封装可靠性失效原因及其改善方案阐述

封装可靠性失效原因及其改善方案阐述

夏典马

长电科技（滁州）有限公司 安徽省滁州市 239000 摘要：可靠性是产品质量的一个重要指标，就是产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定的功能的能力。确切的讲，一个产品的使用寿命越接近设计寿命，代表可靠性越好。

1、产品的可靠性与规定的条件密切相关。如产品使用的环境条件、负荷大小、使用方法等。一般，温度越高、额定负载越大，产品的可靠性就越低。

2、产品的可靠性与规定的时间也有关系。例如，一般大型桥梁、道路的设计寿命为50～100年。

3、产品的可靠性还与规定的功能有密切的关系。例如，一个普通的晶体管有反向漏电流、放大倍数、反向击穿电压、特征频率等多项功能。

芯片封装质量直接影响整个器件和组件的性能,随着混合集成电路向着高性能、高密度以及小型化、低成本的方向发展，对芯片的封装技术和可靠性提出了更高的要求。本文主要阐述了几种可靠性项目及其失效的机理以及封装导致的原因，以便封装生产中规避此类异常发生。

关键字 可靠性；质量；可靠性项目；失效机理；封装导致的原因。

背景描述：电子器件是一个非常复杂的系统，其封装过程的缺陷和失效也是非常复杂的。因此，研究封装缺陷和失效需要对封装过程有一个系统性的了解，这样才能从多个角度去分析缺陷产生的原因。封装的失效机理可以分为两类：过应力和磨损。过应力失效往往是瞬时的、灾难性的；磨损失效是长期的累积损坏，往往首先表示为性能退化，接着才是器件失效。失效的负载类型又可以分为机械、热、电气、辐射和化学负载等。影响封装缺陷和失效的因素是多种多样的， 材料成分和属性、封装设计、环境条件和工艺参数等都会有所影响。封装缺陷主要包括引线变形、底座偏移、翘曲、芯片破裂、分层、空洞、不均匀封装、毛边、外来颗粒和不完全固化等。随着应用的要求越来越高，对产品封装可靠性要求也越来越高。我们要识别一些可靠性项目考核目的、失效机理以及可能导致的原因，以便在前期FMEA中定义，从设计、生产角度来提升质量。

电子元器件失效规律（图1 浴盆曲线）：

1、早期失效期

失效发生在使用初期，失效率较高，且随工作时间的增加而迅速下降。如，产品的测试、老化是删除早期失效的有效方法。

2、偶然失效期

失效率低且稳定，近似常数。如某产品的失效率为5ppm就是指偶然失效率。

3、耗损失效期

失效率明显上升，大部分器件相继失效，一般出现在产品的使用后期。如半导体产品使用10年以上将进入损耗失效期。

图1 浴盆曲线

常见可靠性项目及其对应相关失效模式：

可靠性定义：为评价分析产品的可靠性而进行的试验称为可靠性试验。

可靠性功能：可以确定电子产品的可靠性特征量，为使用、生产、设计提供有用的数据；能暴露产品在原料、结构、工艺以及环境适应性等方面存在的问题；可以了解产品在不同环境和应力条件下的失效规律与失效模式。

可靠性分类：按项目可分为寿命试验、环境试验、特殊试验、使用条件试验，按目的可分为筛选试验、验证试验、鉴定试验、交收试验等。

环境试验是模拟产品在贮存、运输和工作过程中可能遇到的一切外界影响因素影响，包括震动、机械冲击、温度、湿度、盐雾、辐射、生物霉菌等。例如：

温度循环

试验条件：-65-150℃，500/1000cycles，产品在低温或高温的停留时间在10min以上，总共转换时间从高到低或从低到高不超过5min。

是考核产品封装承受极端高温和极端低温的能力以及极端高温和极端低温交替变化对产品的影响。

温度循环能有效的检验装片、键合和封装工艺存在的缺陷，框架、引线、导电胶、塑封料的匹配性，加速硅片潜在裂缝的暴露。

封装原因分析及改善：

TCT后出现点断，FA发现分层、bond stich broken，要改善分层情况及提升第二焊点拉力，可以封装过程增加plasma清洗及优化二焊点参数（劈刀选择、USG/FORCE等方面）。

备注：plasma清洗，借电浆中的离子或高活性原子，将表面污染物撞离或形成挥发性气体，再经由真空系统带走，达到表面清洁的目的，提升LF框架与compound结合能力，结合更好，降低TCT应力影响。

高压蒸煮（PCT）

试验条件：121℃ 100％RH 2atm 96/168hrs。

主要考核产品的气密性和抗湿气能力。

高压蒸煮可以检验产品漏电流过大，产品的气密性和抗湿气能力、芯片的腐蚀、沾污以及塑封体与框架的结合是否良好。

封装原因分析及改善：

PCT后出现离子迁移：主要为气密性不足，一是框架与料饼结合不好，导致湿气进入，可以提升框架与料饼结合面的洁净度，塑封前增加plasma清洗；二是料饼的吸湿性较差，选择粘结强度更高的塑封料（填料含量选择相对少一点）。

稳态湿热（THT）

试验条件：85℃ 85%RH 500/1000hrs。

评定产品经长时间施加湿度应力和温度应力作用的能力，考核产品的气密性。

能检验出产品气密性不好，易焊性问题、管脚发黄等一系列问题。

封装原因分析及改善：此处省略（可以参考上述PCT失效改善方向）。

高速老化试验（UHAST/BHAST），BHAST带BIAS偏置

试验条件：130℃、85%RH、0.23 Mpa 96/168 hrs。

评定非气密性封装在（无）偏置条件下抗潮湿能力。

能检验出分层导致的leakage失效、OPEN（ball lift导致）等问题。

可靠性BHAST试验fail，OPEN，FA发现ball lift及IMC broken问题（卤素离子腐蚀）。

封装原因分析及改善：

一，W/B参数不佳，导致W/B深度较浅，残铝过厚，wire ball和pad铝层结合不良，在BHAST通电、高速老化过程中，ball两端的Gap/Crack延伸，导致IMC开裂失效。

对此，需注意劈刀的选用、W/B参数需进行DOE确认，控制球形及残铝，一般建议10%-30%，残铝偏小存在pad crack风险，偏大存在ball lift风险；

二，W/B至molding站Q-time控制不当，未能及时塑封，导致铜线焊球出现氧化，塑封后卤素离子聚集ball四周，导致IMC出现crack，进而电性测试失效。

对此，要定义W/B后至塑封Q-time，建立管控机制，避免焊球氧化导致塑封后卤素离子聚集；塑封前增加plasma清洗，洁净芯片表面、焊球四周、框架表面，改善结合，降低吸湿风险；选用低卤素compound，控制Cl/S/Br离子含量20ppm内。

结论:

随着半导体发展，对封装技术要求越来越高，高品质、高可靠性成为必然趋势，尤其是国产化替代浪潮持续推进，对国产封装能力是个考验，我们要做到设计质量、预防质量。通过前期工艺参数等进行优化，以最优的工艺条件实现生产，提升产品的可靠性寿命。本文只是简述几个可靠性项目及其可能失效原因改善，实际并不仅仅这些，需要我们再今后的工作中不断积累、不断学习。

参考文献

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王威 张伟.高可靠性电子产品工艺设计及案例分析.电子工业出版社，2020-01-01.

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