封装可靠性与失效分析（上）

　　将有源器件以及无源元件组装到已完成膜层印烧/蒸发/溅射的基片上以后，这个混合微电路就可以进行封装了。组装和封装作为产品开发中的关键技术在业界引起人们日益增多的关注。

　　广义的封装是指将半导体和电子元器件所具有的电子的、物理的功能，转变为适用于设备或系统的形式，并使之能够为人类社会服务的科学技术。

　　狭义的封装(Packaging,PKG)是指裸芯片与布线板实现微互连后，将其密封在塑料、玻璃、金属或者陶瓷外壳中，以确保半导体集成电路芯片在各种恶劣条件下正常工作。

　　无论是单芯片封装前的裸芯片，还是将多个裸芯片装载在多层布线板上的多芯片组件(MCM)，在不经封装的状态下，由于空气中湿气和氧的影响，半导体集成电路元件表面及多层布线板表面的导体图形及电极等，会随时受到氧化的腐蚀，使其性能退化。无论是单芯片封装还是MCM制造，在整个工艺过程中，应避免在空气中放置，而应在氮气气箱等非活性气氛中加以保护。否则，会出现半导体元件的内侧引线凸点因氧化而难以键合，多层布线板的导体电极因氧化而不能钎焊等失效问题。

　　即使已完成了微互连，不经封装而在含有湿气的空气中工作加之迁移现象， 半导体元件及多层布线板上的导体电路会发生突然短路。因此，多层布线板及半导体元件表面露出的导体图形必须与外界气氛隔绝。无论对于单个使用的裸芯片还是MCM，封装都是必不可少的。

　　封装除对混合电路起机械支撑、防水和防磁、隔绝空气等的作用外，还具有对芯片及电连接的物理保护、应力缓和、散热防潮、尺寸过渡、规格标准化等多种功能。

　　非气密性树脂封装技术

　　No.1

　　单芯片封装

　　单芯片封装分气密性封装型和非气密性封装型两大类： 前者包括金属外壳封接型、玻璃封接型(陶瓷盖板或金属盖板)、钎焊(Au/Sn共晶焊料)封接型;后者包括传递模注塑封型、液态树脂封装型、树脂块封装型等。其中传递模注塑封法价格便宜，便于大批量生产，目前采用最为普遍。

　　No.（1）

　　传递模注塑封技术

　　a. 模注树脂成分及特性

　　树脂通常是指受热后有软化或熔融范围，软化时在外力作用下有流动倾向，常温下是固态、半固态，有时也可以是液态的有机聚合物。广义地讲，可以作为塑料制品加工原料的任何聚合物都称为树脂。

　　树脂有天然树脂和合成树脂之分。天然树脂是指由自然界中动植物分泌物所得的有机物质，如松香、琥珀、虫胶等。合成树脂是指由简单有机物经化学合成或某些天然产物经化学反应而得到的树脂产物。

　　按树脂分子主链组成分类：

　　按此方法可将树脂分为碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物。

　　碳链聚合物是指主链全由碳原子构成的聚合物，如聚乙烯、聚苯乙烯等。

　　杂链聚合物是指主链由碳和氧、氮、硫等两种以上元素的原子所构成的聚合物，如聚甲醛、聚酰胺、聚醚等。

　　元素有机聚合物是指主链上不一定含有碳原子，主要由硅、氧、铝、钛、硼、硫、磷等元素的原子构成，如有机硅。

　　ex：环氧树脂是泛指分子中含有两个或两个以上环氧基团的有机高分子化合物。环氧树脂的分子结构是以分子链中含有活泼的环氧基团为其特征，环氧基团可以位于分子链的末端、中间或成环状结构。由于分子结构中含有活泼的环氧基团，使它们可交联反应而形成不溶、不熔的具有网状结构的高聚物。

　　传递模注树脂封装的可靠性取决于模注树脂的可靠性。标准模注树脂的组成，按其配比质量分数，从高到低依次为填充料(filler)(约70%),环氧树脂(约18%以下)，固化剂(约9%以下)等。

　　填充料的主要成分是二氧化硅。

　　晶态二氧化硅有利于提高模注树脂的导热性，熔凝态(非晶)二氧化硅有利于降低模注树脂的热膨胀系数及吸湿性。图中可见随熔凝二氧化硅含量的增加，封装树脂热膨胀系数降低最多，从而对模注塑封中的热应力缓和更为有效。

　　环氧树脂的组成，一般都采用甲酚-酚醛系([C6H3OHCH2]n)。环氧树脂具有保护芯片、使其于外部气体隔绝，确保成形时的流动性外，还对模注树脂的机械、电气、热等基本特性起决定性作用。

　　固化剂的主要成分为苯酚-酚醛系树脂，其与环氧树脂一起对成形时的流动性及树脂特性起作用。

　　此外，模注树脂中还含有如下成分：促进固化反应的固化促进剂(触媒);树脂在注模内固化后，为使其便于取出的脱模剂;为阻止燃烧，满足阻燃特性规定的阻燃剂;以黑色炭粉及各种颜料进行着色的着色剂等。

　　b. 传递模注工艺过程

　　先将模具预热，将经过微互连的芯片框架插入上下模具中，上模具下降，将芯片框架固定。

　　注塑压头按设定程序下降，树脂料饼经预加热器加热，粘度下降，在注塑压头压力作用下，由料筒经流道，通过浇口分配器进入浇口，最后注入到型腔中。

　　注入中不加压力，待封装树脂基本上填满每个型腔之后再加压力。在加压状态下保持数分钟，树脂聚合而硬化。

　　上模具提升，取出模注好的封装体。切除流道、浇口等不必要的树脂部分。

　　此时树脂聚合仍不充分，特性也不稳定，需要在160~180摄氏度经数小时的高温加热，使聚合反应完结。

　　由于模注时树脂可能从模具的微细间隙流出，故最后还要利用高压水及介质(玻璃粉等)的冲击力，使残留在外引脚表面的树脂溢料(又称毛边、飞边等)剥离。

　　外引脚经过电镀焊料或电镀Sn等处理，以改善引脚的耐蚀性及微互连时焊料与它的浸润性。至此，传递模注封装全部完成。

　　问题1：

　　随着芯片封装规模及相应模具的大型化，往往会发生树脂注入型腔的不均匀化问题。从树脂注入每个型腔的过程看，离注塑压头远的型腔注入树脂前，离注塑压头近的型腔中树脂已开始硬化;离注塑压头远的型腔填充完毕开始增加注入压力时，离注塑压头近的型腔中的树脂已经硬化，残留的气体会产生气孔或气泡。

　　解决方法是采用多个注塑压头，以保证树脂在每个型腔内处于均衡的流入状态。

　　问题2

　　一般的模注采用下浇口注入树脂，这在芯片和封装尺寸较小时没有问题，但随着芯片和封装尺寸变大，离浇口远的封装上部，往往出现树脂未填充的部分。

　　解决方法是通过将浇口设置在封装中部，保证注入树脂在型腔内芯片的上面、下面均衡流动，从而避免树脂未填充问题。

　　c. 模注树脂流速及粘度对Au丝偏移(冲丝)的影响

　　封装树脂在型腔内流动会造成微互连Au丝的偏移(冲丝)。

　　为了减小Au丝偏移，应降低封装树脂的粘度，并控制封装树脂尽量缓慢的在型腔内流动。

　　No.2

　　多芯片封装

　　MCM封装也可按其气密性等级，分为气密封装和非气密封装两大类。 非气密封装的代表是树脂封装法，依树脂的加入方式不同，进一步还可分为注型(casting)法、浸渍(dipping)法、滴灌(potting)法及流动浸渍法(粉体涂装法)等;气密性封装包括低熔点玻璃封接法、钎焊封接法、缝焊封接法及激光熔焊法等。

　　封装可靠性与其价格具有明显的关系，可靠性越高则封装价格越贵。

　　树脂封装价格低，但从可靠性角度，特别是耐湿性存在问题，对于可靠性要求高的大型电子计算机等领域，必须采用气密性封装。

　　采用钎焊密封法， 可以做到完全的气密性封接，金属性腔体内还可封入氦气、氮气等非活性气体。但这种方法存在焊料与多层布线板上导体层之间的扩散问题，若在高温环境下使用，则耐热性及长期使用的可靠性都不能保证。

　　对可靠性有更高要求的应用，需采用熔焊法。 其中之一是缝焊封接(seamweld),但现有缝焊焊机的功率有限，只能焊比较薄(厚度约0.15mm)的金属盖板，不能用于大型MCM。为了能对大型MCM中采用比较厚(0.25~0.5mm)的金属盖板进行熔焊封接，需要采用激光熔焊法。

　　采用缝焊封接时 ，先用环氧树脂及焊料等粘结剂，将陶瓷布线板支持固定在金属外壳中，而粘结剂在散热性及耐机械冲击性等方面都存在问题。为解决这些问题，可以在陶瓷布线板上，通过银浆料，粘结固定与布线板热膨胀系数基本相等的可伐或Fe/Ni42合金等密封环，并作为激光熔焊时的金属基体。

　　耐湿性试验：

　　为了比较各种封装方法的可靠性，一般以耐湿性为代表，耐湿性试验最常使用压力锅试验。

　　近30年前的DIP封装(传递模注塑封法)，由于塑封材料耐湿性差，在121摄氏度，202kPa的压力锅中，只能维持70h左右;随着塑封材料耐湿性的逐步改善，目前的可靠性已达200h.对MCM封装，大多数塑封MCM，例如滴灌法COB(chip on board)、流动浸渍法的SMT模块、浸渍法、注型法等制作的HIC，仅能维持小于70h的可靠性;而气密性MCM封装，几乎能维持无限长时间，显示出高可靠性。

　　无论是非气密树脂封装，还是其他几种气密性封装，都具有各自优势，但从可靠性比较，气密封装明显优于非气密封装。

　　a. 非气密多芯片树脂封装技术

　　常用于MCM的非气密性树脂封装法，一般是采用环氧树脂、塑料、硅树脂等有机树脂，覆盖在微互连于多层布线板之上的半导体芯片上，使其与外界隔绝。覆盖树脂的方法有以下五种。

　　涂布(coating)法

　　用笔或毛刷等蘸取环氧树脂或硅树脂，直接在半导体芯片及片式元件上涂布，经加热固化完成封装。用于这种方法的涂布树脂粘度要适中略低。

　　滴灌(potting)法

　　又称滴下法。用注射器及布液器将粘度比较低的环氧树脂、硅树脂等液态树脂滴灌在微互连于多层布线板之上的半导体芯片上，经加热固化完成封装。

　　浸渍(dipping)法

　　将完成微互连的MCM浸入装满环氧树脂或酚树脂液体的浴槽中，浸渍一定时间后向上提拉，经加热固化完成封装。此方法要搭配掩模等方法避免树脂在不需要的部位上附着。

　　注型(casting)法

　　又称模注法。将完成微互连的MCM置入比其尺寸略大的模具或树脂盒中，在它们的间隙中注入环氧树脂或酚树脂等液体树脂，经加热固化完成封装。

　　流动浸渍法

　　又称粉体涂装法。将完成微互连的多层布线板在预加热的状态，浸入装满环氧树脂与氧化硅粉末的混合粉体中，并处于流动状态的流动浴槽中，浸渍一段时间，待粉体附着达一定厚度后，经加热固化完成封装。

　　在对树脂封装进行结构设计时，应重点考虑耐湿性和减小内应力这两个问题。对于前者应减少可能漏气的环节，加强从外气到半导体元件的密封措施;对于后者应正确把握封装树脂热膨胀系数、填充量等的关系，减少容易发生应力集中的环节等。在有些情况下，可以采用从里到外三层树脂封装的结构，靠近芯片为一层柔软层，中间为一层缓冲层，外部为一层致密层。这样既可提高耐湿性，又可减小内应力。

　　以上几种方法都属于树脂封装，不可避免都会浸入一定程度的湿气，导致可靠性也短，一般只有2~3年的保质时间;封装之后，当发现不合格或出现故障，需要剥离树脂，找出不合格芯片，但剥离液对正常芯片会产生影响，因此，出现故障的塑封元件一般以废品处理。这些方法适合于规模较小，价格比较低的一般民用器件。

　　b. 树脂封装中湿气侵入路径及防止措施

　　树脂材料作为有机物，都或多或少存在耐湿性较差的问题。树脂封装中湿气的来源主要有三条： 一是树脂自身的吸湿性； 二是树脂自身的透水性； 三是通过树脂与多层布线板之间的间隙，以及通过封装与MCM引脚之间的间隙发生渗漏。

　　液态树脂的固化条件(温度和时间)对吸水性、透水性有决定性的影响，必须严格保证。还要注意树脂的保质期及冷藏保管，使用前要进行脱泡处理，严禁粉尘和气泡混入。经生产厂家多年努力，树脂的吸水性和透水性已明显改善。

　　关于密封性，不单单取决于树脂材料，还取决于引脚的表面状态，以及树脂材料同氧化铝陶瓷多层布线板等基体材料的匹配情况。对于耐湿性良好而密封性不太理想的树脂，可以通过增加基体材料表面粗糙度的方法，增加整体的密封性。

　　树脂封装法中，芯片周围包围的树脂材料越多、有效隔离长度越长、耐湿性越好。但另一方面，随着封装树脂量的增加及树脂中内应力的增加，会造成陶瓷布线板发生翘曲，致使芯片布线板上搭载的芯片部件剥离、引起WB电气连接破坏、造成布线板上膜电阻出现裂纹等。故应正确把握树脂填充量、有效绝缘长度、内应力等因素的关系。

　　热膨胀系数是否匹配为内应力产生的重要起因之一。应通过改进树脂添加成分，使树脂与电路材料热膨胀系数尽量匹配。

　　c.树脂未填充起因及解决办法

　　由于模具温度过高，预热后的塑封料在高温下反应加快，会造成型腔还未充满时，塑封料粘度急剧上升，流动阻力增大，注塑压力无法传递，形成有趋向性的未填充。这种现象在大体积电路中容易出现，因为其每模塑封料用量较多，为使塑封料在短时间内受热均匀，设定的模温一般较高。

　　有趋向性未填充主要是塑封料流动不充分引起的，可采用提高塑封料预热温度和增加注塑速度使塑封料流动加快，同时降低模具温度，减缓反应速度，可以使流动时间延长，填充更充分。

　　由于模具的浇口堵塞，使塑封料无法注入，以及排气口堵塞造成型腔气体残留，从而阻碍了型腔的填充。这种未填充在型腔位置分布上无规律性，小体积电路出现的几率较高，因为小型封装的浇口、排气口相对较小而容易引起堵塞。

　　对于浇口和排气口的堵塞，可用工具刮去堵塞物并涂上脱模剂，每模封装后，用气枪和刷子清扫模具。

　　d. 冲丝

　　塑封料在注塑成形时是有粘度的运动流体，因此具有一定的冲力。冲力作用在金丝上，使金丝产生偏移，极端情况下金丝冲断，这就是所谓的冲丝。

　　冲丝是塑封产品的一个通病，无法完全消除，它必须借助专用的X射线仪才能观察到，在生产中无法做到全检，一般只做少量的抽检。如何通过抽检来判断冲丝程度就非常重要了。

　　a/b越大，冲丝程度越严重；

　　当a/b>20%时可判为不良品；

　　a/b>12%~15%时，必须引起重视并进行调整；

　　a/b<10%时，情况较好。

　　一般来说，塑封料粘度越大，速度越快，对键合丝的冲击角度越接近于90度，冲力越大。

　　No.3

　　气密性封装技术

　　a. 钎焊气密封接技术

　　钎焊气密封接是通过钎焊将金属外壳固定在多层布线板上，将IC芯片与外气绝缘。为了利用钎焊实现气密封接的目的，要求焊料与被钎焊材料之间具有良好的浸润性。通常采用Sn63/Pb37焊料。

　　为了钎焊金属封装外壳，需要在多层布线板表面的四周，形成与外壳相匹配、用于钎焊连接的导体图形。该导体图形与焊料间应有良好的浸润性，且与焊料的互扩散尽量小。一般是通过厚膜法，采用Cu浆料印刷。对于氧化铝陶瓷多层共烧基板来说，一般在W导体层上电镀Ni/Au层，以达到良好的浸润性。

　　金属外壳与多层布线板的热膨胀系数一般是不同的，因此对氧化铝布线板来说，最好选用可伐合金外壳。但可伐合金与焊料间的浸润性不好，通常金属外壳也需要电镀Ni/Au或Sn，以改善其浸润性。

　　可伐合金(Kovar):本合金含镍29%，钴17%的铁基封接合金。该合金在20~450℃范围内具有与陶瓷相近的热膨胀系数，和相应的陶瓷能进行有效封接匹配，此容易焊接和熔接，有良好可塑性，可切削加工，广泛用于制作电真空元件，发射管，显像管，开关管，晶体管以及密封插头和继电器外壳等。用可伐合金对工件进行封接 时，一般工件表面要求镀金。

　　钎焊封接时，将金属外壳扣在预钎焊的封接图形上，在大约240摄氏度下进行回流焊，此时外壳内的空气会膨胀，因此需要在金属外壳上制作空气向外逃逸用的小孔，而后，在氦气或氮气等非活性气氛中，用共晶焊料对小孔进行封接。

　　钎焊封接的金属外壳封装便于分解、重装，一般可保证在10次以上。因此，这种封接可用做通常气密性封装后半导体元件的初期不良品筛选。

　　钎焊封接中采用助焊剂，焊接过程中产生残渣，清洗助焊剂的三氯乙烷等有机清洗剂破坏臭氧层，不利于环保。

　　b. 激光熔焊封接技术

　　激光熔焊适用于大型MCM及外形复杂的MCM，并能保证高可靠性。

　　其工艺过程如下：先在多层布线板的设定位置上，由Ag焊料固定作为熔焊金属基体的焊接环，将金属外壳扣在焊接环上，使两者处于紧密接触状态，用激光束照射密接部位，焊接环及与其密接部位的外壳金属同时熔化，经冷却完成气密封接。由于相同金属间便于熔焊，一般情况下焊接环与外壳都采用可伐合金。

　　激光熔焊封接法仅使焊接环与金属外壳间需要密封连接的部位瞬时达到高温再冷却。不像焊料封接那样，需要使多层布线板达到高温，因此，不必考虑金属外壳内部空气的膨胀问题，不需要在金属外壳上设置气孔。激光熔焊法可以在非活性气氛封接箱内完成气密性封接。

　　对熔焊封接外壳进行拆卸、重装是比较困难的，一般采取的是拆卸、重装焊接环的方式。因此，焊接环的高度一般保持在0.75mm以上，在每一次拆卸、重装过程中，焊接环需要研磨掉约100~200的高度，总共可进行2~3次返修、重装操作。

　　与钎焊封接法相比，激光熔焊法允许的拆卸、返修次数少，故在正式封装前，需要对半导体元件进行老化筛选，以去除初期不良的器件。

　　将无Pb的激光熔焊封接技术和无铅的芯片微互连技术相结合，就可以在完全不必采用Sn-Pb系焊料，实现封装的真正无无铅化。