文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述封裝缺陷。

概述

在電子器件封裝過程中，會(huì)出現(xiàn)多種類型的封裝缺陷，主要涵蓋引線變形、底座偏移、翹曲、芯片破裂、分層、空洞、不均封裝、毛邊、外來顆粒以及不完全固化等。

引線變形

引線變形現(xiàn)象，多發(fā)生于塑封料流動(dòng)階段，表現(xiàn)為引線出現(xiàn)位移或形態(tài)改變。衡量這一缺陷程度，常采用引線最大橫向位移 x 與引線長度 L 的比值 x/L 作為量化指標(biāo)。在高密度 I/O 器件封裝場景中，引線彎曲極易引發(fā)電器短路故障；同時(shí)，彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力還可能致使鍵合點(diǎn)開裂，削弱鍵合強(qiáng)度。而封裝設(shè)計(jì)、引線布局、引線材料與規(guī)格、模塑料特性、引線鍵合工藝以及封裝流程等，均會(huì)對(duì)引線鍵合產(chǎn)生影響；至于引線直徑、長度、斷裂載荷、密度等參數(shù)，更是與引線彎曲程度緊密相關(guān)。

底座偏移

底座偏移指的是芯片載體（即芯片底座）發(fā)生形變與位置偏離。塑封料的流動(dòng)性能、引線框架的組裝設(shè)計(jì)方案，以及塑封料和引線框架的材料特性，均是導(dǎo)致底座偏移的關(guān)鍵因素。像薄型小尺寸封裝（TSOP）、薄型方形扁平封裝（TQFP）這類封裝器件，由于引線框架較薄，在封裝過程中更易出現(xiàn)底座偏移與弓腳變形問題，底座偏移情況可參考下圖。

翹曲

封裝器件在平面之外發(fā)生的彎曲與形變，被稱為翹曲。塑封工藝引發(fā)的翹曲不僅會(huì)帶來分層、芯片開裂等可靠性隱患，還會(huì)在制造環(huán)節(jié)造成諸多問題。以塑封球柵陣列（PBGA）器件為例，翹曲會(huì)導(dǎo)致焊料球共面性不佳，使得器件在回流焊組裝至印刷電路板時(shí)出現(xiàn)故障。

在封裝工藝中，貼裝問題里的翹曲現(xiàn)象存在內(nèi)凹、外凸以及組合模式這三種類型，具體形態(tài)如下圖所示。塑封料成分、模塑料濕氣含量、封裝幾何結(jié)構(gòu)等，都是引發(fā)翹曲的潛在因素。通過精準(zhǔn)把控塑封材料及其成分、優(yōu)化工藝參數(shù)、調(diào)整封裝結(jié)構(gòu)并管理封裝前環(huán)境條件，能夠最大程度減少封裝翹曲。在部分場景下，還可采用對(duì)電子組件封裝背面進(jìn)行處理的方式來補(bǔ)償翹曲。例如，大陶瓷電路板或多層板的外部連接集中在同一側(cè)時(shí)，對(duì)其背面實(shí)施封裝操作，可有效降低翹曲程度。

芯片破裂

此外，封裝工藝過程中產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)致使芯片破裂，而且往往會(huì)加劇前道組裝工序中已形成的微裂縫。晶圓或芯片減薄、背面研磨、芯片黏結(jié)等操作步驟，均可能促使芯片裂縫產(chǎn)生。值得注意的是，出現(xiàn)破裂、機(jī)械失效的芯片，并不一定會(huì)立即出現(xiàn)電氣失效情況。芯片破裂是否會(huì)引發(fā)器件瞬間電氣故障，與裂縫的延伸路徑密切相關(guān)。比如，若裂縫產(chǎn)生于芯片背面，或許不會(huì)對(duì)芯片內(nèi)部敏感結(jié)構(gòu)造成影響。由于硅晶圓質(zhì)地薄且脆，晶圓級(jí)封裝更容易出現(xiàn)芯片破裂問題。因此，在轉(zhuǎn)移成型工藝中，需嚴(yán)格管控夾持壓力、成型轉(zhuǎn)換壓力等工藝參數(shù)，以此防范芯片破裂。而在 3D 堆疊封裝領(lǐng)域，疊層工藝的特性使得芯片破裂風(fēng)險(xiǎn)顯著增加，芯片疊層結(jié)構(gòu)、基板厚度、模塑體積、模套厚度等設(shè)計(jì)因素，都會(huì)對(duì) 3D 封裝中芯片破裂情況產(chǎn)生影響 。

分層

分層或黏結(jié)不牢，本質(zhì)上是塑封料與相鄰材料界面出現(xiàn)分離的現(xiàn)象。這類缺陷可能出現(xiàn)在塑封微電子器件的任意區(qū)域，無論是封裝過程、后封裝制造環(huán)節(jié)，還是器件使用階段，都有可能發(fā)生。其中，封裝工藝導(dǎo)致的界面黏結(jié)不良，是引發(fā)分層的關(guān)鍵因素。界面空洞、封裝時(shí)的表面污染以及固化不完全等情況，均會(huì)致使黏結(jié)效果不佳。此外，固化與冷卻過程中產(chǎn)生的收縮應(yīng)力、翹曲，以及塑封料和相鄰材料間熱膨脹系數(shù)（CTE）不匹配引發(fā)的熱 - 機(jī)械應(yīng)力，也都是分層問題的誘因。

空洞

在封裝工藝?yán)?，氣泡嵌入環(huán)氧材料形成空洞的情況，可能貫穿轉(zhuǎn)移成型、填充、灌封、塑封料印刷等各個(gè)階段。通過排空或抽真空等減少空氣量的手段，能夠有效降低空洞出現(xiàn)的概率。據(jù)相關(guān)研究，采用1--300Torr（1 個(gè)大氣壓760Torr，1Torr = 1.01325×10?Pa）的真空壓力范圍可取得較好效果。填模仿真分析顯示，底部熔體前沿與芯片接觸會(huì)阻礙流動(dòng)性，部分熔體前沿向上經(jīng)芯片外圍大開口區(qū)域填充半模頂部，新老熔體前沿在此交匯，進(jìn)而產(chǎn)生起泡現(xiàn)象。

不均封裝

塑封體厚度不均會(huì)引發(fā)翹曲和分層問題。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)移成型、壓力成型、灌注封裝等技術(shù)，較少出現(xiàn)此類缺陷；而晶圓級(jí)封裝因其工藝特性，更容易導(dǎo)致塑封厚度不一致。為保障塑封層厚度均勻，需固定晶圓載體，盡量減小其傾斜度，以便刮刀安裝；同時(shí)，還需精準(zhǔn)控制刮刀位置，維持刮刀壓力穩(wěn)定。在塑封料硬化前，若填充粒子局部聚集、分布不均，或者塑封料混合不充分，都會(huì)造成材料組成不一致。

毛邊

毛邊是塑封成型時(shí)，模塑料通過分型線沉積在器件引腳上形成的。夾持壓力不足是產(chǎn)生毛邊的主因，若不及時(shí)清除引腳上的模料殘留，會(huì)在組裝階段引發(fā)諸多問題，如后續(xù)封裝過程中鍵合或黏附不充分。樹脂泄漏則屬于較為輕微的毛邊形態(tài)。

外來顆粒及不完全固化

當(dāng)封裝材料接觸受污染的環(huán)境、設(shè)備或其他材料時(shí)，外來粒子會(huì)在封裝內(nèi)部擴(kuò)散，并附著在 IC 芯片、引線鍵合點(diǎn)等金屬部位，進(jìn)而引發(fā)腐蝕及其他可靠性問題。固化時(shí)間不足、溫度偏低，或是兩種封裝料灌注時(shí)混合比例出現(xiàn)偏差，都會(huì)導(dǎo)致不完全固化。為充分發(fā)揮封裝材料性能，不僅要確保其完全固化，在許多封裝工藝中，還可采用后固化工藝輔助；同時(shí)，必須嚴(yán)格把控封裝料的配比精度。