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塑封元器件高可靠应用中的核心问题分析

作者: 网络 编辑: 瑞凯仪器 来源: 网络 发布日期: 2020.07.01
    虽然塑封材料的改进已使塑封器件的物理性能和可靠性有了很大的提高,但在应用中由于封装材料本质特征,仍存在由于潮气入侵和温度性能差而导致的一些可靠性问题。

    1、温度适应性问题

    相对于玻璃和陶瓷,塑封材料属于低温材料,其玻璃化转换温度为130℃~160℃,一般的商用塑封器件主要满足以下3个温度范围的要求:0C~70C(商业温度)、-40℃ ~ 85℃(工业温度)和-40℃~125℃(汽车温度)。但是,这些范围比军用温度范围-55℃ ~ 125℃要窄。由于芯片、引线框架、树脂各自的热膨胀系数不同,树脂模注后产生内应力。在温度循环试验中,这种内应力成为循环变化的应力。在这种应力作用下,衬底之下或引线之间的区域容易产生裂纹,此外连接芯片和引线的键合丝也会因温度循环而周期性变形,从而造成疲劳损伤。

    2、潮气入侵问题

    由于塑封材料具有固有的吸湿性以及环氧成型材料的吸附性,塑封器件会产生很多可靠性问题。潮气的入侵会由于离子沾污而导致大量的与腐蚀有关的失效,在潮湿环境中贮存和使用也会因水汽浸入而发生腐蚀,有害物质,如卤素,常伴随水汽一起侵入,腐蚀会更加严重。塑封材料吸潮后会发生尺寸蠕变,对芯片、键合点和内引线产生应力。如果在塑封材料吸收了水汽的情况下进行焊接,因突然受热使水汽快速膨胀,会对器件造成更严重的损伤,甚至爆裂,这种现象对小尺寸表面贴装电路尤为明显。随着大封装尺寸表贴技术的大量应用,湿度引起的封装损伤(如内部分层和再流焊过程中的开裂现象)会导致一系列的可靠性问题, PEM(塑封微电路)的很多失效机理,如腐蚀和“爆米花"效应都可以归结为潮气入侵。

    3、塑封微电路的分层

    3.1低温分层
    在高可靠应用中,如航空航天环境,环境温度会达到-65℃甚至更低,塑封器件在低温下使用时,会发生塑料外壳分层和开裂导致的器件失效。在从室温到极端寒冷环境的热循环过程中,模压复合物与基片或引线框之间的热膨胀系数(CTE)差异可造成分层和开裂。并且,随着塑料在极端低温下耐开裂强度的下降,开裂的可能性也增加了。
     3.2“爆米 花”效应
    塑封器件在焊接期间传导到器件上的热有三种来源:红外回流焊加热、气相回流焊加热和波峰焊加热。红外加热的峰值温度是235℃~240℃, 10s;气相加热问题215℃+5℃,40s;波峰焊加热温度260℃+5℃,5s。在器件受热过程中,由于管壳中所吸附的水分快速汽化,内部水汽压力过大,使模制材料(环氧树脂化合物)膨胀,出现分层剥离和开裂现象,俗称“爆米花”效应。“爆米花”效应是已经吸潮的塑封器件在短时间内出现开裂的一种失效模式。由于在再流焊过程中,塑封器件所处的环境短时间温度升至205℃~250℃,上升梯度较大(1℃/s~ 2℃/s)。当温度超过塑封材料的玻璃化转换温度(一般130℃~160℃)时,塑封材料变软,如果器件内部有较多水汽,水汽在短时间内受热快速膨胀,造成塑封材料爆裂。
    3.3分层引起的可靠性问题
    研究表明,塑封器件的基片一封装材料界面处的分层会严重影响PEM的可靠性。它会因球焊或楔形焊的切断而引起直接或间歇性电失效,或形成渗透通路和出现集聚水分和离子沾污物的区域,增加器件腐蚀失效的可能性,从而危及PEM的长期可靠性。在引线键合处的分层可能会使键合界面退化,因为在温度循环过程中可能会在球焊处产生机械应力,这就会导致在球焊点下的硅材料破裂。另外,分层可能造成分离的塑料与基片表面产生相对位移,损坏钝化层和金属化层。

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