空氣彈簧為什么是彈性元件形式

電子設備是一個(gè)非常復雜的系統，封裝過(guò)程中的缺陷和故障也非常復雜。因此，對包裝缺陷和失效的研究需要對包裝過(guò)程有系統的了解，這樣才能從多個(gè)角度分析缺陷產(chǎn)生的原因。

1. 包裝缺陷和失效的研究方法

包的失效機理可分為兩大類(lèi)：過(guò)應力和磨損。過(guò)應力失效通常是瞬間的和災難性的；磨損失效是長(cháng)期累積損壞，通常首先表現為性能下降空氣彈簧為什么是彈性元件形式，其次是器件失效。失效載荷的類(lèi)型可分為機械載荷、熱載荷、電載荷、輻射載荷和化學(xué)載荷。

影響封裝缺陷和失效的因素有很多，包括材料成分和特性、封裝設計、環(huán)境條件和工藝參數。確定影響因素和預防封裝缺陷和失效的基本前提。影響因素可以通過(guò)實(shí)驗或模擬方法確定。一般采用物理模型法和數值參數法。對于較為復雜的缺陷和失效機制空氣彈簧為什么是彈性元件形式 電子器件封裝缺陷和失效的形，常采用試錯法確定關(guān)鍵影響因素，但這種方法測試時(shí)間長(cháng)、設備改造、效率低、成本高。

在分析失效機理的過(guò)程中，使用魚(yú)骨圖（因果圖）來(lái)展示影響因素是業(yè)內常用的方法。魚(yú)骨圖可以說(shuō)明復雜的原因以及影響因素與包裝缺陷之間的關(guān)系，也可以區分多種原因并進(jìn)行分類(lèi)。在生產(chǎn)應用中，有一種魚(yú)骨圖叫做6Ms：從機器、方法、材料、測量、人力、自然力六個(gè)維度分析影響因素。

此圖為魚(yú)骨圖，展示了塑封芯片分層的原因，從設計、工藝、環(huán)境、材料四個(gè)方面進(jìn)行分析。通過(guò)魚(yú)骨圖，將所有影響因素一目了然，為故障分析奠定了良好的基礎。

2. 導致失敗的負載類(lèi)型

如上一節所述，封裝載荷類(lèi)型可分為機械載荷、熱載荷、電載荷、輻射載荷和化學(xué)載荷。

故障機制分類(lèi)

機械載荷：包括填充顆粒對硅片施加的物理沖擊、振動(dòng)、應力（如收縮應力）和慣性力（如航天器的巨大加速度）。材料對這些載荷的響應可能表現為彈性變形、塑性變形、翹曲、脆性或柔性斷裂、界面分層、疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展、蠕變和蠕變開(kāi)裂等。

熱負荷：包括芯片膠固化過(guò)程中的高溫、打線(xiàn)前的預熱、成型工藝、后固化、相鄰元件的再加工、浸焊、氣相焊接和回流焊等。 外部熱負荷會(huì )導致材料因熱膨脹而發(fā)生尺寸變化，也會(huì )改變蠕變速率等物理性能。如果發(fā)生熱膨脹系數失配（CTE ），會(huì )觸發(fā)局部應力，最終導致封裝結構失效。過(guò)高的熱負荷甚至可能導致設備中的可燃材料燃燒。

電氣負載：包括電流傳輸過(guò)程中突然觸電、電壓不穩定或突然振蕩（如接地不良）引起的電流波動(dòng)、靜電放電、過(guò)電應力等。這些外部電氣負載可能會(huì )導致介質(zhì)擊穿、電壓表面擊穿、電能的熱損失或電遷移。它還可能增加電解腐蝕、枝晶生長(cháng)，并導致漏電流和熱降解。

化學(xué)負載：包括化學(xué)環(huán)境引起的離子表面腐蝕、氧化和枝晶生長(cháng)。由于水分可以滲透到塑料封裝中，水分是潮濕環(huán)境中影響塑料封裝器件的主要問(wèn)題。模塑料吸收的水分可以提取模塑料中的催化劑殘留物，形成副產(chǎn)物進(jìn)入金屬基體、半導體材料和貼片的各種界面，導致器件性能下降甚至失效。例如，組裝后殘留在器件上的助焊劑將通過(guò)模塑料遷移到芯片表面。在高頻電路中，介電特性的細微變化（如吸濕后介電常數和損耗因數的變化）非常關(guān)鍵。在高壓轉換器等器件中，封裝擊穿電壓的變化非常關(guān)鍵。此外，一些環(huán)氧聚酰胺和聚氨酯如果長(cháng)時(shí)間暴露在高溫高濕下也會(huì )引起降解（有時(shí)稱(chēng)為“逆轉”）。通常使用加速測試來(lái)確定模塑料是否容易出現此類(lèi)故障。) 如果它們長(cháng)期暴露在高溫高濕的環(huán)境中。通常使用加速測試來(lái)確定模塑料是否容易出現此類(lèi)故障。) 如果它們長(cháng)期暴露在高溫高濕的環(huán)境中。通常使用加速測試來(lái)確定模塑料是否容易出現此類(lèi)故障。

需要注意的是，當施加不同類(lèi)型的負載時(shí)，塑料封裝器件可能會(huì )同時(shí)發(fā)生各種失效機制。例如，熱負載會(huì )導致封裝結構中相鄰材料之間的熱膨脹系數不匹配，從而導致機械故障。其他相互作用包括應力輔助腐蝕、應力腐蝕開(kāi)裂、場(chǎng)致金屬遷移、鈍化層和電解質(zhì)層裂紋、濕熱引起的封裝開(kāi)裂、溫度引起的加速化學(xué)反應等。失效機制的影響不一定等于單個(gè)影響的總和。

3. 包裝缺陷分類(lèi)

封裝缺陷主要包括引腳變形、基體偏移、翹曲、芯片裂紋、分層、空洞、封裝不均、毛刺、異物、固化不完全等。

3.1 引線(xiàn)變形

引線(xiàn)變形通常是指由于塑性化合物流動(dòng)引起的引線(xiàn)位移或變形，通常用引線(xiàn)x的最大橫向位移x與引線(xiàn)長(cháng)度L的比值x/L表示。彎曲的引線(xiàn)可能導致電氣短路（尤其是在高密度 I/O 設備封裝中）。有時(shí)，彎曲產(chǎn)生的應力會(huì )導致結合點(diǎn)開(kāi)裂或結合強度降低。

影響引線(xiàn)鍵合的因素包括封裝設計、引線(xiàn)布局、引線(xiàn)材料和尺寸、模塑料特性、引線(xiàn)鍵合工藝和封裝工藝。影響引線(xiàn)彎曲的引線(xiàn)參數包括引線(xiàn)直徑、引線(xiàn)長(cháng)度、引線(xiàn)斷裂載荷、引線(xiàn)密度等。

3.2 基礎偏移

基體偏移是指支撐芯片的載體（芯片基體）的變形和偏移

該圖顯示了由模塑料引起的底座位移。此時(shí)，上下模腔內的模塑料流動(dòng)不均會(huì )導致底座移位。

影響基體偏移的因素包括塑料化合物的流動(dòng)性、引線(xiàn)框架的組裝設計以及塑料化合物和引線(xiàn)框架的材料特性。由于薄引線(xiàn)框架空氣彈簧為什么是彈性元件形式，諸如薄型小外形封裝 (TSOP) 和薄型四方扁平封裝 (TQFP) 等封裝器件容易出現基極偏移和引腳變形。

3.3 翹曲

翹曲是指封裝器件的平面外彎曲和變形。塑料封裝工藝引起的翹曲會(huì )導致分層、芯片開(kāi)裂等一系列可靠性問(wèn)題。

翹曲還會(huì )導致一系列制造問(wèn)題。例如，在塑料封裝球柵陣列 (PBGA) 器件中，翹曲會(huì )導致焊球共面性不佳，從而在器件組裝到印刷電路板的回流焊接過(guò)程中導致安裝問(wèn)題。.

翹曲模式包括三種模式：凹模式、凸模式和組合模式。在半導體公司，有時(shí)凹面被稱(chēng)為“笑臉”，凸面被稱(chēng)為“哭臉”。

翹曲的主要原因包括 CTE 不匹配和固化/壓縮收縮。后者一開(kāi)始并沒(méi)有受到太多關(guān)注。深入研究發(fā)現，模塑料的化學(xué)收縮對IC器件的翹曲也有重要影響，特別是在芯片上下兩面不同厚度的封裝器件上。在固化和后固化過(guò)程中空氣彈簧為什么是彈性元件形式，模塑料會(huì )在較高的固化溫度下發(fā)生化學(xué)收縮，稱(chēng)為“熱化學(xué)收縮”。通過(guò)提高玻璃化轉變溫度和降低 Tg 附近熱膨脹系數的變化，可以減少固化過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)收縮。

導致翹曲的因素還包括諸如模塑料的成分、模塑料中的水分、封裝的幾何形狀等因素。通過(guò)控制塑料包裝材料和組件、工藝參數、包裝結構和包裝前的環(huán)境，可以最大限度地減少包裝翹曲。在某些情況下，可以通過(guò)封裝電子元件的背面來(lái)補償翹曲。例如，大型陶瓷電路板或多層板在同一側有外部連接，對它們進(jìn)行背面封裝可以減少翹曲。

3.4 破解芯片

封裝過(guò)程中產(chǎn)生的應力會(huì )導致芯片破裂。封裝過(guò)程通常會(huì )加劇之前組裝過(guò)程中形成的微裂紋。晶圓或芯片減薄、背面研磨和芯片鍵合都是可能導致芯片裂紋的步驟。

破裂、機械故障的芯片不一定有電氣故障。芯片破裂是否會(huì )導致器件的瞬時(shí)電氣故障還取決于裂紋的生長(cháng)路徑。例如，如果芯片背面出現裂紋，則可能不會(huì )影響任何敏感結構。

由于硅片相對較薄且易碎，因此晶圓級封裝更容易出現芯片裂紋。因此，必須嚴格控制傳遞成型過(guò)程中的合模壓力、成型轉換壓力等工藝參數，防止芯片開(kāi)裂。由于堆疊工藝，3D堆疊封裝中容易出現芯片裂紋。影響 3D 封裝芯片開(kāi)裂的設計因素包括芯片堆疊結構、基板厚度、成型量和模套厚度。

3.5層

分層或弱結合是指模塑料與其相鄰材料之間的界面之間的分離。脫層位置可能發(fā)生在塑封微電子器件的任何區域；它也可能發(fā)生在封裝過(guò)程、封裝后制造階段或設備使用階段。

封裝工藝造成的鍵合界面不良是造成分層的主要因素。界面空隙、封裝過(guò)程中的表面污染和不完全固化都會(huì )導致粘合不良。其他影響因素包括固化和冷卻過(guò)程中的收縮應力和翹曲。在冷卻過(guò)程中，模塑料與相鄰材料之間的 CTE 不匹配也會(huì )引起熱機械應力，從而導致分層。

分層可以根據接口類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)

3.6 空心

在封裝過(guò)程中，氣泡嵌入環(huán)氧樹(shù)脂材料中以形成空隙?？障犊赡馨l(fā)生在封裝過(guò)程的任何階段，包括在空氣環(huán)境中模塑料的傳遞模塑、填充、灌封和印刷。通過(guò)盡量減少空氣量，例如抽真空或抽真空，可以減少空隙。據報道，所使用的真空壓力范圍為1~（一個(gè)大氣壓）。

充模模擬分析認為，底部熔體的前緣與切屑接觸，導致流動(dòng)性受阻。部分熔體前沿向上流動(dòng)并通過(guò)芯片外圍的大開(kāi)口區域填充半模的頂部。新形成的熔體前沿和吸附的熔體前沿進(jìn)入半模的頂部區域，從而形成氣泡。

3.7 不均勻包

不均勻的塑料封裝厚度會(huì )導致翹曲和分層。傳統的包裝技術(shù)，如傳遞模塑、壓力模塑和灌注包裝技術(shù)，不易出現厚度不均勻的包裝缺陷。晶圓級封裝由于其工藝特性，特別容易出現塑料封裝厚度不均的情況。

為保證塑封層厚度均勻，應固定晶圓載具，使其傾斜度最小，以方便膠刮的安裝。另外，還需要控制刮板的位置空氣彈簧為什么是彈性元件形式 電子器件封裝缺陷和失效的形，保證刮板的壓力穩定，從而得到厚度均勻的塑封層。

在硬化前，當填料顆粒聚集在模塑料局部區域并形成不均勻分布時(shí)，會(huì )導致質(zhì)量不同或材料成分不均勻。模塑料混合不充分會(huì )導致在封裝和灌封過(guò)程中出現不同的定性現象。

3.8 原始邊緣

飛邊是指在塑料封裝成型過(guò)程中通過(guò)分型線(xiàn)并沉積在器件引腳上的模塑料。

夾緊壓力不足是產(chǎn)生毛刺的主要原因。如果不及時(shí)清除銷(xiāo)釘上的模具材料殘留物，就會(huì )在裝配階段造成各種問(wèn)題。例如，下一包裝階段的粘合或粘合不足。樹(shù)脂泄漏是稀疏毛刺的一種形式。

3.9 外來(lái)粒子

在封裝過(guò)程中，如果封裝材料暴露在污染的環(huán)境、設備或材料中，異物會(huì )在封裝內擴散并聚集在封裝內的金屬部件（如IC芯片和引線(xiàn)鍵合點(diǎn)）上，導致腐蝕和其他后續可靠性問(wèn)題。

3.10 未完全固化

固化時(shí)間不足或固化溫度低會(huì )導致固化不完全。另外，兩種包裝材料在澆注時(shí)，混合比例稍有偏差都會(huì )導致固化不完全。為了最大限度地發(fā)揮包裝材料的性能，必須保證包裝材料完全固化。在許多包裝方法中，允許使用后固化方法來(lái)確保包裝材料完全固化。并注意保證包裝材料的準確比例。

4. 包故障分類(lèi)

在封裝組裝階段或器件使用階段，會(huì )發(fā)生封裝失效。尤其是當封裝好的微電子器件組裝在印刷電路板上時(shí)，更容易發(fā)生這種情況。在這個(gè)階段，器件需要承受較高的回流溫度，這可能會(huì )導致塑料封裝化合物的界面分層或開(kāi)裂。

4.1 層

如上一節所述，分層是指塑料封裝材料在粘合界面處與相鄰材料分離?？赡軐е路謱拥耐獠枯d荷和應力包括水蒸氣、濕度、溫度及其綜合影響。

在裝配階段經(jīng)常發(fā)生的一種分層稱(chēng)為蒸汽誘導（或蒸汽誘導）分層，其失效機理主要是在較高溫度下的水蒸氣壓力。當封裝器件組裝在印刷電路板上時(shí)，焊料的熔化溫度需要達到220°C甚至更高，遠高于模塑料的玻璃化轉變溫度（約110~200°C）。在回流的高溫下，存在于塑料模塑料與金屬界面之間的水蒸氣蒸發(fā)形成水蒸氣。產(chǎn)生的蒸氣壓與材料之間的熱失配、吸濕膨脹引起的應力等相互作用，最終導致界面結合薄弱或分離。層，甚至導致包體破裂。與傳統的鉛基焊料相比，無(wú)鉛焊料的回流溫度更高，更容易出現分層問(wèn)題。

吸濕膨脹系數 (CHE)，也稱(chēng)為水分膨脹系數 (CME)

水分擴散到封裝界面的失效機制是水汽和水分引起分層的重要因素。濕氣可以通過(guò)封裝或沿著(zhù)引線(xiàn)框架和模塑料之間的界面擴散。研究發(fā)現，當模塑料和引線(xiàn)框界面之間有良好的結合時(shí)，水分主要通過(guò)塑料封裝進(jìn)入封裝。但是，當由于封裝工藝不良導致邦定界面退化（如邦定溫度引起的氧化、應力釋放不足引起的引線(xiàn)框架翹曲、或過(guò)度修整和形式應力等）時(shí)，會(huì )在封裝輪廓上形成分層微裂紋、濕氣或水蒸氣很容易沿著(zhù)這條路徑擴散。更差，

表面清潔度是良好粘合的關(guān)鍵要求。表面氧化往往會(huì )導致分層（如上一篇提到的例子），如銅合金引線(xiàn)框暴露在高溫下往往會(huì )導致分層。氮氣或其他合成氣體的存在有助于避免氧化。

模塑料中的潤滑劑和粘合促進(jìn)劑會(huì )促進(jìn)分層。潤滑劑可以幫助模塑料與模腔分離，但會(huì )增加界面分層的風(fēng)險。另一方面，增粘劑可以確保模塑料和芯片界面之間的良好結合，但它們很難從模腔中去除。

分層不僅為水蒸氣的擴散提供了途徑，而且是樹(shù)脂開(kāi)裂的來(lái)源。分層界面是裂紋開(kāi)始的位置。當受到較大的外部載荷時(shí)，裂紋會(huì )通過(guò)樹(shù)脂擴展。研究表明，芯片基體與樹(shù)脂之間的分層最容易引起樹(shù)脂裂紋，而其他位置的界面分層對樹(shù)脂裂紋的影響不大。

4.2 氣相誘導裂紋（爆米花現象）

水汽誘導分層的進(jìn)一步發(fā)展將導致氣相誘導裂紋。當包裝內的水蒸氣從裂縫中逸出時(shí)，會(huì )產(chǎn)生爆裂聲，與爆米花的聲音十分相似，故又稱(chēng)爆米花現象。裂紋通常從芯片底部延伸到塑料封裝的底面。在焊接后的電路板中，目視檢查很難發(fā)現這些裂紋。QFP 和 TQFP 等大而薄的塑料封裝最容易爆米花。此外，它們也容易發(fā)生在芯片基區和器件面積比較大，芯片基區和最小塑料封裝材料厚度比較大的器件中。爆米花現象可能伴隨著(zhù)其他問(wèn)題，

塑封器件中的裂紋通常起源于引線(xiàn)框架上的應力集中區域（例如邊緣和毛刺），并在最薄的塑封區域擴大。毛刺是沖壓過(guò)程中引線(xiàn)框架表面的小尺寸變形。改變沖壓方向使引線(xiàn)框架頂部有毛刺，或蝕刻引線(xiàn)框架（成型）可以減少裂紋。

減少塑料封裝器件中的水分是減少爆米花現象的關(guān)鍵。高溫烘烤方法常用于減少塑料封裝器件中的水分。之前的研究發(fā)現，包裝中允許的安全水分含量約為 1100×10^-6（0.11 wt.%）。125℃烘烤24小時(shí)，可充分去除包裝內吸收的水分。

4.3 脆性斷裂

脆性斷裂常發(fā)生在低屈服強度和非彈性材料（如硅片）中。當材料承受過(guò)大應力時(shí)，突然的、災難性的裂紋擴展可能源于小缺陷，例如空隙、夾雜物或不連續性。

4.4 韌性斷裂

塑料包裝材料容易出現脆性和韌性?xún)煞N斷裂模式，這主要取決于環(huán)境和材料因素，包括溫度、聚合物樹(shù)脂的粘度和填充載荷。即使在含有脆性硅填料的高負荷成型材料中，由于聚合物樹(shù)脂的粘性，仍然可能發(fā)生韌性斷裂。

4.5 疲勞斷裂

當模塑料受到極限強度范圍內的循環(huán)應力時(shí)，會(huì )因累積疲勞斷裂而斷裂。施加到塑料包裝材料上的濕氣、熱、機械或組合載荷會(huì )引起循環(huán)應力。疲勞失效是一種磨損失效機制，裂紋通常起源于不連續性或缺陷。

疲勞斷裂機理包括三個(gè)階段：裂紋萌生（階段Ⅰ）；穩定的裂紋擴展（階段Ⅱ）；突然的、不確定的和災難性的失?。á笃冢?。在循環(huán)應力作用下，第二階段的疲勞裂紋擴展是指裂紋長(cháng)度的穩定增長(cháng)。塑料包裝材料的裂紋擴展速率遠高于金屬材料疲勞裂紋擴展的典型值（約3倍）。

5. 加速失效因素

環(huán)境和材料負載和應力，例如濕度、溫度和污染物，將加速塑料封裝設備的故障。塑料包裝過(guò)程在包裝失敗中起著(zhù)關(guān)鍵作用。塑料包裝材料的水分擴散系數、飽和水分含量、離子擴散率、熱膨脹系數、吸濕膨脹系數等特性，都會(huì )對故障率產(chǎn)生很大影響。導致加速失效的主要因素有水分、溫度、污染物和溶劑環(huán)境、殘余應力、自然環(huán)境應力、制造和裝配載荷以及綜合載荷應力條件。

水分會(huì )加速塑料封裝的微電子設備的分層、裂紋和腐蝕失效。在塑料封裝器件中，水分是重要的故障加速因素。與水分引起的加速失效相關(guān)的機制包括粘合表面退化、吸濕膨脹應力、水蒸氣壓、離子遷移以及模塑料特性的變化。水分會(huì )改變模塑料的玻璃化轉變溫度 Tg、彈性模量和體積電阻率。

溫度是另一個(gè)關(guān)鍵的故障加速因素。與模塑料的玻璃化轉變溫度、各種材料的熱膨脹以及由此產(chǎn)生的熱機械應力相關(guān)的溫度水平通常用于評估溫度對封裝失效的影響。溫度對封裝失效的另一個(gè)影響因素是它會(huì )改變與溫度相關(guān)的封裝材料特性、水分擴散系數和金屬間擴散。

污染物和溶劑型環(huán)境污染物為故障的發(fā)生和擴大提供了場(chǎng)所。污染的主要來(lái)源是大氣污染物、水分、助焊劑殘留物、塑料包裝材料中的不潔實(shí)例、熱降解引起的腐蝕元素以及芯片鍵合劑排出的副產(chǎn)品（通常是環(huán)氧樹(shù)脂）。塑料封裝一般不會(huì )被腐蝕，但水分和污染物會(huì )在塑料模塑料中擴散并到達金屬部件，導致塑料封裝器件中的金屬部件腐蝕。

殘余應力芯片鍵合會(huì )產(chǎn)生簡(jiǎn)單應力。應力水平的大小主要取決于管芯附著(zhù)層的特性。由于模塑料的收縮率比其他封裝材料大，所以在模塑過(guò)程中產(chǎn)生的應力是相當大的。壓力測試芯片可用于確定組裝壓力。

自然環(huán)境中的應力 在自然環(huán)境中，模塑料可能會(huì )降解。降解的特點(diǎn)是聚合物鍵斷裂，這通常是將固體聚合物轉化為含有單體、二聚體和其他低分子量物質(zhì)的粘性液體。高溫和封閉環(huán)境通常會(huì )加速降解。陽(yáng)光中的紫外線(xiàn)和大氣臭氧層是降解的強效催化劑，可以通過(guò)切斷環(huán)氧樹(shù)脂的分子鏈引起降解。將塑料封裝的設備與容易引起降解的環(huán)境隔離，使用具有抗降解能力的聚合物都是防止降解的方法。需要在濕熱環(huán)境中工作的產(chǎn)品需要使用抗降解聚合物。

制造和組裝負載 制造和組裝條件會(huì )導致封裝失效空氣彈簧為什么是彈性元件形式 電子器件封裝缺陷和失效的形，包括高溫、低溫、溫度變化、工作負載以及由于模塑料流動(dòng)而施加在鍵合線(xiàn)和芯片基座上的負載。塑料包裝組裝過(guò)程中發(fā)生的爆米花現象就是一個(gè)典型的例子。

綜合載荷應力條件 在制造、裝配或運行過(guò)程中，溫度和濕度等失效加速因素往往并存。聯(lián)合載荷和應力條件通常會(huì )進(jìn)一步加速失效。此功能通常用于加速測試設計，目的是篩選有缺陷的部件和識別容易出現故障的封裝設備。