电子封装中的可靠性问题
电子封装中的可靠性问题
电子器件是一个非常复杂的系统，其封装过程的缺陷和失效也是非常复杂的。因此，研究封装缺陷和失效需要对封装过程有一个系统性的了解，这样才能从多个角度去分析缺陷产生的原因。
封装的失效机理可以分为两类：过应力和磨损。过应力失效往往是瞬时的、灾难性的；磨损失效是长期的累积损坏，往往首先表示为性能退化，接着才是器件失效。失效的负载类型又可以分为机械、热、电气、辐射和化学负载等。
影响封装缺陷和失效的因素是多种多样的，材料成分和属性、封装设计、环境条件和工艺参数等都会有所影响。确定影响因素和预防封装缺陷和失效的基本前提。影响因素可以通过试验或者模拟仿真的方法来确定，一般多采用物理模型法和数值参数法。对于更复杂的缺陷和失效机理，常常采用试差法确定关键的影响因素，但是这个方法需要较长的试验时间和设备修正，效率低、花费高。
在分析失效机理的过程中，采用鱼骨图（因果图）展示影响因素是行业通用的方法。鱼骨图可以说明复杂的原因及影响因素和封装缺陷之间的关系，也可以区分多种原因并将其分门别类。生产应用中，有一类鱼骨图被称为6Ms：从机器、方法、材料、量度、人力和自然力等六个维度分析影响因素。
这一张图所示的是展示塑封芯片分层原因的鱼骨图，从设计、工艺、环境和材料四个方面进行了分析。通过鱼骨图，清晰地展现了所有的影响因素，为失效分析奠定了良好基础。
引发失效的负载类型
如上一节所述，封装的负载类型可以分为机械、热、电气、辐射和化学负载。
失效机理的分类
机械载荷：包括物理冲击、振动、填充颗粒在硅芯片上施加的应力（如收缩应力）和惯性力（如宇宙飞船的巨大加速度）等。材料对这些载荷的响应可能表现为弹性形变、塑性形变、翘曲、脆性或柔性断裂、界面分层、疲劳裂缝产生和扩展、蠕变以及蠕变开裂等等。
热载荷：包括芯片黏结剂固化时的高温、引线键合前的预加热、成型工艺、后固化、邻近元器件的再加工、浸焊、气相焊接和回流焊接等等。外部热载荷会使材料因热膨胀而发生尺寸变化，同时也会改变蠕变速率等物理属性。如发生热膨胀系数失配（CTE失配）进而引发局部应力，并最终导致封装结构失效。过大的热载荷甚至可能会导致器件内易燃材料发生燃烧。
电载荷：包括突然的电冲击、电压不稳或电流传输时突然的振荡（如接地不良）而引起的电流波动、静电放电、过电应力等。这些外部电载荷可能导致介质击穿、电压表面击穿、电能的热损耗或电迁移。也可能增加电解腐蚀、树枝状结晶生长，引起漏电流、热致退化等。
化学载荷：包括化学使用环境导致的腐蚀、氧化和离子表面枝晶生长。由于湿气能通过塑封料渗透，因此在潮湿环境下湿气是影响塑封器件的主要问题。被塑封料吸收的湿气能将塑封料中的催化剂残留萃取出来，形成副产物进入芯片粘接的金属底座、半导体材料和各种界面，诱发导致器件性能退化甚至失效。例如，组装后残留在器件上的助焊剂会通过塑封料迁移到芯片表面。在高频电路中，介质属性的细微变化（如吸潮后的介电常数、耗散因子等的变化）都非常关键。在高电压转换器等器件中，封装体击穿电压的变化非常关键。此外，一些环氧聚酰胺和聚氨酯如若长期暴露在高温高湿环境中也会引起降解（有时也称为“逆转”）。通常采用加速试验来鉴定塑封料是否易发生该种失效。
需要注意的是，当施加不同类型载荷的时候，各种失效机理可能同时在塑封器件上产生交互作用。例如，热载荷会使封装体结构内相邻材料间发生热膨胀系数失配，从而引起机械失效。其他的交互作用，包括应力辅助腐蚀、应力腐蚀裂纹、场致金属迁移、钝化层和电解质层裂缝、湿热导致的封装体开裂以及温度导致的化学反应加速等等。在这些情况下，失效机理的综合影响并不一定等于个体影响的总和。
封装缺陷的分类
封装缺陷主要包括引线变形、底座偏移、翘曲、芯片破裂、分层、空洞、不均匀封装、毛边、外来颗粒和不完全固化等。
引线变形
引线变形通常指塑封料流动过程中引起的引线位移或者变形，通常采用引线最大横向位移x 与引线长度L之间的比值x/L来表示。引线弯曲可能会导致电器短路（特别是在高密度I/O 器件封装中）。有时，弯曲产生的应力会导致键合点开裂或键合强度下降。
影响引线键合的因素包括封装设计、引线布局、引线材料与尺寸、模塑料属性、引线键合工艺和封装工艺等。影响引线弯曲的引线参数包括引线直径、引线长度、引线断裂载荷和引线密度等等。
底座偏移
底座偏移指的是支撑芯片的载体（芯片底座）出现变形和偏移。
如图所示为塑封料导致的底座偏移，此时，上下层模塑腔体内不均匀的塑封料流动会导致底座偏移。
影响底座偏移的因素包括塑封料的流动性、引线框架的组装设计以及塑封料和引线框架的材料属性。薄型小尺寸封装（TSOP）和薄型方形扁平封装（TQFP）等封装器件由于引线框架较薄，容易发生底座偏移和引脚变形。
翘曲
翘曲是指封装器件在平面外的弯曲和变形。因塑封工艺而引起的翘曲会导致如分层和芯片开裂等一系列的可靠性问题。翘曲也会导致一系列的制造问题，如在塑封球栅阵列（PBGA）器件中，翘曲会导致焊料球共面性差，使器件在组装到印刷电路板的回流焊过程中发生贴装
问题。
翘曲模式包括内凹、外凸和组合模式三种。
导致翘曲的原因主要包括CTE失配和固化/压缩收缩。后者一开始并没有受到太多的关注，深入研究发现，模塑料的化学收缩在IC器件的翘曲中也扮演着重要角色，尤其是在芯片上下两侧厚度不同的封装器件上。在固化和后固化的过程中，塑封料在高固化温度下将发生化学收缩，被称为“热化学收缩”。通过提高玻璃化转变温度和降低Tg附近的热膨胀系数变化，可以减小固化过程中发生的化学收缩。
导致翘曲的因素还包括诸如塑封料成分、模塑料湿气、封装的几何结构等等。通过对塑封材料和成分、工艺参数、封装结构和封装前环境的把控，可以将封装翘曲降低到最小。在某些情况下，可以通过封装电子组件的背面来进行翘曲的补偿。例如，大陶瓷电路板或多层板的外部连接位于同一侧，对他们进行背面封装可以减小翘曲。
芯片破裂
封装工艺中产生的应力会导致芯片破裂。封装工艺通常会加重前道组装工艺中形成的微裂缝。晶圆或芯片减薄、背面研磨以及芯片粘结都是可能导致芯片裂缝萌生的步骤。
破裂的、机械失效的芯片不一定会发生电气失效。芯片破裂是否会导致器件的瞬间电气失效还取决于裂缝的生长路径。例如，若裂缝出现在芯片的背面，可能不会影响到任何敏感结构。
因为硅晶圆比较薄且脆，晶圆级封装更容易发生芯片破裂。因此，必须严格控制转移成型工艺中的夹持压力和成型转换压力等工艺参数，以防止芯片破裂。3D堆叠封装中因叠层工艺而容易出现芯片破裂。在3D封装中影响芯片破裂的设计因素包括芯片叠层结构、基板厚度、模塑体积和模套厚度等。
分层
分层或粘结不牢指的是在塑封料和其相邻材料界面之间的分离。分层位置可能发生在塑封微电子器件中的任何区域；同时也可能发生在封装工艺、后封装制造阶段或者器件使用阶段。封装工艺导致的不良粘接界面是引起分层的主要因素。界面空洞、封装时的表面污染和固化不完全都会导致粘接不良。其他影响因素还包括固化和冷却时收缩应力与翘曲。在冷却过程中，塑封料和相邻材料之间的CTE不匹配也会导致热-机械应力，从而导致分层。
可以根据界面类型对分层进行分类：
空洞
封装工艺中，气泡嵌入环氧材料中形成了空洞，空洞可以发生在封装工艺过程中的任意阶段，包括转移成型、填充、灌封和塑封料至于空气环境下的印刷。通过最小化空气量，如排空或者抽真空，可以减少空洞。有报道采用的真空压力范围为1~300Torr（一个大气压为760Torr）。
填模仿真分析认为，是底部熔体前沿与芯片接触，导致了流动性受到阻碍。部分熔体前沿向上流动并通过芯片外围的大开口区域填充半模顶部。新形成的熔体前沿和吸附的熔体前沿进入半模顶部区域，从而形成起泡。
不均匀封装
非均匀的塑封体厚度会导致翘曲和分层。传统的封装技术，诸如转移成型、压力成型和灌注封装技术等，不易产生厚度不均匀的封装缺陷。晶圆级封装因其工艺特点，而特别容易导致不均匀的塑封厚度。
为了确保获得均匀的塑封层厚度，应固定晶圆载体使其倾斜度最小以便于刮刀安装。此外，需要进行刮刀位置控制以确保刮刀压力稳定，从而得到均匀的塑封层厚度。
在硬化前，当填充粒子在塑封料中的局部区域聚集并形成不均匀分布时，会导致不同质或不均匀的材料组成。塑封料的不充分混合将会导致封装灌封过程中不同质现象的发生。
毛边
毛边是指在塑封成型工艺中通过分型线并沉积在器件引脚上的模塑料。
夹持压力不足是产生毛边的主要原因。如果引脚上的模料残留没有及时清除，将导致组装阶段产生各种问题。例如，在下一个封装阶段中键合或者黏附不充分。树脂泄漏是较稀疏的毛边形式。
外来颗粒
在封装工艺中，封装材料若暴露在污染的环境、设备或者材料中，外来粒子就会在封装中扩散并聚集在封装内的金属部位上（如IC芯片和引线键合点），从而导致腐蚀和其他的后续可靠性问题。
不完全固化
固化时间不足或者固化温度偏低都会导致不完全固化。另外，在两种封装料的灌注中，混合比例的轻微偏移都将导致不完全固化。为了最大化实现封装材料的特性，必须确保封装材料完全固化。在很多封装方法中，允许采用后固化的方法确保封装材料的完全固化。而且要注意保证封装料比例的精确配比。
封装失效的分类
在封装组装阶段或者器件使用阶段，都会发生封装失效。特别是当封装微电子器件组装到印刷电路板上时更容易发生，该阶段器件需要承受高的回流温度，会导致塑封料界面分层或者破裂。
分层
如上一节所述，分层是指塑封材料在粘接界面处与相邻的材料分离。可能导致分层的外部载荷和应力包括水汽、湿气、温度以及它们的共同作用。
在组装阶段常常发生的一类分层被称为水汽诱导（或蒸汽诱导）分层，其失效机理主要是相对高温下的水汽压力。在封装器件被组装到印刷电路板上的时候，为使焊料融化温度需要达到220℃甚至更高，这远高于模塑料的玻璃化转变温度（约110~200℃）。在回流高温下，塑封料与金属界面之间存在的水汽蒸发形成水蒸气，产生的蒸汽压与材料间热失配、吸湿膨胀引起的应力等因素共同作用，最终导致界面粘接不牢或分层，甚至导致封装体的破裂。无铅焊料相比传统铅基焊料，其回流温度更高，更容易发生分层问题。
吸湿膨胀系数（CHE），又称湿气膨胀系数（CME）
湿气扩散到封装界面的失效机理是水汽和湿气引起分层的重要因素。湿气可通过封装体扩散，或者沿着引线框架和模塑料的界面扩散。研究发现，当模塑料和引线框架界面之间具有良好粘接时，湿气主要通过塑封体进入封装内部。但是，当这个粘结界面因封装工艺不良（如键合温度引起的氧化、应力释放不充分引起的引线框架翘曲或者过度修剪和形式应力等）而退化时，在封装轮廓上会形成分层和微裂缝，并且湿气或者水汽将易于沿这一路径扩散。更糟糕的是，湿气会导致极性环氧黏结剂的水合作用，从而弱化和降低界面的化学键合。
表面清洁是实现良好粘结的关键要求。表面氧化常常导致分层的发生（如上一篇中所提到的例子），如铜合金引线框架暴露在高温下就常常导致分层。氮气或其他合成气体的存在，有利于避免氧化。
模塑料中的润滑剂和附着力促进剂会促进分层。润滑剂可以帮助模塑料与模具型腔分离，但会增加界面分层的风险。另一方面，附着力促进剂可以确保模塑料和芯片界面之间的良好粘结，但却难以从模具型腔内清除。
分层不仅为水汽扩散提供了路径，也是树脂裂缝的源头。分层界面是裂缝萌生的位置，当承受交大外部载荷的时候，裂缝会通过树脂扩展。研究表明，发生在芯片底座地面和树脂之间的分层最容易引起树脂裂缝，其它位置出现的界面分层对树脂裂缝的影响较小。
气相诱导裂缝（爆米花现象）
水汽诱导分层进一步发展会导致气相诱导裂缝。当封装体内水汽通过裂缝逃逸时会产生爆裂声，和爆米花的声音非常像，因此又被称为爆米花现象。裂缝常常从芯片底座向塑封底面扩展。在焊接后的电路板中，外观检查难以发现这些裂缝。QFP和TQFP等大而薄的塑封形式
最容易产生爆米花现象；此外也容易发生在芯片底座面积与器件面积之比较大、芯片底座面积与最小塑封料厚度之比较大的的器件中。爆米花现象可能会伴随其他问题，包括键合球从键合盘上断裂以及键合球下面的硅凹坑等。
塑封器件内的裂缝通常起源于引线框架上的应力集中区（如边缘和毛边），并且在最薄塑封区域内扩展。毛边是引线框架表面在冲压工艺中产生的小尺寸变形，改变冲压方向使毛边位于引线框架顶部，或者刻蚀引线框架（模压）都可以减少裂缝。
减少塑封器件内的湿气是降低爆米花现象的关键。常采用高温烘烤的方法减少塑封器件内的湿气。前人研究发现，封装内允许的安全湿气含量约为1100×10^-6（0.11 wt.%)。在125℃下烘烤24h，可以充分去除封装内吸收的湿气。
脆性断裂
脆性断裂经常发生在低屈服强度和非弹性材料中（如硅芯片）。到材料受到过应力作用时，突然的、灾难性的裂缝扩展会起源于如空洞、夹杂物或不连续等微小缺陷。
韧性断裂
塑封材料容易发生脆性和韧性两种断裂模式，主要取决于环境和材料因素，包括温度、聚合树脂的黏塑特性和填充载荷。即使在含有脆性硅填料的高加载塑封材料中，因聚合树脂的黏塑特性，仍然可能发生韧性断裂。
疲劳断裂
塑封料遭受到极限强度范围内的周期性应力作用时，会因累积的疲劳断裂而断裂。施加到塑封材料上的湿、热、机械或综合载荷，都会产生循环应力。疲劳失效是一种磨损失效机理，裂缝一般会在间断点或缺陷位置萌生。
疲劳断裂机理包括三个阶段：裂纹萌生（阶段Ⅰ）；稳定的裂缝扩展（阶段Ⅱ）；突发的、不确定的、灾难性失效（阶段Ⅲ）。在周期性应力下，阶段Ⅱ的疲劳裂缝扩展指的是裂缝长度的稳定增长。塑封材料的裂纹扩展速率要远高于金属材料疲劳裂缝扩展的典型值（约3倍）。加速失效的因素
环境和材料的载荷和应力，如湿气、温度和污染物，会加速塑封器件的失效。塑封工艺正在封装失效中起到了关键作用，如湿气扩散系数、饱和湿气含量、离子扩散速率、热膨胀系数和塑封材料的吸湿膨胀系数等特性会极大地影响失效速率。导致失效加速的因素主要有潮气、温度、污染物和溶剂性环境、残余应力、自然环境应力、制造和组装载荷以及综合载荷应力条件。
潮气能加速塑封微电子器件的分层、裂缝和腐蚀失效。在塑封器件中，潮气是一个重要的失效加速因子。与潮气导致失效加速有关的机理包括粘结面退化、吸湿膨胀应力、水汽压力、离子迁移以及塑封料特性改变等等。潮气能够改变塑封料的玻璃化转变温度Tg、弹性模量和体积电阻率等特性。
温度是另一个关键的失效加速因子，通常利用与模塑料的玻璃化转变温度、各种材料的热膨胀洗漱以及由此引起的热-机械应力相关的温度等级来评估温度对封装失效的影响。温度对封装失效的另一个影响因素表现在会改变与温度相关的封装材料属性、湿气扩散系数和金属间扩散等失效。
污染物和溶剂性环境污染物为失效的萌生和扩展提供了场所，污染源主要有大气污染物、湿气、助焊剂残留、塑封料中的不洁净例子、热退化产生的腐蚀性元素以及芯片黏结剂中排出的副产物（通常为环氧）。塑料封装体一般不会被腐蚀，但是湿气和污染物会在塑封料中扩散并达到金属部位，引起塑封器件内金属部分的腐蚀。
残余应力芯片粘结会产生单于应力。应力水平的大小，主要取决于芯片粘接层的特性。由于模塑料的收缩大于其他封装材料，因此模塑成型时产生的应力是相当大的。可以采用应力测试芯片来测定组装应力。
自然环境应力在自然环境下，塑封料可能会发生降解。降解的特点是聚合键的断裂，常常是固体聚合物转变成包含单体、二聚体和其他低分子量种类的黏性液体。升高的温度和密闭的环境常常会加速降解。阳光中的紫外线和大气臭氧层是降解的强有力催化剂，可通过切断环氧树脂的分子链导致降解。将塑封器件与易诱发降解的环境隔离、采用具有抗降解能力的聚合物都是防止降解的方法。需要在湿热环境下工作的产品要求采用抗降解聚合物。
制造和组装载荷制造和组装条件都有可能导致封装失效，包括高温、低温、温度变化、操作载荷以及因塑封料流动而在键合引线和芯片底座上施加的载荷。进行塑封器件组装时出现的爆米花现象就是一个典型的例子。
综合载荷应力条件在制造、组装或者操作的过程中，诸如温度和湿气等失效加速因子常常是同时存在的。综合载荷和应力条件常常会进一步加速失效。这一特点常被应用于以缺陷部件筛选和易失效封装器件鉴别为目的的加速试验设计。
失效分析简介
失效分析是一门发展中的新兴学科，近年开始从军工向普通企业普及，它一般根据失效模式和现象，通过分析和验证，模拟重现失效的现象，找出失效的原因，挖掘出失效的机理的活动。在提高产品质量，技术开发、改进，产品修复及仲裁失效事故等方面具有很强的实际意义。
失效分析流程
各种材料失效分析检测方法
1. PCB/PCBA失效分析
PCB作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽已经成为电子信息产品的最为重要而关键的部分，其质量的好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。
图2 PCB/PCBA
失效模式
爆板、分层、短路、起泡，焊接不良，腐蚀迁移等。
常用手段
无损检测：
外观检查，X射线透视检测，三维CT检测，C-SAM检测，红外热成像
表面元素分析：
扫描电镜及能谱分析（SEM/EDS）
显微红外分析（FTIR）
俄歇电子能谱分析（AES）
X射线光电子能谱分析（XPS）
二次离子质谱分析（TOF-SIMS）
热分析：
差示扫描量热法（DSC）
热机械分析（TMA）
热重分析（TGA）
动态热机械分析（DMA）
导热系数（稳态热流法、激光散射法）
电性能测试：
击穿电压、耐电压、介电常数、电迁移
破坏性能测试：
染色及渗透检测
2. 电子元器件失效分析
电子元器件技术的快速发展和可靠性的提高奠定了现代电子装备的基础，元器件可靠性工作的根本任务是提高元器件的可靠性。
图3 电子元器件
失效模式
开路，短路，漏电，功能失效，电参数漂移，非稳定失效等
常用手段
电测：连接性测试电参数测试功能测试
无损检测：
开封技术（机械开封、化学开封、激光开封）
去钝化层技术（化学腐蚀去钝化层、等离子腐蚀去钝化层、机械研磨去钝化层）
微区分析技术（FIB、CP）
制样技术：
开封技术（机械开封、化学开封、激光开封）
去钝化层技术（化学腐蚀去钝化层、等离子腐蚀去钝化层、机械研磨去钝化层）
微区分析技术（FIB、CP）
显微形貌分析：
光学显微分析技术
扫描电子显微镜二次电子像技术
表面元素分析：
扫描电镜及能谱分析（SEM/EDS）
俄歇电子能谱分析（AES）
X射线光电子能谱分析（XPS）
二次离子质谱分析（SIMS）
无损分析技术：
X射线透视技术
三维透视技术
反射式扫描声学显微技术（C-SAM）
4. 高分子材料失效分析
高分子材料技术总的发展趋势是高性能化、高功能化、复合化、智能化和绿色化。因为技术的全新要求和产品的高要求化，而需要通过失效分析手段查找其失效的根本原因及机理，来提高产品质量、工艺改进及责任仲裁等方面。
图6 免喷涂塑料
失效模式
断裂，开裂，分层，腐蚀，起泡，涂层脱落，变色，磨损失效
常用手段
成分分析：
傅里叶红外光谱仪（FTIR）
显微共焦拉曼光谱仪（Raman）
扫描电镜及能谱分析（SEM/EDS）
X射线荧光光谱分析（XRF）
气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）
裂解气相色谱-质谱联用（PGC-MS）
核磁共振分析（NMR）
俄歇电子能谱分析（AES）
X射线光电子能谱分析（XPS）
X射线衍射仪（XRD）
飞行时间二次离子质谱分析（TOF-SIMS）
热分析：
差示扫描量热法（DSC）
热机械分析（TMA）
热重分析（TGA）
动态热机械分析（DMA）
导热系数（稳态热流法、激光散射法）
裂解分析：
裂解气相色谱-质谱法
凝胶渗透色谱分析（GPC）
熔融指数测试（MFR）
断口分析：
扫描电子显微镜（SEM），X射线能谱仪（EDS）等
物理性能分析：
硬度计，拉伸试验机，万能试验机等
5. 复合材料失效分析
复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料组合而成。具有比强度高，优良的韧性，良好的环境抗力等优点，因此在实际生产中得以广泛应用。
失效模式
断裂，变色失效，腐蚀，机械性能不足等
常用手段
无损检测：
射线检测技术（X 射线、γ射线、中子射线等），工业CT,康普顿背散射成像（CST）技术，超声检测技术（穿透法、脉冲反射法、串列法），红外热波检测技术，声发射检测技术，涡流检测技术，微波检测技术，激光全息检验法等。
成分分析：
X射线荧光光谱分析（XRF）等，参见高分子材料失效分析中成分分析。
热分析：
重分析法（TG）、差示扫描量热法（DSC）、静态热机械分析法(TMA)、动态热机械分析（DMTA）、动态介电分析（DETA）
破坏性实验：
切片分析（金相切片、聚焦离子束（FIB）制样、离子研磨（CP）制样）
6. 涂层/镀层失效分析
图7 左IC分层失效、右涂层样品界面点腐蚀失效
失效模式
分层，开裂，腐蚀，起泡，涂/镀层脱落，变色失效等
常用手段
成分分析：
参见高分子材料失效分析
热分析：
参见高分子材料失效分析
断口分析：
体式显微镜（OM）
扫描电镜分析（SEM）
物理性能：
拉伸强度、弯曲强度等
模拟试验（必要时）
在同样工况下进行试验，或者在模拟工况下进行试验。
分析结果提交
1) 提出失效性质、失效原因
2) 提出预防措施（建议）
3) 提交失效分析报告
总结：失效分析是经验和科学的结合，失效分析工程师就如医生，工艺设计之初要有预防对策；产品生产后，进行体检，找出其中的隐患，给出预防办法去防止；失效发生后通过各种手段查找病因：验血，照X光，做B超等，根据检验的数据进行分析是什么症状并对症下药，给出补救办法。
晶圆封装可靠性实验项目
可靠性试验项目 项目 参考标准 检测目的 预处理PRE JESD22-A113F 模拟贴装产品在运输、贮存直到回流焊上整机受 到温度、湿度等环境变化的影响。此试验应在可 靠性试验之前进行，仅代表产品的封装等级。 湿气敏感等级试验MSL IPC/JEDEC J-STD-020 确定那些由湿气所诱发应力敏感的非气密固态 表面贴装元器件的分类, 以便对其进行正确的封 装, 储存和处理, 以防回流焊和维修时损伤元器 件。 稳态湿热THT GB/T2423.3 JESD22-A101 评定产品经长时间施加湿度应力和温度应力作 用的能力。 温度循环TCT JESD22-A104 GB/T 2423.22 评定产品封装承受极端高温和极端低温的能力， 以及极端高温和极端低温交替变化的影响。 高温试验HTST GB/T 2423.2 JESD22-A103 评定产品承受长时间高温应力作用的能力。 低温试验LTST GB/T 2423.1 JESD22-A119 评定产品承受长时间低温应力作用的能力。 高压蒸煮PCT JESD22-A102 评定产品封装的抗潮湿能力。 高速老化寿命试验(u)HAST JESD22-A110 JESD22-A118 评定非气密性封装在(无)偏置条件下的抗潮湿能 力。
回流焊Reflow JESD22-A113 评定产品在回流焊接过程中所产生之热阻力及 效应。 电耐久BURN-IN GB/T 4587 评定器件经长时间施加电应力（电压、电流）和 温度应力（产品因负载造成的温升）作用的能力。 高温反偏HTRB GB/T 4587 JESD22-A108 评定器件承受长时间电应力（电压）和温度应力 作用的能力。 耐焊接热SHT GB/T 2423.28 JESD22-B106 评定产品在其焊接时的耐热能力。 可焊性Solderability GB/T 2423.28 EIA/IPC/JEDEC J-STD-002 评定产品的可焊性能力。 锡须生长 Tin Whisker Test JESD201 JESD22-A121 评定产品承受长时间施加温湿度应力作用下锡 须生长情况。 电性测试Electrical Test GB/T 4589.1 GB/T 4587 GB/T 4586 GB/T 4023 GB/T 6571 评定产品电性能力。主要针对分立器件产品测 试。
(完整版)√MOS器件及其集成电路的可靠性与失效分析
MOS 器件及其集成电路的可靠性与失效分析（提要） 作者：Xie M. X. (UESTC ，成都市) 影响MOS 器件及其集成电路可靠性的因素很多，有设计方面的，如材料、器件和工艺等的选取；有工艺方面的，如物理、化学等工艺的不稳定性；也有使用方面的，如电、热、机械等的应力和水汽等的侵入等。 从器件和工艺方面来考虑，影响MOS 集成电路可靠性的主要因素有三个：一是栅极氧化层性能退化；二是热电子效应；三是电极布线的退化。 由于器件和电路存在有一定失效的可能性，所以为了保证器件和电路能够正常工作一定的年限（例如，对于集成电路一般要求在10年以上），在出厂前就需要进行所谓可靠性评估，即事先预测出器件或者IC 的寿命或者失效率。 （1）可靠性评估： 对于各种元器件进行可靠性评估，实际上也就是根据检测到的元器件失效的数据来估算出元器件的有效使用寿命——能够正常工作的平均时间（MTTF ，mean time to failure ）的一种处理过程。 因为对于元器件通过可靠性试验而获得的失效数据，往往遵从某种规律的分布，因此根据这些数据，由一定的分布规律出发，即可估算出MTTF 和失效率。 比较符合实际情况、使用最广泛的分布规律有两种，即对数正态分布和Weibull 分布。 ①对数正态分布： 若一个随机变量x 的对数服从正态分布，则该随机变量x 就服从对数正态分布；对数正态分布的概率密度函数为 222/)(ln 21)(σμπσ--?=x e x x f 该分布函数的形式如图1所示。 对数正态分布是对数为正态分布的任 意随机变量的概率分布；如果x 是正态分布 的随机变量，则exp(x)为对数分布；同样， 如果y 是对数正态分布，则log(y)为正态分 布。 ②Weibull 分布： 由于Weibull 分布是根据最弱环节模型 或串联模型得到的，能充分反映材料缺陷和 应力集中源对材料疲劳寿命的影响，而且具 有递增的失效率，所以，将它作为材料或零件的寿命分布模型或给定寿命下的疲劳强 度模型是合适的；而且尤其适用于机电类产品的磨损累计失效的分布形式。由于它可以根据失效概率密度来容易地推断出其分布参数，故被广泛地应用于各种寿命试验的数据处理。与对数正态分布相比，Weibull 分布具有更大的适用性。 Weibull 分布的失效概率密度函数为 m t m t m e t m t f )/()(ηη--?= 图1 对数正态分布
封装失效分析1
第二单元 集成电路芯片封装可靠性知识—郭小伟 （60学时） 第一章、可靠性试验 1．可靠性试验常用术语 试验名称 英文简称 常用试验条件 备注 温度循环 TCT （T/C ） －65℃~150℃, dwell15min, 100cycles 试验设备采用气冷的方式，此温度设置为设备的极限温度 高压蒸煮 PCT 121℃，100RH., 2ATM,96hrs 此试验也称为高压蒸汽，英文也称为autoclave 热冲击 TST （T/S ） －65℃~150℃, dwell15min, 50cycles 此试验原理与温度循环相同，但温度转换速率更快，所以比温度循环更严酷。 稳态湿热 THT 85℃,85%RH., 168hrs 此试验有时是需要加偏置电压的，一般为Vcb=0.7~0.8BVcbo,此时试验为THBT 。 易焊性 solderability 235℃,2±0.5s 此试验为槽焊法，试验后为10~40倍的显微镜下看管脚的 上锡面积。 耐焊接热 SHT 260℃,10±1s 模拟焊接过程对产品的影响。 电耐久 Burn in Vce=0.7Bvceo, Ic=P/Vce,168hrs 模拟产品的使用。（条件主要针 对三极管） 高温反偏 HTRB 125℃, Vcb=0.7~0.8BVcbo, 168hrs 主要对产品的PN 结进行考核。回流焊 IR reflow Peak temp.240℃ （225℃） 只针对SMD 产品进行考核，且 最多只能做三次。 高温贮存 HTSL 150℃,168hrs 产品的高温寿命考核。 超声波检测 SAT CSCAN,BSCAN,TSCAN 检测产品的内部离层、气泡、裂缝。但产品表面一定要平整。
1-3-半导体封装件的可靠性评价方法
1-3-半导体封装件的可靠性评价方法
半导体封装件的可靠性评价方法 Lunasus 科技公司，佐土原宽 Lunasus 科技公司细川丰 本章将依据半导体封装件可靠性评价的基本考虑方法，以故障机理为基础的实验条件介绍，并根据韦布图来解说可靠性试验下的（产品）寿命推导方法。 封装件开发及材料变化过程中的可靠性评价方法 为实现半导体封装件功能和电气特性的提高，在推动多引脚化的同时，也要发展高密度封装化下的小型、薄型化。最近，搭载多个芯片的SiP（System in Package，系统级封装）和芯片尺寸（与封装尺寸）非常相近的CSP（Chip Size Package，芯片级封装）已开始量产，封装件的构造多种多样。另外，为达成封装件低成本化和环保的要求，采用规格更高的封装件材料的开发正在活跃起来。但封装件构造的复杂化和新型材料的使用不能对制造品质和可靠性造成影响。这里将对新型封装件的开发和材料改变下的可靠性评价方法进行解说。 最近的半导体封装件多数属于树脂灌封型，对半导体单体的可靠性评价包括，高温保存（或动作）实验，耐湿性实验以及温度循环实验。另外，对于有可能要进行表面装配的高密度封装器型，需考虑焊接装配过程中的热应力情况，因此焊锡耐热性实验也是不可缺少的。这些可靠性试验，是对半导体封装件在实际使用过程中所预想发生的各种故障进行短时间评价的加速性实验方法。接下来需要先确定半导
体所发生的各种故障的主要加速原因是什么后才能进行实验。例如，对于树脂封装件来讲，湿度（水分）是造成硅芯片上金属线路受到腐蚀（图1）的主要原因之一，而温度可以加快水分浸入封装件内的速度，所以高温、高湿下的实验才有效果。与此同时，在电压也是故障主因的场合，有必要进行高温、高湿下的通电实验。 如上所述，对于封装件相关的各种故障，通过对机理的解析，找出加速实验的主要因子，设定合适的可靠性实验条件，这些就是可靠性评价的基础。 针对封装件构造的可靠性试验 正如开头所述，为实现封装件的高功能、高密度化，封装件的外观形状的主流是QFP（Quad Flat Package，四面扁平封装）和BGA
半导体器件封装的可靠性研究
无锡工艺职业技术学院电子信息工程系 毕业设计论文 半导体器件封装的可靠性研究 专业名称应用电子技术 学生姓名 学号 指导教师鲍小谷 毕业设计时间2010年2月20日~6月12日
半导体器件是经过衬底制备、外延、氧化、光刻、掺杂、封装等工序做出来的。但要保证做出的产品在正式生产后可以让顾客使用，且安全可靠、经久耐用，就必须在研究发展期间就将可靠度设计于产品质量中，因此试验的工作是不可少的。 试验是评估系统可靠度的一种方法，就是将成品或组件仿真实际使用环境或过应力的情况下予以试验，利用过程中失效之左证数据来评估可靠度。当然佐证资料越多，对所估计的可靠度信心也越大，可是人们又不希望采用大量样本来进行试验。若不做试验或做某种程度的试验，就根本不知道产品可靠的程度。 本文主要介绍了可靠性试验在半导体器件封装中是怎样使用的，从而来突出可靠性试验在封装中起着很重要的作用。 关键词：半导体器件；封装类型；可靠性；试验 Abstract Semiconductor substrate after the preparation, epitaxy, oxidation, lithography, doping, packaging and other processes done. However, to ensure that products made after the official production for customers to use, and safe, reliable, and durable, it is necessary to research and development in reliability during the design will be in product quality, and therefore the work of test is indispensable. Trial is to assess the system reliability of the method is that simulation will be finished products or components of the actual use of the environment or the circumstances have to be stress test, using the process of failure data to assess the reliability of proof. Of course, the more supporting information, the reliability of the estimate the greater the confidence, but people do not want to adopt a large number of samples tested. Do not test or do some degree of testing, simply do not know the extent of product reliability. This paper introduces the reliability test in semiconductor devices is how to use the package, and thus to highlight the reliability test in the package plays a very important role. Key words: Semiconductor devices; Package type; Reliability; Trial
1-3 半导体封装件的可靠性评价方法
半导体封装件的可靠性评价方法 Lunasus 科技公司，佐土原宽 Lunasus 科技公司细川丰 本章将依据半导体封装件可靠性评价的基本考虑方法，以故障机理为基础的实验条件介绍，并根据韦布图来解说可靠性试验下的（产品）寿命推导方法。 封装件开发及材料变化过程中的可靠性评价方法 为实现半导体封装件功能和电气特性的提高，在推动多引脚化的同时，也要发展高密度封装化下的小型、薄型化。最近，搭载多个芯片的SiP（System in Package，系统级封装）和芯片尺寸（与封装尺寸）非常相近的CSP（Chip Size Package，芯片级封装）已开始量产，封装件的构造多种多样。另外，为达成封装件低成本化和环保的要求，采用规格更高的封装件材料的开发正在活跃起来。但封装件构造的复杂化和新型材料的使用不能对制造品质和可靠性造成影响。这里将对新型封装件的开发和材料改变下的可靠性评价方法进行解说。 最近的半导体封装件多数属于树脂灌封型，对半导体单体的可靠性评价包括，高温保存（或动作）实验，耐湿性实验以及温度循环实验。另外，对于有可能要进行表面装配的高密度封装器型，需考虑焊接装配过程中的热应力情况，因此焊锡耐热性实验也是不可缺少的。这些可靠性试验，是对半导体封装件在实际使用过程中所预想发生的各种故障进行短时间评价的加速性实验方法。接下来需要先确定半导
体所发生的各种故障的主要加速原因是什么后才能进行实验。例如，对于树脂封装件来讲，湿度（水分）是造成硅芯片上金属线路受到腐蚀（图1）的主要原因之一，而温度可以加快水分浸入封装件内的速度，所以高温、高湿下的实验才有效果。与此同时，在电压也是故障主因的场合，有必要进行高温、高湿下的通电实验。 如上所述，对于封装件相关的各种故障，通过对机理的解析，找出加速实验的主要因子，设定合适的可靠性实验条件，这些就是可靠性评价的基础。 针对封装件构造的可靠性试验 正如开头所述，为实现封装件的高功能、高密度化，封装件的外观形状的主流是QFP（Quad Flat Package，四面扁平封装）和BGA（Ball
塑料封装可靠性问题浅析
塑料封装可靠性问题浅析 1、引言 塑料封装器件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, 他们能够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。缺陷的产生主要是由于原材料的不匹配、设计存在缺陷或者不完善的制造工艺。塑料封装器件同样也存在着非缺陷机理性失效, 比如PEM在空气中吸潮, 所吸收的潮气将会导致很多的问题出现, 包含在这一类失效中的就是所谓的磨损型失效机理。这些类型的失效在后面将会进行详细的论述。同时也将讨论避免产生缺陷的各种方法以及生产过程的优化和完善的设计。这些都是为了保证最后成品的质量和可靠性。 2、塑料封装器件的缺陷及其预防 有些缺陷很自然地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成有关系, 比如芯片的制造、芯片的粘接、塑封、芯片的钝化、引线框架芯片基板的制造、焊丝或者后道成品包装。这些都将在下面的讨论中看到, 同时其中的某些缺陷在分类上还是相互交叉的。 2.1、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, 产生的主要原因就是环氧塑封料和不同接触界面材料的线膨胀系数不一致比如说, 当EMC固化时, 热收缩应力也随之产生这些应力将会导致巨大的拉伸和剪切应力, 作用于直接接触的芯片表面特别是在邑片的角部, 应力将会成几何级数增长, 很容易导致芯片薄膜钝化层或者芯片焊接材料以及, 芯片本身的破裂。这些应力同样也容易导致EMC和芯片/芯片基板/引线框架之间出现分层断裂以及分层将会导致电路断开、短路以及间歇性断路问题出现。同样它们也为潮气和污染源更容易进人塑封体内部提供了通路。 这些类型的缺陷可以通过以下措施来避免：在选择塑封料、引线框架、芯片焊接剂以及芯片钝化层的原材料时, 所有材料的线膨胀系数必须尽可能地相互匹配；芯片上部和下部塑封料的厚度应该尽可能地接近；尽量避免在设计和排版过程中出现边缘尖端以及尖角, 这样可以防止出现应力集中, 从而避免断裂的出现；最后, 提倡使用低应力塑封料以及低应力芯片焊接剂, 可以最大限度防止在封装的过程中出现多余应力。 2.2、芯片缺陷 芯片缺陷通常都是和半导体圆片制造以及塑料封装器件特有的缺陷（比如在应力作用下所产生的金属化分层以及钝化层破裂现象）有关系的。这里不再详细描述所有缺陷, 仅限于讨论对塑封体结构关系非常密切的缺陷以及塑封体独有的缺陷。 2.3、芯片粘接缺陷
可靠性测试标准
Q/GSXH.Q. 质量管理体系第三层次文件1004.03-2001 可靠性试验规范
拟制：审核：批准： 海锝电子科技有限公司版次：C版 可靠性试验规范 1. 主题内容和适用范围 本档规定了可靠性试验所遵循的原则，规定了可靠性试验项目，条件和判据。 2. 可靠性试验规定 2.1 根据IEC国际标准，国家标准及美国军用标准，目前设立了14个试验项 目（见后目录〕。 2.2 根据本公司成品标准要求，用户要求，质量提高要求及新产品研制、工艺 改进等加以全部或部分采用上述试验项目。 2.3 常规产品规定每季度做一次周期试验，试验条件及判据采用或等效采用产 品标准；新产品、新工艺、用户特殊要求产品等按计划进行。 2.4 采用LTPD的抽样方法，在第一次试验不合格时，可采用追加样品抽样方 法或采用筛选方法重新抽样，但无论何种方法只能重新抽样或追加一次。 2.5 若LTPD=10％，则抽22只，0收1退，追加抽样为38只，1收2退。 抽样必须在OQC检验合格成品中抽取。 3．可靠性试验判定标准。
环境条件 (1)标准状态 标准状态是指预处理, 后续处理及试验中的环境条件。论述如下: 环境温度: 15~35℃ 相对湿度: 45~75% (2)判定状态 判定状态是指初测及终测时的环境条件。论述如下: 环境温度: 25±3℃ 相对湿度: 45~75% 4．试验项目。 目录 4.1 高温反向偏压试验------------------------------------ 第4页4.2 压力蒸煮试验------------------------------------ 第6页4.3 正向工作寿命试验------------------------------------ 第7页4.4 高温储存试验------------------------------------ 第8页4.5 低温储存试验------------------------------------ 第9页4.6 温度循环试验------------------------------------ 第10页4.7 温度冲击试验------------------------------------ 第11页4.8 耐焊接热试验------------------------------------ 第12页4.9 可焊性度试验------------------------------------ 第13页4.10 拉力试验------------------------------------ 第14页
芯片封装可靠性试验专业术语
可靠性试验的常用术语 Biil of material:BOM 材料清单 可靠性试验常用术语 试验名称英文简称常用试验条件备注 温度循环TCT —65C ~150C, dwell15min, 100cycles 试验设备采用气冷的方式，此温度设置为设备的极限温度 高压蒸煮PCT 121 C，100RH., 2ATM,96hrs 此试验也称为高压蒸汽，英文也称为autoclave 热冲击TST —65 C ~150C, dwell15min, 50cycles 此试验原理与温度循环相同，但温度转换速率更快，所以比温度循环 更严酷。 稳态湿热THT 85C ,85%RH., 168hrs 此试验有时是需要加偏置电压的，一般为Vcb=~, 此时试验为THBT。易焊性solderability 235C,2 ±此试验为槽焊法，试验后为1 0~40倍的显微镜下看管脚的上锡面积。 耐焊接热SHT 260C ,10 ±1s 模拟焊接过程对产品的影响。 电耐久Burn in Vce=, Ic=P/Vce,168hrs 模拟产品的使用。（条件主要针对三极管） 高温反偏HTRB 125C, Vcb=~, 168hrs 主要对产品的PN结进行考核。 回流焊IR reflow Peak C 高温贮存超声波检测225C) HTST SAT 泡、裂缝。但产品表面一定要平整。 IC 产品的质量与可靠性测试 、使用寿命测试项目Life test items 只针对SME产品进行考核，且最多只能做三次。 150C ,168hrs 产品的高温寿命考核。 检测产品的内部离层、气)：EFR, OLT (HTOL), LTOL
集成电路封装和可靠性Chapter2-1-芯片互连技术【半导体封装测试】
UESTC-Ning Ning 1 Chapter 2 Chip Level Interconnection 宁宁 芯片互连技术 集成电路封装测试与可靠性
UESTC-Ning Ning 2 Wafer In Wafer Grinding (WG 研磨)Wafer Saw (WS 切割)Die Attach (DA 黏晶)Epoxy Curing (EC 银胶烘烤)Wire Bond (WB 引线键合)Die Coating (DC 晶粒封胶/涂覆) Molding (MD 塑封)Post Mold Cure (PMC 模塑后烘烤)Dejunk/Trim (DT 去胶去纬) Solder Plating (SP 锡铅电镀)Top Mark (TM 正面印码)Forming/Singular (FS 去框/成型) Lead Scan (LS 检测)Packing (PK 包装) 典型的IC 封装工艺流程 集成电路封装测试与可靠性
UESTC-Ning Ning 3 ? 电子级硅所含的硅的纯度很高，可达99.9999 99999 % ? 中德电子材料公司制作的晶棒( 长度达一公尺，重量超过一百公斤 )
UESTC-Ning Ning 4 Wafer Back Grinding ?Purpose The wafer backgrind process reduces the thickness of the wafer produced by silicon fabrication (FAB) plant. The wash station integrated into the same machine is used to wash away debris left over from the grinding process. ?Process Methods: 1) Coarse grinding by mechanical.(粗磨)2) Fine polishing by mechanical or plasma etching. (细磨抛光 )
包装可靠性测试
包装可靠性测试 1目的： 1.1评估包装箱在搬运，仓储，船运过程中经受挤压，堆积，跌落后是否还能保持原有的性能。 2适用范围 2.1所有提供给JCS的产品，且重量低于100磅（45KG）。 2.2检验产品在振动测试，跌落测试，抗压测试后的情况。 3程序 3.1准备工作 3.1.1根据产品测试要求，至少选择3个彩盒和3个外箱用于测试。 3. 1.2产品必须正确完好包装 3.1.3测试之前必须明确产品未损,功能完好 3.1.4如果工厂没有明确的测试设备,工厂必须在测试之前提供测试手册给JCS批复. 3.2接受标准 3.2.1测试后产品不能有任何外观上的缺陷和功能上的丢失. 3.2.2根据程序测试后,产品包装应良好. 3.2. 2.1外箱应紧贴彩盒,不应有松动. 3.2.
2.1.1外箱不应破裂,压碎,弯曲,具皱,潮湿,或毁坏,否则产品将被分发中心退回. 3.2. 2.2彩盒以任何形式破损,顾客都会认为包装不能承受压力,就不会购买,导致退货. 3.2. 2.3微小的包装损坏将进行评估,并以文件形式记录在案. 3.2.3所有测试必须根据测试规格,满足符合电器功能上,美学上和安全上的要求. 3.2.4如果测试失败,产品和包装将由工厂相应的工程师进行评估. 3.2. 4.1失败原因分析和校正措施应由JCS批准. 3.2. 4.2为了满足测试程序,可能对产品或包装进行修改. 3.3环境湿度测试 3.3.1所需设备 3.3. 1.1恒温恒湿箱 3.3.2测试样品数量要求 3.3. 2.1在QM或其他工程指示中列明 3.3.3实验室条件
3.1温度75±50 F.湿度(±10)% 3.3.4特征 3.3. 4.1所有测试产品都应和产品组装说明一致. 3.3. 4.2所有测试须满足测试规格上对电器和功能上的要求. 3.3. 4.3基于上述两点之外的案例，必须被记录在案并在报告中讨论 3.3.5要求 3.3. 5.1所有测试样品应完全遵从以下条件 3.3. 5.2温度测试条件： 1500F,40-60%条件下进行504小时 3.3. 5.3上架寿命,室内环境下静放168小时,然后检查产品质量. 3.3. 5.4根据以上条件,为保证产品保持一个高质量的外观,240小时后,产品包装不能脱落,标贴不能脱落,起皱,褪色.
电子封装中的可靠性问题
电子封装中的可靠性问题 电子器件是一个非常复杂的系统，其封装过程的缺陷和失效也是非常复杂的。因此，研究封装缺陷和失效需要对封装过程有一个系统性的了解，这样才能从多个角度去分析缺陷产生的原因。 封装缺陷与失效的研究方法论 封装的失效机理可以分为两类：过应力和磨损。过应力失效往往是瞬时的、灾难性的；磨损失效是长期的累积损坏，往往首先表示为性能退化，接着才是器件失效。失效的负载类型又可以分为机械、热、电气、辐射和化学负载等。 影响封装缺陷和失效的因素是多种多样的，材料成分和属性、封装设计、环境条件和工艺参数等都会有所影响。确定影响因素和预防封装缺陷和失效的基本前提。影响因素可以通过试验或者模拟仿真的方法来确定，一般多采用物理模型法和数值参数法。对于更复杂的缺陷和失效机理，常常采用试差法确定关键的影响因素，但是这个方法需要较长的试验时间和设备修正，效率低、花费高。 在分析失效机理的过程中，采用鱼骨图（因果图）展示影响因素是行业通用的方法。鱼骨图可以说明复杂的原因及影响因素和封装缺陷之间的关系，也可以区分多种原因并将其分门别类。生产应用中，有一类鱼骨图被称为6Ms：从机器、方法、材料、量度、人力和自然力等六个维度分析影响因素。
这一张图所示的是展示塑封芯片分层原因的鱼骨图，从设计、工艺、环境和材料四个方面进行了分析。通过鱼骨图，清晰地展现了所有的影响因素，为失效分析奠定了良好基础。 引发失效的负载类型 如上一节所述，封装的负载类型可以分为机械、热、电气、辐射和化学负载。 失效机理的分类 机械载荷：包括物理冲击、振动、填充颗粒在硅芯片上施加的应力（如收缩应力）和惯性力（如宇宙飞船的巨大加速度）等。材料对这些载荷的响应可能表现为弹性形变、塑性形变、翘曲、脆性或柔性断裂、界面分层、疲劳裂缝产生和扩展、蠕变以及蠕变开裂等等。 热载荷：包括芯片黏结剂固化时的高温、引线键合前的预加热、成型工艺、后固化、邻近元器件的再加工、浸焊、气相焊接和回流焊接等等。外部热载荷会使材料因热膨胀而发生尺寸变化，同时也会改变蠕变速率等物理属性。如发生热膨胀系数失配（CTE失配）进而引发局部应力，并最终导致封装结构失效。过大的热载荷甚至可能会导致器件内易燃材料发生燃烧。 电载荷：包括突然的电冲击、电压不稳或电流传输时突然的振荡（如接地不良）而引起的电流波动、静电放电、过电应力等。这些外部电载荷可能导致介质击穿、电压表面击穿、电能的热损耗或电迁移。也可能增加电解腐蚀、树枝状结晶生长，引起漏电流、热致退化等。 化学载荷：包括化学使用环境导致的腐蚀、氧化和离子表面枝晶生长。由于湿气能通过塑封料渗透，因此在潮湿环境下湿气是影响塑封器件的主要问题。被
电动汽车模块封装工艺与可靠性综述
电动汽车模块封装工艺与可靠性综述 IGBT模块可靠性方面的瓶颈问题：芯片本身，电连接部分，这里包括芯片正面，芯片背面，DBC与基板的连接，功率电极与DBC，驱动电极与DBC的连接，功率模块本身的材料体系。 第一部分芯片本身 芯片正面的Al层重建现象Al metallization reconstruction，就是功率循环中，Al层变得粗糙，这样键合处的接触电阻变大，从而导致失效，富士电机的模块再芯片表面Al层淀积一层Ni[1]，Ni层由于具有较高的机械强度，这样能够缓解功率循环种的热机应力，可靠性大大提高，同样的道理可以在芯片表面淀积强度更高的金属层。在文献[2]中提出了用一种压缩的钝化层来抑制Al层重建增长的办法，图3中左图表示的是部分移除钝化层的试验效果，从图上可以看出，钝化层确实起到了抑制晶粒生长的效果。图3右图是近距离的观察芯片表面情况，在功率循环后，没有出现Al reconstruction现象，但是可以看出晶粒边缘由于气穴效应被消耗，这种现象同样出现在没有钝化层的芯片表面。 图 1 左图是功率循环前，有图是功率循环后 图 2 芯片淀积Ni的可靠性对比
图 3 使用钝化层的效果 模块的芯片键合线的常见的失效现象是键合线的lift-off和heel crack现象，如图4-5，铜线键合能够解决这个问题，但这样就要求芯片表面金属为铜层，在英飞凌.XT封装的模块中采用这样的方案[3]。基本工艺流程如图7。 图 4 liftoff现象图 5 heel crack现象 图 6 芯片表面的Cu淀积铜层
图7 工艺流程 Cu层的厚度一般是几um到20-30um，Cu层越薄，其翘曲越小，另外阻挡层的改善能够减少翘曲，图8。可靠性方面主要阻挡层的缺陷是关键，若阻挡层有缺陷，则会生成CuSn等 图8 翘曲与Cu厚和阻挡层关系图9 阻挡层的失效 第二部分芯片正面的电连接 前面提到了liftoff和heel crack现象，如图4-5，Cu制程工艺难度大，贺利氏开发一种Al 包Cu线[4]，图10，这样既可以利用Cu线优良的导电和机械性能，又能兼容现有的工艺，另外Al带键合也是一种解决办法，潜在的铜带键合，图11，铝铜带键合技术都有较大的潜力。 [5][5][5][5][5][5][5][5][5][5][5][5][5][5][5][5][5][4][4][4]
集成电路封装测试与可靠性课程设计
关于Cu互连系统下迁移失效模式研究 张茂林201421030121 摘要 随着电子技术的飞速发展，功能多样、电路结构比较复杂的电子产品得到广泛的应用。电子产品是由各式各样的集成芯片连接成的，而一块集成电路芯片又由成千上万的乃至于上百万个器件通过金属互连线连接而成。当器件失效或者互连线失效，都可能会引起整个集成芯片的失效。如果为了复杂的电子系统能在非常恶劣的环境中长期工作，提高集成芯片的可靠性是非常有必要的。所以，集成电路金属铜互连系统的可靠性一直以来都是I C设计和制造研究的重点和热点。 [1][2] 1 引言 随着集成电路技术的发展，集成电路发展到纳米技术时代，铜互连技术已经成为决定集成电路可靠性、性能、成本和生产率的重要因素。一直以来电迁移被认为是铜互连系统可靠性中的一个很大的问题，但是在1987年的《国际可靠性物理论丛》中初次报告一种和电迁移不同的不良失效类型，这种失效类型是在互连线不通电，只在高温下（高于100℃）放置产生断线现象，原因主要是互连线和互连系统中的介质层材料的热膨胀系数（CTE）有很大差别，发生热失配，进而引起铜互连结构系统热应力缺陷，所以称为应力迁移或应力诱生空洞。目前，应力迁移对集成电路可靠性的影响是人们研究的重要内容之一。 2 铜互连的研究历程 互连（interconnect）是在硅芯片上集成分立的电子元器件，并把这些它们通过金属互连线连接起来形成比较完整的电路的工艺，其中金属互连线可以利用的材料有Al、Au、Ag、Cu 等，各种材料的物理性质如下表2.1所示。尽管用传统Al材料作为金属互连线的成本低、技术也很成熟、粘附性好、容易刻蚀、与P型半导体和N型半导体容易形成良好的欧姆接触。但是它容易发生电迁移，当工艺温度达到300℃左右的时候，Al薄膜上形成突起，穿透与之相邻的金属互连线之间的电介质层引起短路。从表2. 1得知金属Cu是作为集成电路金属互连
芯片封装可靠性试验专业术语
Biil of material:BOM 材料清单 可靠性试验常用术语 试验名称英文简称常用试验条件备注 温度循环 TCT －65℃~150℃, dwell15min, 100cycles 试验设备采用气冷的方式，此温度设置为设备的极限温度 高压蒸煮 PCT 121℃，100RH., 2ATM,96hrs 此试验也称为高压蒸汽，英文也称为autoclave 热冲击 TST －65℃~150℃, dwell15min, 50cycles 此试验原理与温度循环相同，但温度转换速率更快，所以比温度循环更严酷。 稳态湿热 THT 85℃,85%RH., 168hrs 此试验有时是需要加偏置电压的，一般为Vcb=~,此时试验为THBT。 易焊性 solderability 235℃,2±此试验为槽焊法，试验后为10~40倍的显微镜下看管脚的上锡面积。 耐焊接热 SHT 260℃,10±1s模拟焊接过程对产品的影响。 电耐久 Burn in Vce=, Ic=P/Vce,168hrs 模拟产品的使用。（条件主要针对三极管） 高温反偏 HTRB 125℃, Vcb=~, 168hrs 主要对产品的PN结进行考核。 回流焊 IR reflow Peak ℃ （225℃）只针对SMD产品进行考核，且最多只能做三次。高温贮存 HTST 150℃,168hrs 产品的高温寿命考核。 超声波检测 SAT --------- 检测产品的内部离层、气 泡、裂缝。但产品表面一定要平整。 IC产品的质量与可靠性测试 一、使用寿命测试项目（Life test items）：EFR, OLT (HTOL), LTOL 1）EFR:早期失效等级测试（ Early fail Rate Test ） 2）HTOL/ LTOL：高/低温操作生命期试验（High/ Low Temperature Operating Life ） O u二、环境测试项目（Environmental test items） 1）PRE-CON:预处理测试（ Precondition Test ）
可靠性失效分析常见方法
可靠性失效分析常见思路 失效分析在生产建设中极其重要，失效分析的限期往往要求很短，分析结论要正确无误，改进措施要切实可行。 1 失效分析思路的内涵 失效分析思路是指导失效分析全过程的思维路线，是在思想中以机械失效的规律(即宏观表象特征和微观过程机理)为理论依据，把通过调查、观察和实验获得的失效信息(失效对象、失效现象、失效环境统称为失效信息)分别加以考察，然后有机结合起来作为一个统一整体综合考察，以获取的客观事实为证据，全面应用推理的方法，来判断失效事件的失效模式，并推断失效原因。因此，失效分析思路在整个失效分析过程中一脉相承、前后呼应，自成思考体系，把失效分析的指导思路、推理方法、程序、步骤、技巧有机地融为一体，从而达到失效分析的根本目的。 在科学的分析思路指导下，才能制定出正确的分析程序;机械的失效往往是多种原因造成的，即一果多因，常常需要正确的失效分析思路的指导;对于复杂的机械失效，涉及面广，任务艰巨，更需要正确的失效分析思路，以最小代价来获取较科学合理的分析结论。总之，掌握并运用正确的分析思路，才可能对失效事件有本质的认识，减少失效分析工作中的盲目性、片面性和主观随意性，大大提高工作的效率和质量。因此，失效分析思路不仅是失效分析学科的重要组成部分，而且是失效分析的灵魂。 失效分析是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程，结果和原因具有双重性，因此，失效分析可以从原因入手，也可以从结果入手，也可以从失效的某个过程入手，如“顺藤摸瓜”，即以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程进一步发展的结果，直至过程的终点结果“;顺藤找根”，即以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过程退一步的原因，直至过程起始状态的直接原因“;顺瓜摸藤”，即从过程中的终点结果出发，不断由过程的结果推断其原因“顺;根摸藤”，即从过程起始状态的原因出发，不断由过程的原因推断其结果。再如“顺瓜摸藤+顺藤找根”、“顺根摸藤+顺藤摸瓜”、“顺藤摸瓜+顺藤找根”等。 2 失效分析的主要思路 常用的失效分析思路很多，笔者介绍几种主要思路。 “撒大网”逐个因素排除的思路 一桩失效事件不论是属于大事故还是小故障，其原因总是包括操作人员、机械设备系统、材料、制造工艺、环境和管理6个方面。根据失效现场的调查和对背景资料(规划、设计、制造说明书和蓝图)
集成电路封装和可靠性Chapter2-1-芯片互连技术
1 Chapter 2 Chip Level Interconnection 芯片互连技术 集成电路封装测试与可靠性
UESTC-Ning Ning 2 Wafer In Wafer Grinding (WG 研磨)Wafer Saw (WS 切割)Die Attach (DA 黏晶)Epoxy Curing (EC 银胶烘烤)Wire Bond (WB 引线键合)Die Coating (DC 晶粒封胶/涂覆) Molding (MD 塑封)Post Mold Cure (PMC 模塑后烘烤)Dejunk/Trim (DT 去胶去纬) Solder Plating (SP 锡铅电镀)Top Mark (TM 正面印码)Forming/Singular (FS 去框/成型) Lead Scan (LS 检测)Packing (PK 包装) 典型的IC 封装工艺流程 集成电路封装测试与可靠性
UESTC-Ning Ning 3 ? 电子级硅所含的硅的纯度很高，可达99.9999 99999 % ? 中德电子材料公司制作的晶棒( 长度达一公尺，重量超过一百公斤 )
UESTC-Ning Ning 4 Wafer Back Grinding ?Purpose The wafer backgrind process reduces the thickness of the wafer produced by silicon fabrication (FAB) plant. The wash station integrated into the same machine is used to wash away debris left over from the grinding process. ?Process Methods: 1) Coarse grinding by mechanical.(粗磨)2) Fine polishing by mechanical or plasma etching. (细磨抛光 )
集成电路封装与测试复习题 - 答案
一、填空题 1、将芯片及其他要素在框架或基板上布置，粘贴固定以及连接，引出接线端子并且通过可塑性绝缘介质灌封固定的过程为狭义封装;在次基础之上，将封装体与装配成完整的系统或者设备，这个过程称之为广义封装。 2、芯片封装所实现的功能有传递电能；传递电路信号；提供散热途径；结构保护与支持。 3、芯片封装工艺的流程为硅片减薄与切割、芯片贴装、芯片互连、成型技术、去飞边毛刺、切筋成形、上焊锡、打码。 4、芯片贴装的主要方法有共晶粘贴法、焊接粘贴法、导电胶粘贴发、玻璃胶粘贴法。 5、金属凸点制作工艺中，多金属分层为黏着层、扩散阻挡层、表层金保护层。 6、成型技术有多种，包括了转移成型技术、喷射成型技术、预成型技术、其中最主要的是转移成型技术。 7、在焊接材料中，形成焊点完成电路电气连接的物质叫做焊料；用于去除焊盘表面氧化物，提高可焊性的物质叫做助焊剂；在SMT中常用的可印刷焊接材料叫做锡膏。 8、气密性封装主要包括了金属气密性封装、陶瓷气密性封装、玻璃气密性封装。 9、薄膜工艺主要有溅射工艺、蒸发工艺、电镀工艺、 光刻工艺。
10、集成电路封装的层次分为四级分别为模块元件（Module）、电路卡工艺（Card）、主电路板（Board）、完整电子产品。 11、在芯片的减薄过程中，主要方法有磨削、研磨、干式抛光、化学机械平坦工艺、电化学腐蚀、湿法腐蚀、等离子增强化学腐蚀等。 12、芯片的互连技术可以分为打线键合技术、载带自动键合技术、倒装芯片键合技术。 13、DBG切割方法进行芯片处理时，首先进行在硅片正面切割一定深度切口再进行背面磨削。 14、膜技术包括了薄膜技术和厚膜技术，制作较厚薄膜时常采用丝网印刷和浆料干燥烧结的方法。 15、芯片的表面组装过程中，焊料的涂覆方法有点涂、 丝网印刷、钢模板印刷三种。 16、涂封技术一般包括了顺形涂封和封胶涂封。 二、名词解释 1、芯片的引线键合技术(3种) 是将细金属线或金属带按顺序打在芯片与引脚架或封装基板的焊垫上而形成电路互连，包括超声波键合、热压键合、热超声波键合。 2、陶瓷封装 陶瓷封装能提供高可靠度与密封性是利用玻璃与陶瓷及Kovar 或Alloy42合金引脚架材料间能形成紧密接合的特性。
电子封装的可靠性工程
“电子封装的可靠性工程”课程介绍 课程简介：伴随着电子产品的多功能化和小型化的发展趋势，电子封装扮演着越来越重要的作用。但是由于电子封装是一个由多材料所够成的复杂系统，其在制造和使用过程中，经常会产生各种各样的质量和可靠性问题。本课程将从电子产品的特征分析开始，讲述为什么电子封装会有失效产生? 怎么用不同的方法和手段来分析、检测和发现封装的可靠性和失效问题。然后，课程会重点介绍在电子产品中从芯片封装到印刷线路版集成会出现的各种主要失效形式和相关机理，以及电子封装质量和可靠性检测的主要实验技术。最后，课程会介绍如何进行电子封装的失效防护? 并通过例证的方式来讲解如何通过可靠性设计的方法来保证电子产品的短期工艺可制造性和长期使用可靠性。 适合培训人员 本课程主要针对各类封装测试、表面安装、印刷线路版、代加工等公司和企业中的研发、质量管理、可靠性测试、工艺开发、和材料测试等人员。芯片设计、材料供应、设备制造、和高校的研发人员也将能从此课程中受益。 本课程将涵盖以下主题： 一、电子封装的可靠性性工程概述 1. 什么是电子封装？ 2. 电子封装的作用和特点 3. 电子封装产品的质量和可靠性问题 4. 可靠性工程的基本概念 二、电子封装的可靠性测试手段及数据分析方法 1.为什么电子封装会出现失效？ ·封装设计的问题 ·加工制造的缺陷 ·材料选择的问题 2.如何分析、检测和发现电子封装的失效？ ·理论分析方法 ·统计模拟方法 ·实验测试方法 3.电子封装产品的可靠性测试手段和方法 ·加速试验的相关理论 ·加速试验方法选择的准则 ·传统的可靠性测试手段和方法 4.可靠性实验数据的分析原理和方法 ·电子封装的可靠性定义 ·电子封装寿命的统计分析方法 ·可靠性加速模型