型、填充、灌封和塑封料至于空氣環境下的印刷。通過最小化空氣量,如排空或者抽真空,可以減少空洞。有報道采用的真空壓力范圍為1~300Torr(一個大氣壓為760Torr)。

填模仿真分析認為,是底部熔體前沿與芯片接觸,導致了流動性受到阻礙。部分熔體前沿向上流動并通過芯片外圍的大開口區域填充半模頂部。新形成的熔體前沿和吸附的熔體前沿進入半模頂部區域,從而形成起泡。

不均勻封裝

非均勻的塑封體厚度會導致翹曲和分層。傳統的封裝技術,諸如轉移成型、壓力成型和灌注封裝技術等,不易產生厚度不均勻的封裝缺陷。晶圓級封裝因其工藝特點,而特別容易導致不均勻的塑封厚度。

為了確保獲得均勻的塑封層厚度,應固定晶圓載體使其傾斜度最小以便于刮刀安裝。此外,需要進行刮刀位置控制以確保刮刀壓力穩定,從而得到均勻的塑封層厚度。

在硬化前,當填充粒子在塑封料中的局部區域聚集并形成不均勻分布時,會導致不同質或不均勻的材料組成。塑封料的不充分混合將會導致封裝灌封過程中不同質現象的發生。

毛邊

毛邊是指在塑封成型工藝中通過分型線并沉積在器件引腳上的模塑料。

夾持壓力不足是產生毛邊的主要原因。如果引腳上的模料殘留沒有及時清除,將導致組裝階段產生各種問題。例如,在下一個封裝階段中鍵合或者黏附不充分。樹脂泄漏是較稀疏的毛邊形式。

外來顆粒

在封裝工藝中,封裝材料若暴露在污染的環境、設備或者材料中,外來粒子就會在封裝中擴散并聚集在封裝內的金屬部位上(如IC芯片和引線鍵合點),從而導致腐蝕和其他的后續可靠性問題。

不完全固化

固化時間不足或者固化溫度偏低都會導致不完全固化。另外,在兩種封裝料的灌注中,混合比例的輕微偏移都將導致不完全固化。為了最大化實現封裝材料的特性,必須確保封裝材料完全固化。在很多封裝方法中,允許采用后固化的方法確保封裝材料的完全固化。而且要注意保證封裝料比例的精確配比。

封裝失效的分類

在封裝組裝階段或者器件使用階段,都會發生封裝失效。特別是當封裝微電子器件組裝到印刷電路板上時更容易發生,該階段器件需要承受高的回流溫度,會導致塑封料界面分層或者破裂。

分層

如上一節所述,分層是指塑封材料在粘接界面處與相鄰的材料分離??赡軐е路謱拥耐獠枯d荷和應力包括水汽、濕氣、溫度以及它們的共同作用。

在組裝階段常常發生的一類分層被稱為水汽誘導(或蒸汽誘導)分層,其失效機理主要是相對高溫下的水汽壓力。在封裝器件被組裝到印刷電路板上的時候,為使焊料融化溫度需要達到220℃甚至更高,這遠高于模塑料的玻璃化轉變溫度(約110~200℃)。在回流高溫下,塑封料與金屬界面之間存在的水汽蒸發形成水蒸氣,產生的蒸汽壓與材料間熱失配、吸濕膨脹引起的應力等因素共同作用,最終導致界面粘接不牢或分層,甚至導致封裝體的破裂。無鉛焊料相比傳統鉛基焊料,其回流溫度更高,更容易發生分層問題。

吸濕膨脹系數(CHE),又稱濕氣膨脹系數(CME)

濕氣擴散到封裝界面的失效機理是水汽和濕氣引起分層的重要因素。濕氣可通過封裝體擴散,或者沿著引線框架和模塑料的界面擴散。研究發現,當模塑料和引線框架界面之間具有良好粘接時,濕氣主要通過塑封體進入封裝內部。但是,當這個粘結界面因封裝工藝不良(如鍵合溫度引起的氧化、應力釋放不充分引起的引線框架翹曲或者過度修剪和形式應力等)而退化時,在封裝輪廓上會形成分層和微裂縫,并且濕氣或者水汽將易于沿這一路徑擴散。更糟糕的是,濕氣會導致極性環氧黏結劑的水合作用,從而弱化和降低界面的化學鍵合。

表面清潔是實現良好粘結的關鍵要求。表面氧化常常導致分層的發生(如上一篇中所提到的例子),如銅合金引線框架暴露在高溫下就常常導致分層。氮氣或其他合成氣體的存在,有利于避免氧化。

模塑料中的潤滑劑和附著力促進劑會促進分層。潤滑劑可以幫助模塑料與模具型腔分離,但會增加界面分層的風險。另一方面,附著力促進劑可以確保模塑料和芯片界面之間的良好粘結,但卻難以從模具型腔內清除。

分層不僅為水汽擴散提供了路徑,也是樹脂裂縫的源頭。分層界面是裂縫萌生的位置,當承受交大外部載荷的時候,裂縫會通過樹脂擴展。研究表明,發生在芯片底座地面和樹脂之間的分層最容易引起樹脂裂縫,其它位置出現的界面分層對樹脂裂縫的影響較小。

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