新型塑封器件开封方法以及封装缺陷

stevejin

1 引言

塑封器件（PEMs）在封装尺寸、重量、成本上与其他封装类型器件相比有较大的优势。近年来，随着塑封器件在国外某些高可靠性领域的成功应用，人们开始越来越多地关注它们在国内相关高可靠性领域中应用的可能，逐步开始了对塑封器件可靠性评估方法，例如筛选试验、质量一致性检验、破坏性物理分析（DPA）和失效分析等方面的研究。其中DPA和失效分析，都需要对塑封器件进行开封，不同于密封器件，塑封器件的芯片不是裸露在空腔中，而是被塑封材料整个包裹住。因此，对于塑封器件的开封，使其芯片暴露出来是关键性的一步。不适当的开封可能会引起键合点的腐蚀或刻蚀到引线框架，有碍于进一步的分析，尤其是各类先进的塑料封装，对开封提出了更高的要求，例如对于BGA封装，其玻璃钝化层特别脆弱，采用手工开封时，不仅可能会伤害到键合及金属化，可能还会伤害到PCB材料。

2 塑封器件开封技术

2.1 塑封器件的封装材料

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。环氧树脂的种类和它所占比例的不同，直接影响着环氧模塑料的流动特性、热性能和电特性。

2.2 塑封器件的开封方法

密封性器件，因其有一定的空腔，其开封相对容易，可采用适用的工具，打开封盖后，芯片直接裸露出来，可直接对芯片表面进行检查。而塑封器件是非密封的没有空腔，芯片是被聚合材料整个包裹住的，因此，对于塑封器件的开封，使其芯片暴露出来是很关键的一步。

对塑料封装的开封，可采用机械和化学的方法，但机械开封因其对电连接的破坏性而受限制。因此，塑封器件的开封主要还是采用化学腐蚀的方法，又可分为化学干法腐蚀和化学湿法腐蚀两种。主要开封方法和特点见表1。

                               
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化学干法腐蚀也称为等离子刻蚀，是利用高电压产生强电场，引起反应室内的气体电离产生等离子体，利用等离子体将环氧树脂裂变成粉末，这样取出的芯片性能变化最小。等离子刻蚀的速度和位置可精确控制，能够逐层剥离封装材料，一般用于高集成度的器件开封或者进行失效分析。但是由于干法开封过程非常缓慢，需要时间长，实际上也主要应用于芯片表面的钝化层以及多层金属化之间氧化层的刻蚀。

目前塑封器件的主流开封技术是化学湿法开封。化学湿法开封需要选用对塑封材料有高效分解作用的蚀刻剂，如发烟硝酸和浓硫酸。以前都是采用手工的方法，即直接将器件放入发烟硝酸和浓硫酸中加热，待塑料腐蚀完后，取出芯片，用异丙醇或无水乙醇清洗，最后再用去离子清洗干净。如果还需保持框架的完整，芯片保留在框架上，只需把芯片、键合点以及键合引线等完全暴露出来，可采用手工滴酸的方法，但很难达到理想的控制效果，同时由于酸的挥发，对人身也有一定的伤害。现有专业的自动塑封开封设备，可对酸量、腐蚀温度等进行自动控制，同时实现废酸的回收。

2.3 塑封器件自动开封设备介绍

美国Nisene Technology Group 生产的JetEtch自动开封机，可采用双酸刻蚀，并利用负压喷雾技术进行刻蚀。根据不同的器件封装材料和尺寸，可设定不同的试验条件，进行定位刻蚀。主要可设置的试验参数包括：采用刻蚀酸的种类、刻蚀酸的比例、蚀刻温度、蚀刻时间、酸的流量（酸的用量）、清洗的时间等。同时采取漩涡喷酸的方式，可大大降低用酸量，从而能够比较精确地去除掉芯片表面的封装材料，达到较好的开封效果。根据器件的不同封装形式，可选取不同封装开口模具，可控制开口的位置和大小，目前配有的开口模具有多种，基本满足目前的封装需要，如适用DIP/SIP，PLCC ，QFP，PBGA，芯片倒装BGA 和SO小外型封装[1]。

自动开封设备的突出优势是，它不仅可以单独使用硝酸或者硫酸来蚀刻，也可以使硝酸和硫酸混合成不同比率的混合酸，最高刻蚀温度可达200℃ 以上，这样基本能够满足市场上各种塑封材料的开封要求。另外将蚀刻剂都密封在玻璃瓶中，用气压驱动的方式，根据需要把蚀刻剂压入或者压出玻璃瓶，对废酸自动回收到密封玻璃瓶中，大大降低了污染，提高了安全性。

自动开封设备主要的缺点是，由手工将器件倒扣在刻蚀头上，如果器件内芯片位置与酸刻蚀喷口偏离严重，会影响到开封效果。

                               
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图1和图2是利用自动塑封开封机对某塑封器件进行化学腐蚀开封后的照片。可以看见，开封后芯片及键合丝都裸露出来了，芯片上的键合点未受任何影响，开封效果可满足后续试验和分析的要求。

2.4 开封时应注意的几个问题

⑴开封之前可以先进行X光扫描，确定芯片位置和芯片尺寸，这样有助于确定开封位置和选择封装开口模具；

⑵开封后，应使用超声波清洗器对器件进行清洗，将残留在芯片表面上的残渣及废酸去掉，清洗液可选用异丙醇或无水乙醇清洗，最后再用去离子清洗干净，然后烘干；

⑶应注意控制尽量不暴露出引线架上的键合丝，刻蚀酸会与引线框架上的镀层发生反应，可能会影响到键合强度。

3 与塑封成形的缺陷有关的失效模式

造成塑封器件失效的原因有许多，许多都是与封装工艺、封装材料等有关。开封的目的不仅是去掉器件芯片表面的塑封材料，更重要是对芯片制造工艺进行检查，对这些失效模式进行分析，确定失效机理，提出改进措施，进一步提高器件的可靠性。这里主要针对与塑封成形有关的缺陷进行分析。

塑料成形缺陷主要有：塑封材料未充填完整、气孔、麻点(表面多孔)、冲丝、小岛移动、开裂、溢料等 [2]。

3.1 芯片开裂

某IC卡，芯片点胶封装后发现成品率不高。开封前，采用超声扫描显微镜检查发现有贯穿芯片的裂纹，去除包封材料后，可以看出芯片有开裂，见图3，4。芯片破裂的形状是芯片下面小表层缺损大，应为底部施加应力过度而造成。经过检查了解工艺过程，确定缺陷是在封装时造成的，在模注时，下方的模具对芯片施加的应力过大。

                               
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3.2 键合丝缺陷

塑封料在注塑成形时呈熔融状态，是有黏度的运动流体，因此具有一定的冲力。冲力作用在金丝上，使金丝产生偏移，极端情况下金丝冲断，就是所谓的冲丝[2]。冲丝缺陷涉及到键合和塑封两个工序，产生的原因有很多，如塑料黏度过大、金丝过长、塑封料桶中气体过多等。

                               
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图5为键合丝发生偏移，键合丝过长是引起偏移的主要原因；图6为键合丝已发生断裂。
4 结语

塑封器件的开封对DPA和失效分析是关键的一步，在开封前可采用X光检查和超声显微检查，以确定芯片的位置，并有助于初步缺陷定位。在不能确定塑封材料成分时，可先选用发烟硝酸，选择较短的刻蚀时间试验，然后再进行刻蚀。



环氧塑封料的工艺选择及可靠性分析

黄道生
（汉高华威电子有限公司，江苏 连云港 222006）

1 环氧塑封料的工艺选择

1.1 预成型料块的处理

（1） 预成型模塑料块一般都储存在5℃-10℃的环境中，必会有不同程度的吸潮。因此在使用前应在干燥的地方室温醒料，一般不低于16小时。

（2）料块的密度要高。疏松的料块会含有过多的空气和湿气，经醒料和高频预热也不易挥发干净，会造成器件包封层内水平增多。

（3） 料块大小要适中，料块小，模具填充不良；料块大，启模困难，模具与注塑杆沾污严重并造成材料的浪费。

1.2 模具的温度

生产过程中，模具温度控制在略高于模塑料玻璃化温度Tg时，能获得较理想的流动性，约160℃-180℃。模具温度过高，塑封料固化过快，内应力增大，包封层与框架粘接力下降。同时，固化过快也会使模具冲不满；模具温度过低，模塑料流动性差，同样会出现模具填充不良，包封层机械强度下降。同时，保持模具各区域温度均匀是非常重要的，因为模具温度不均匀，会造成塑封料固化程度不均匀，导致器件机械强度不一致。

1.3 注塑压力

注塑压力的选择，要根据模塑料的流动性和模具温度而定，压力过小，器件包封层密度低，与框架黏结性差，易发生吸湿腐蚀，并出现模具没有注满塑封料提前固化的情况；压力过大，对内引线冲击力增大，造成内引线被冲歪或冲断，并可能出现溢料，堵塞出气孔，产生气泡和填充不良。

1.4 注模速度

注模速度的选择主要根据模塑料的凝胶化时间确定。凝胶化时间短，注模速度要稍快，反之亦然。注模要在凝胶化时间结束前完成，否则由于模塑料的提前固化造成内引线冲断或包封层缺陷。

1.5 塑封工艺调整

在实际生产过程中出现如表1所示情况时，可对工艺条件进行适当调整。
对工艺调整的同时，还应注意到预成型料块的保管、模具的清洗、环境的温湿度等原因对塑封恭工序的影响。

                               
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2 塑封料性能对器件可靠性的影响

2.1 模塑料的吸湿性和化学粘接性

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） 通过塑封料包封层本体；

（2） 通过塑封料包封层与金属框架间的间隙。

当湿气通过这两条途径到达芯片表面时，在其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，加速了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。 针对上述问题，我们必须要求：

                               
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（1） 模塑料要有较高的纯度，Na+、CL离子降至最低；

（2） 模塑料的主要成分环境标环氧树脂与无机填料的结合力要高，以阻止湿气由本体的渗入。

（3） 模塑料与框架金属要有较好的粘接性；

（4） 芯片表面的钝化层要尽可能地完善，其对湿气也有很好的屏蔽作用。

2.2 模塑料的内应力

由于模塑料、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。因为模塑料膨胀系数（20-26E-6/℃）比芯片、框架（-16E-6/℃）的较大，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。

由此可见，模塑料的线膨胀系数应尽可能的低，但这个降低是收到限制的，因为在降低应力的同时，模塑料的热导率也随之降低，这对于封装大功率的器件十分不利，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气相硅粉。

2.3 模塑料的流动性

注塑时模具温度在160℃-180℃，塑料呈熔融状态，其流动性对注模成功与否至关重要，流动性低于焊线冲击增大（金丝抗拉力5g-12g），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。

在模塑料诸成分中，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。结晶型硅粉具有高导热性，但黏度高，比重大，流速下降。熔融型硅粉流动性好，但导热差。因此在世纪生产中应根据封装器件性能不同选择使用，包括两者的混合使用。

                               
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3 总结

对于封装工艺的选择，我们一旦了解了封装过程中的几个主要影响因素，在封装过程中就可根据不同的地域、不同的环境和气侯，而进行不同的工艺调整。同时，对封装人员来说也要加强对环氧塑封料的认识。


张素娟，李海岸
(北京航空航天大学 总装北航DPA实验室，北京 100083）

PCBA

很好的资料，谢谢分享，封装也是个复杂的细活儿！