《電子封裝、微機電與微系統(tǒng)》課件第5章

第五章封裝可靠性5.1可靠性概念5.2封裝失效機理5.3電遷移5.4失效分析的簡單流程5.5焊點的可靠性5.6水氣失效5.7加速試驗

5.1可?靠?性?概?念

可靠性是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力?？煽啃栽诂F(xiàn)代電子產(chǎn)品中的地位已與產(chǎn)品的技術(shù)指標相提并論。如何保證和提高各種電子產(chǎn)品的可靠性，已成為國內(nèi)外電子制造產(chǎn)業(yè)界的共同目標。電子封裝的可靠性則是保證電子產(chǎn)品滿足整體可靠性的關(guān)鍵部分。

5.2封裝失效機理

1.機械方面

由于沖擊、振動(如汽車發(fā)動機、火炮外殼在發(fā)射時引信受到的力)等機械運動引起填充料顆粒在硅芯片上產(chǎn)生的應(yīng)力，導(dǎo)致對材料和結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變、塑性形變、彎曲(buckle)、脆性或柔性斷裂(fracture)、界面分層、疲勞裂縫及增殖、蠕變(creep)及蠕變開裂等，從而影響電子產(chǎn)品的可靠性。

2.熱學(xué)方面

由于芯片粘接劑固化時的放熱或者引線鍵合前的預(yù)加熱、成型、后固化以及鄰近元器件的重新加工(rework)、浸錫、波峰焊、回流焊等產(chǎn)生的熱負荷都會導(dǎo)致材料熱膨脹，材料之間的CTE(熱膨脹系數(shù))失配，引起局部應(yīng)力，從而使電子產(chǎn)品失效。圖5-1所示為溫度與失效率之間的關(guān)系。圖5-1溫度與失效率之間的關(guān)系

3.電學(xué)方面

突然的電沖擊(如汽車發(fā)動時的點火)、電壓不穩(wěn)和電傳輸過程中突然的振蕩(如接地不良)，引起電流過沖，從而形成電擊穿、電壓表面擊穿、電能損耗，導(dǎo)致電銹蝕、漏電流、電遷移等。

4.輻射方面

封裝材料中微量的放射性元素(如鈾、釷等放射性元素)會引起粒子輻射，導(dǎo)致器件(尤其是存儲器)性能下降，影響可靠性。

5.化學(xué)方面

由于潮濕環(huán)境造成的潮氣進入電子器件內(nèi)部，引起銹蝕、氧化、離子表面生長等，從而影響電子產(chǎn)品封裝可靠性。進入塑封材料中的潮氣將封裝材料中的催化劑等其它添加劑中的離子萃取出來，生成副產(chǎn)品，浸入芯片的金屬焊盤上、半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上、材料的界面里，導(dǎo)致電子產(chǎn)品失效。

6.特殊失效

較大機械應(yīng)力會對雙極型器件中的小信號電流增益和MOS器件導(dǎo)通產(chǎn)生影響。這類問題可從封裝設(shè)計、材料選擇和工藝過程合理分配熱應(yīng)力，減小由于應(yīng)力誘導(dǎo)引起的器件參數(shù)的變化。

5.3電遷移

電遷移是固體中發(fā)生輸運的現(xiàn)象之一。在半導(dǎo)體器件和IC中，電遷移是主要的失效機理之一。圖5-2所示為高電流密度下的短導(dǎo)線中的電遷移現(xiàn)象示意圖。一根很短的鋁線在發(fā)生電遷移后，可以看到在引線陰極一端形成一個大空洞，而在陽極端則出現(xiàn)堆積。圖5-2短導(dǎo)線電遷移現(xiàn)象

5.4失效分析的簡單流程

失效分析的簡單流程如圖5-3所示。圖5-3失效分析的簡單流程

1.失效模式驗證

失效模式的驗證是否重現(xiàn)在分析中非常重要。如果失效分析工程師看到的失效模式與顧客看到的不一樣，那么接下來的失效分析就沒有意義了。因為失效分析所分析的對象并不是顧客感興趣的東西。

2.失效位置和失效機理假設(shè)

基于產(chǎn)品的電路知識、制造工藝和歷史數(shù)據(jù)，假設(shè)可能的失效位置和失效機理，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計失效分析流程。該步驟將直接影響失效分析的成功率和耗時長短。

3.失效點邏輯物理定位

失效點邏輯物理定位即通過使用電性能測試儀，找到失效的邏輯點，獲得相應(yīng)的邏輯位置。并且利用失效物理定位儀找到電子器件表面上的物理點。

分析失效邏輯點和物理點是否吻合是決定失效分析是否成功的關(guān)鍵。若不一致，我們應(yīng)重新尋找失效的邏輯點和物理點，直到吻合為止。

4.制備樣品

在做失效物理定位時，首先需要進行合格電子樣品的制備工作，使樣品處于工作狀態(tài)。然后利用失效物理定位儀尋找失效的物理點。

5.物理失效分析

失效點物理位置明確后，打開電子器件內(nèi)部，利用物理失效分析儀找到失效的物理點，獲取失效形貌或失效物質(zhì)。只有找到失效的物理點，整個失效分析才完成。

6.失效改進措施

利用分析得到的數(shù)據(jù)，結(jié)合產(chǎn)品的電路知識、制造工藝和歷史數(shù)據(jù)，分析失效機理，提出避免失效的措施和建議。

7.撰寫失效分析報告

撰寫失效分析報告，反饋給顧客，并存檔。失效分析報告是一個很好的培訓(xùn)教材，有助于了解產(chǎn)品的研發(fā)過程，及時掌握電子產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的薄弱環(huán)節(jié)。

5.5焊點的可靠性

1)新型基板材料

一般通過研究熱膨脹系數(shù)相匹配的電子封裝新型基板材料來降低焊點在服役條件下的應(yīng)力應(yīng)變，從而提高焊點的可靠性。新型基板材料的工藝復(fù)雜，價格相對昂貴，其實用性受到限制。

2)基礎(chǔ)理論和測試技術(shù)

焊點熱循環(huán)可靠性的基礎(chǔ)理論和測試技術(shù)具體包括熱循環(huán)壽命預(yù)測、釬料熱循環(huán)條件下的失效機制、焊點可靠性的加速試驗等。

3)釬料合金

釬料合金內(nèi)容包括開發(fā)高可靠性的釬料合金、構(gòu)造釬料的力學(xué)本構(gòu)方程等。

4)?SnPb焊點應(yīng)力應(yīng)變

在熱循環(huán)過程中，SnPb焊點失效是由于焊點周期性的應(yīng)力應(yīng)變所致的，SnPb焊點的應(yīng)力應(yīng)變分析是焊點可靠性預(yù)測的基礎(chǔ)。由于在電子封裝中，SnPb焊點細小，應(yīng)力應(yīng)變過程復(fù)雜，因此焊點應(yīng)力應(yīng)變的實驗測量通常十分困難。

5)?SnPb焊點結(jié)構(gòu)優(yōu)化

SnPb焊點的幾何結(jié)構(gòu)是影響焊點機械性能和熱循環(huán)可靠性的重要因素。改善焊點形態(tài)是提高焊點可靠性的有效途徑。目前，已有多種方法來模擬多種封裝形式(TQFP、PLCC、球柵陣列BGA、倒裝焊)的SnPb焊點形態(tài)，并且對有關(guān)焊點缺陷的形成也有研究，如基于最小能量原理的SurfaceEvolver方法。圖5-4焊點在無高低溫時的應(yīng)力應(yīng)變曲線圖5-5焊點在高低溫時的應(yīng)力應(yīng)變曲線

5.6水氣失效

塑料封裝具有價格低廉、重量較輕、絕緣性能好、抗沖擊性強等優(yōu)點，因此在消費電子領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用。除了塑封材料以外，還有其它環(huán)氧材料，如倒裝焊器件(FlipChip)和球柵陣列中的底充膠材料(Underfill)等。

5.7加速試驗

1.表面安裝器件的預(yù)處理

表面安裝器件(SMD)的發(fā)展導(dǎo)致了有關(guān)封裝開裂和分層方面的質(zhì)量和可靠性問題。空氣中的潮氣會通過擴散進入到滲透性封裝材料中，并聚集在非相似材料結(jié)合面上。預(yù)處理包括SMD焊接到印刷電路板上，封裝體暴露在200℃以上的高溫中。在再流焊過程中，潮氣的膨脹和材料的失配將導(dǎo)致封裝內(nèi)關(guān)鍵結(jié)合面的開裂和分層。

2.偏壓壽命試驗

偏壓壽命試驗的目的是確定偏壓條件和溫度在較長的時間內(nèi)對電子器件的影響。當(dāng)超過參數(shù)極限或在標稱之外和最差條件下，電子器件不能完成其功能時，器件視為失效。

3.溫度循環(huán)試驗

溫度循環(huán)試驗用于測試電子器件在一定時間內(nèi)對極端溫度的耐久性。溫度通常在停留一段時間后，以恒定斜率在某平均值上下變化。溫度循環(huán)試驗把電子器件暴露在機械應(yīng)力下，對有關(guān)芯片與封裝材料之間熱膨脹系數(shù)差異的失效模式進行加速。不同溫度的停留時間對實驗結(jié)果很重要，因為溫度停留時間關(guān)系到應(yīng)力減輕的過程。

4.高壓蒸煮試驗

高壓蒸煮試驗是測量電子器件抗潮濕侵入能力和抗電腐蝕影響的環(huán)境試驗，它屬于破壞性試驗。試驗使用條件包括120℃的高溫和100%的相對濕度。最短試驗時間為96小時。

測試的失效機理包括金屬化腐蝕、潮濕進入和分層。高壓蒸煮試驗時，試驗箱內(nèi)的污染物可能引起器件失效，但是污染物失效不能代表器件的失效。

5.溫度濕度偏壓試驗

溫度濕度偏壓試驗用于測試潮濕引起電子器件的失效。與高加速應(yīng)力試驗(HAST)或高壓蒸煮試驗相比，溫度濕度偏壓試驗要求的溫度和相對濕度條件沒那么嚴格。溫度濕度偏壓試驗要求電子器件能夠經(jīng)受恒定溫度、相對高濕度和偏電壓的考驗。一旦潮氣達到芯片表面，電熱能量把器件變成電解電池，從而加速腐蝕失效機理。

6.高加速應(yīng)力試驗

高加速應(yīng)力試驗(HAST)是在濕