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塑封器件常见失效模式及其机理分析 贺丽 UT 斯达康通讯有限公司，杭州（310053 ） E-mail ：heli-1234@163.com 摘 要：塑封器件因其在封装尺寸、重量和成本等方面的优势性，使其得到越来越广泛的应 用。但是塑封器件自身的缺陷却限制了其在航天、军事等一些高可靠性领域的应用。本文主 要针对影响塑封器件可靠性的常见失效机理，如受潮、机械应力失效、EOS/ESD 以及工艺 缺陷等进行分析和讨论。 关键词：塑封器件，失效模式，失效机理 中图分类号：TN4 1．引言 自1962 年开始出现塑封半导体器件，因其在封装尺寸、重量和成本等方面的优势性， 用户愈来愈多的采用塑封器件代替原先的金属、陶瓷封装器件。但塑封器件在发展初、中期 可靠性水平较低，在80 年代之后，随着高纯度、低应力的塑封材料的使用，高质量的芯片 钝化、芯片粘接、内涂覆材料、引线键合、加速筛选工艺及自动模制等新工艺技术的发展， 使得塑封器件的可靠性逐步赶上金属封装与陶瓷封装的器件。1992 年Priore 和Farrell 公司 6 报道，塑封器件的失效率已从 1978 年的 100 个失效／10 器件小时降低到 1990 年的0．05 6 [1] 个失效／10 器件小时 。 一般塑封器件的失效可分为早期失效和使用期失效，前者多是由设计或工艺失误造成的 质量缺陷所致，可通过常规电性能检测和筛选来判别；后者则是由器件的潜在缺陷引起的， 潜在缺陷的行为与时间和应力有关，经验表明，受潮、腐蚀、机械应力、电过应力和静电放 电等产生的失效占主导地位。 2 ．失效模式及其机理分析 塑封器件，就是用塑封料把支撑集成芯片的引线框架、集成芯片和键合引线包封起来， 从而为集成芯片提供保护。塑封器件封装材料主要是环氧模塑料。环氧模塑料是以环氧树脂 为基体树脂，以酚醛树脂为固化剂，再加上一些填料，如填充剂、阻燃剂、着色剂、偶联剂 等微量组分，在热和固化剂的作用下环氧树脂的环氧基开环与酚醛树脂发生化学反应，产生 交联固化作用使之成为热固性塑料 [2] 。塑封材料不同于陶瓷材料和金属材料，它是一种高 分子复合材料，其固有的有机大分子结构，使其本身存在较高的吸湿性，是一种非气密性封 装。塑封材料主要失效模式为：开路，短路，参数漂移，烧毁。由于塑封器件是非气密性封 装，在封装方面就存在一些缺点，最主要的缺点就是对潮气比较敏感。 2.1 受潮 塑封材料会从环境中吸收或吸附水气，特别是当塑封器件处于潮湿环境时，会吸收或吸 附较多的水气，并且在表面形成一层水膜。受潮是塑封器件的很多失效机理如腐蚀、爆米花 效应等的诱因。 2.1.1 腐蚀 对塑封器件而言，湿气渗入是影响其气密性导致失效的重要原因之一。湿气渗入器件主 要有两条途径： - 1 - 1）由于树脂本身的透湿率与吸水性，水气会直接通过塑封料包封层本体扩散到芯片表面； 2 ）通过塑封料包封层与金属框架间的间隙，然后再沿着内引线与塑封料的封接界面进入器 件芯片表面。 当湿气通过这两条途径到达芯片表面时，在表面形成一层导电水膜，并将塑封料中的Na+ 、 － CL 离子也随之带入，在电位差的作为下，会加速对芯片表面铝布线的电化学腐蚀，最终导 致电路内引线开路。随着电路集成度的不断提高，铝布线越来越细，因此，铝布线腐蚀对器 件寿命的影响就越发严重。 其腐蚀机理均可归结为铝与离子沾污物的化学反应：由于水汽的浸入，加速了水解物质 （Na+ 、CL－）从树脂中的离解，同时也加速芯片表面钝化膜磷硅玻璃离解出(PO )3－。腐蚀 4 过程中离解出的物质由于其物理特性