浅析环氧塑封料性能与器件封装缺陷

编辑/作者:管理员  发布时间:2010-8-26  字号:

                                                         单玉来,李云芝
                                           (汉高华威电子有限公司,江苏连云港222006)
    摘要:简要介绍了环氧塑封料可靠性、流动性、内应力等性能及影响因素;对环氧塑封料与铜框架失效机理进行了分析,包括试验方法等内容,并对封装器件中产生的气孔、油斑问题,从环氧塑封料性能改进方面作了分析,这些都是为了保证最后成品的质量和可靠性,另外对其他器件封装缺陷也作了简要叙述。
    关键词:环氧塑封料;性能;封装缺陷
    中图分类号:TN305.94文献标识码:B文章编号:1004-4507(2009)01-0044-04
    环氧塑封料是一种微电子封装材料,它主要应用于半导体芯片的封装保护。环氧塑封料以其低成本、高生产效率以及合理的可靠性等特点,已经成为现代半导体封装最常见最重要的封装材料之一。它的发展是紧跟半导体技术以及半导体封装技术的发展而发展,同时环氧塑封料技术的发展促进了半导体技术和半导体封装技术的向前发展。电子封装是集成电路芯片生产完成后不可缺少的一道工序,是器件到系统的桥梁。封装这一生产环节对微电子产品的质量和竞争力都有极大的影响。电子封装主要有四大功能,即功率分配、信号分配、散热及包装保护,使电路芯片免受周围环境的影响,它的作用是从集成电路器件到系统之间的连接,包括电学连接和物理连接。在封装过程中,器件封装很容易由于多种原因而导致早期失效,这些缺陷产生的根源很多,可导致在塑封体各个部位产生一系列的失效模式和失效机理,有些缺陷很自然的归类于热机性能造成的,而其他的缺陷通常和一些特殊的制程有关系,以下主要从环氧塑封料的性能方面讨论与器件封装缺陷的关系。
    1·环氧塑封料性能分析
    1.1环氧塑封料的可靠性分析
    影响环氧塑封料可靠性的因素很多,有一致性问题、离子杂质(Cl-、Na+)和粘接强度等因素。离子杂质一方面是由工艺造成,另一方面来自原材料,主要来自树脂(Cl-等活泼非金属离子包括水解氯)和填料(Na+等活泼金属离子包括氧化物),集成电路在使用过程中,尤其在例行试验中,由于周围水分的影响,与环氧塑封料固化物中的杂质离子形成一种能腐蚀Al布线的电解液,并浸入芯片,由于电化学过程,在芯片表面产生电位差,在电场作用下,正负离子向自己相反的电位堆积,阳离子向负极、阴离子向正极,它们的存在严重影响器件的可靠性。只有减少离子杂质,提高产品的耐湿性能才能显著提高环氧封装料的可靠性。
    实施方案A:减少离子杂质,提高产品的纯度 
    (a):加入几种离子吸附剂,捕获阴离子与阳离子。
    R-OH+M+=R-OM+H+
    R-OH+A—=R-A+OH—
    (b):从原材料、试验设备、工艺、环境4个方面加强控制,确保环氧封装料的纯度。通过实施上述二种方案,可有效控制有害离子杂质含量,并显著提高环氧封装料的可靠性。实施方案B:增强粘接强度,提高产品的耐湿性能
    封装后的集成电路在接受严格的稳态湿热、高压蒸煮试验时,致使电路失效的原因是由于塑封料与芯片表面、芯片四周载片台区、引线的精压区等部位易分层,在湿热环境下,水分子经分层界面进入而导致电路失效。分层的发生位置主要是顺着引线方向以及芯片的表面,沿着芯片的边缘到达塑封体边缘。芯片分层之所以引起关注主要是因为分层在芯片的边缘引起应力集中并且对芯片的特性造成损害。分层会导致一系列的失效模式和机理,包括塑封体断裂,腐蚀,金属化分层,焊球移动以及金丝断裂。这将会导致电性能失效、短路以及断路。因此为了解决这个难题,只有增强环氧塑封料与引线框架、芯片、引线、载片台区等部位的浸润性和粘接力,以减少分层现象,提高封装体的耐湿性能。
    在大量文献调研及材料优选工作的基础上,通过加入特种黏接剂,使环氧塑封料与引线框架、芯片等部位形成化学键合,增强框架、芯片-塑封料界面之间的黏结强度,阻止界面脱层与剥离。另外通过加入改性剂及使用特种低粘度树脂,降低环氧塑封料黏度,以提高塑封料、框架、芯片界面之间的浸润性,提高环氧塑封料与引线框架的粘接能力。
    1.2环氧塑封料的内应力
    由于环氧塑封料、芯片、金属框架的线膨胀系数不匹配而产生的内应力,对器件密封性有着不可忽视的影响。因为环氧塑封料膨胀系数大于芯片、框架的膨胀系数,在注模成型冷却或在器件使用环境的温差较大时,有可能导致压焊点脱开,焊线断裂甚至包封层与框架粘接处脱离,由此而引起其器件失效。因此环氧塑封料的线膨胀系数应尽可能的低,但这个降低是受到限制的,因为在降低应力的同时,环氧塑封料的热导率也随之降低,要使这两个方面得以兼顾,取决于配方中填料的类型和用量。填料一般为熔融型或结晶型硅粉,在某些性能需要方面有时候还需要添加球形或其他类型填料。
    1.3环氧塑封料的流动性
    器件封装注塑时模具温度在160℃~180℃,环氧塑封料呈熔融状态,其流动性对注模成功与否至关重要,流动性低对焊线冲击增大,焊线易被冲歪或冲断,并易造成模具冲不满,包封层表面出现褶皱和坑洼;流动性过高,溢料严重,当溢料过早地将模具出气孔堵塞时,空气排不尽,包封层会出现气孔或气泡。
    在环氧塑封料诸成分中,对流动性起主要作用的是主体环氧树脂的熔融黏度和填料二氧化硅的用量和颗粒粗细及形状。结晶型硅微粉具有高导热性,但黏度高,密度大,流速下降。熔融型硅粉流动性好,但导热差。球形硅粉具有好的流动性和填充性,但价格高,因此在实际生产中应根据封装器件性能不同选择使用。
    2·环氧塑封料与铜框架失效
    由于封装尺寸、材料、加工过程的不同,封装断裂出现的位置也不一样,失效一般出现在最弱的内表面。芯片基板和EMC的接触表面分层被认为是最主要的失效原因,所以加强引线框架和环氧塑封料内表面的粘接力是防止分层的最关键解决办法。
    2.1试验方法
    2.2.1氧化框架样品制备
    将铜合金引线框架在烘箱内(175℃,大气环境)下烘烤不同的时间,烘烤后放置于干燥箱内保存。
    2.2.2表面化学物质的测定
    X射线光电子能谱仪被用来分析框架表面的化学组成,采用Al Ka射线源,pass energy为20.0eV,束缚能根据C1s峰的最底位置在284.6 eV来校正。
    2.2.3表面氧化层貌的测定
    使用X射线衍射计来分析黑色氧化层
    2.2.4样品制备
    框架与模塑料的粘接力的测定使用汉高华威的KL-G730-2模塑料和传递模塑设备在175℃下制备样品,样品如图1所示,样品在175℃烘箱内固化6 h,冷却到室温后在AGS-5kNA,Shimadzu Corporation上进行拉力测试。
                 
    2.2结论
    (1)X射线光电子能谱分析揭示了热处理0 min,3 min和6 min后,铜框架表面主要由氢氧化铜和氧化亚铜组成;随着热处理时间的延长,氧化亚铜的含量逐渐升高,之后又有所减少;氢氧化铜随热处理时间的延长而逐渐减少,在热处理0.5 h后,出现了氧化铜。
    (2)对于环氧塑封料和铜框架的粘接力的提高,氢氧化铜和氧化亚铜起主要作用,而氧化铜的存在将显著降低粘接力。
    (3)表面能在热处理的前3 min逐渐增加,随即减少,并维持一定的水平。表面能小于44 mN/m时,对粘接力的促进没有作用,当表面能大于44mN/m时,环氧塑封料对框架的粘接力明显上升。
    (4)失效途径主要依赖于成型前引线框架的表面状态。当表面有氧化铜存在时,失效主要在氧化铜与铜的界面,当表面没有氧化铜存在时,失效主要是模塑料与氧化亚铜界面。
    3·环氧塑封料与封装器件中气孔、油斑
    3.1气孔
    随着半导体器件体积变得越来越小且越来越薄,气孔就成为影响可靠性的最主要因素。随着封装尺寸的收缩,塑封体和芯片的尺寸比率变得越来越小,这样如果气孔存在的话,就会增加气孔处于重要区域的机会,其后果就是增加了失效的几率。
    产生气孔的种类主要有:外部气孔、内部气孔、凹孔。如图2所示。
                 
    产生气孔的原因与模具、注塑工艺、塑封料等多种因素有关,从环氧塑封料方面考虑,主要与环氧塑封料中挥发物含量、吸湿性、黏度、流动性等有关。通过多次试验分析确定了以下几个试验方案,解决了这一应用难题。
    (1)降低环氧塑封料中挥发物的含量;
    (2)调整环氧塑封料的凝胶化时间;
    (3)调整环氧塑封料的流动长度;
    (4)调整环氧塑封料的黏度。
    3.2油斑问题和印字不牢问题
    当塑封体固化已经完成以后,同样还存在着一定数量缺陷会发生。材料不良或者过程缺陷都会导致印字产生拖尾效应。这些印字会消失或者模糊不清,从而造成了产品制造商,器件号码,生产日期等的不可追溯。
    由于封装模具的多样化如模具表面光面与毛面,光面模脱模容易但易在表面形成油斑,毛面模不易产生油斑但脱模较光面模困难。要想彻底解决这一矛盾必须综合考虑这两方面的因素。首先从脱模剂的种类、性能指标以及所占的比例进行研究,进行大量的组合、对比分析试验,并且通过封装测试比较,我们最终选定3种脱模剂,通过进一步调整3种脱模剂的比例,并分别在光面和毛面模具上进行封装试验考核,在兼顾脱模性的同时彻底消除了油斑,彻底解决了油斑和印章不牢等问题。
    4·其他器件封装缺陷
    4.1热机缺陷
    某些缺陷能够导致失效,而这些缺陷都与热以及微观物质的移动有密切关系,产生的主要原因是因环氧塑封料和不同接触界面材料的线膨胀系数的不一致所造成的。
    4.2芯片粘接缺陷
    出现在气密性封装的缺陷同样也会出现在环氧塑封料封装器件中,芯片和基板的粘接性能差,在芯片焊接剂中出现气孔以及不完全充填等。这些缺陷通常都是过程控制较差的结果。
    4.3钝化层缺陷
    一般的钝化层缺陷多为断裂、多孔以及粘接性差,钝化层破裂将会导致开路、间断或者较高的漏电流。它同样和焊球的虚焊及剪切应力有关,这是因为剪切应力集中在芯片的边缘,会导致接近钝化层破裂区域的焊球对芯片造成损伤。
    4.4丝焊/金丝互联缺陷
    焊接板上的污染源或者处理过程不完善都会导致焊接不良。在应力的直接作用下就会出现虚焊、剪切以及碎裂。
    5·结论
    本文主要讨论了环氧塑封料性能与器件封装缺陷的关系,并提出了一些解决办法。随着电子产品向轻、薄、短、小趋势的发展,半导体制程技术飞快的进展,迫使IC构装技术必须不断的提升,朝向更先进技术发展,但是封装的缺陷是影响塑封器件性能及应用相当重要的一环,否则塑封器件的可靠性将成为未来半导体产业发展的瓶颈,甚至减缓整体半导体产业技术发展的速度。随着环氧塑封料封装器件在现在的电子封装中所占的比重增加,其可靠性、流动性、吸湿性等性能问题引起制造商以及使用者关注的程度越来越高。随着现在的电子封装业的迅猛发展,如何调整、完善环氧塑封料的各个方面的性能,使之满足器件封装的要求,还有许多工作要做。