電子封裝的可靠性 I：封裝性能的表徵與測量

簡介：不管是引線框架封裝，球柵陣列封裝（BGA），晶圓級封裝（WLP）還是3D封裝，都面臨一個關鍵問題——那就是保證產品的可靠性。很多新技術沒有得到廣泛的應用，往往其原因就在於居高不下的故障率以及可靠性檢測方法的匱乏（比如筆者即將接觸的 3D IC 技術）。因此，有必要對電子封裝的可靠性技術進行一個系統的了解。

標籤：電子封裝，可靠性，Charz，讀書筆記

前 言

最近開個新坑，主要介紹一下電子封裝過程的可靠性問題。

電子工業對於可靠性的要求是非常苛刻的，可以說是在追求工業領域的極致，箇中原因也很好理解：一個電子產品從原材料到成品，往往經過數百道工序，即使每一步的可靠性可以達到99%，最後也只能得到37%的良率（yield）。在工業化生產中，必須無限接近100%的良率，才能提高自己的競爭力。

本系列預計將包括如下幾個部分：

I. 封裝性能的表徵與測量

II. 封裝缺陷與封裝失效

III. 缺陷與失效的分析技術

IV. 電子封裝可靠性的解決之道（暫定題目）

*主要參考文獻是由Haleh Ardebili 和 Michael G. Pecht 撰寫、中國電子學會組織譯審的《電子封裝技術與可靠性》。

閑話少說，開始今天的正題：封裝性能的表徵與測量

通常來說，我們從如下四個方面評價電子封裝材料的性能：

1. 工藝性能 ，如黏度，流動性，凝膠化時間，（後）固化時間及溫度等；
2. 濕-熱機械性能，如熱膨脹係數（CTE），彎曲模量與強度，熱導率，潮氣擴散係數等；
3. 電學性能，如介電常數，擊穿強度，損耗因子等；
4. 化學性能，如易燃性，離子雜質數量等。

其中，工藝性能是從工藝的角度去評價的，其他三個性能都是從性能與功能的角度去評價的。

工藝性能這裡先按下不表，我們先說說電子封裝材料的性能與功能指標。重點介紹如下幾個特性的測量方式：

1. 熱導率

我們知道，電子產品很重要的一點就是散熱，不是每個產品都是「為發燒而生」的，對於許多高熱量耗散或長時間工作的器件來說，熱導率是一個重要的塑封料性能。當設計並確定適合的熱管理系統時，塑封料往往處於熱擴散的通道。衡量材料傳熱性能的重要指標就是熱導率。

熱導率可由穩態熱傳導Fourier定律來表示：

其中，k指的就是熱導率，單位是W/(m·K)。

測量熱導率的常用方法是ASTM C177標準中的屏蔽熱台法。熱導率可由下式計算出： 、

一般，熱導率越高越好。但對於大多數聚合物材料，塑封材料的熱導率一般都很低，約為0.2 W/(m·K)。相比較而言，Cu的熱導率為385 W/(m·K)。

2. 熱膨脹係數和玻璃化轉變溫度

電子元器件中需要許多不同材料的緊密結合，這要求它們具有相近的熱膨脹係數以應對使用過程中的溫度浮動。通過熱膨脹曲線可以測定膨脹係數和玻璃化轉變溫度Tg。

玻璃化轉變溫度 是膨脹隨溫度變化曲線的拐點，當溫度高於玻璃化轉變溫度時，熱膨脹係數會上升3~5倍。

熱膨脹係數的測定多採用熱力分析（TMA）測量，其試驗方法可參見ASTM D-696或SEMI G 13-82。測量Tg的方法有很多，除TMA外，還可採用差式掃描量熱法（DSC），動態機械分析（DMA），介電方法，加熱速率等等手段。交聯密度時影響Tg的因素之一，此外加熱和冷卻的速率也會影響到Tg。一般說來，冷卻測試得到的 的重複性更好。

彎曲強度、拉伸強度等參數的測量和一般工程材料類似，在此也不再贅述。

3. 黏附強度

塑封料與晶元、晶元底座和引線框架之間的粘附性如果太差，會給產品留下嚴重隱患，導致缺陷甚至失效。例如貼裝過程中的「爆米花」效應、分層、封裝開裂、晶元斷裂、晶元上金屬化變形等等。通過調節反應添加劑、聚合物粘附性和聚合物反應速率等方法，可以達到器件的具體設計要求。

測量塑封料黏性的方法包括衝壓剪切、硬模剪切、180℃剝落和引線框凸點拉脫實驗等。工業上常用的時衝壓剪切實驗的方法。

4. 潮氣含量和擴散係數

空氣中的水氣會對封裝體產生持續的影響，逐漸改變器件的各項性能（腐蝕、 下降、膨脹失配等）。因此，對於塑封材料潮氣含量和擴散的精確測試對於封裝設計和材料選擇是非常必要的。特別是在上海這種一周七天雨的地方（括弧笑）。與潮氣吸收有關的兩個重要參數就是潮氣含量和擴散係數。

潮氣的測試一般都是通過「加速實驗」的方法。比如，潮氣含量測試的一般方法就是在沸水中浸泡24h。而擴散係數通常是在85℃/85% RH 環境中維持一周（168h）來測量。

本質上，聚合物中有兩種擴散形式：菲克濕度擴散行為和非菲克濕度擴散行為。

5. 吸濕膨脹係數

上一節介紹了潮氣含量的測定方法。而潮氣吸收後最大的問題就是導致吸濕膨脹，其膨脹程度甚至可達熱膨脹的三倍以上，嚴重影響封裝的可靠性。研究表明，膨脹發生的原因這可能是由於水分子進入高分子材料後，形成氫鍵導致聚合鏈展開，使塑封體發生膨脹。材料的吸濕膨脹特性用吸濕膨脹係數（CHE）β表徵：

其中， 為吸濕應變；β 為CHE，單位為或者；C是潮氣濃度，單位為或者。

吸濕應變和濕度可以通過解吸附過程中同步進行熱機械分析和熱重分析來測量。熱機械分析可用來測量潮濕樣品在潮氣釋放過程中的線性形變，熱重分析用於測量潮氣含量的損失。

6. 氣體滲透性

眾所周知，塑料封裝是一種非氣密性的封裝，除了潮氣外，氫氣、氧氣、氮氣和二氧化碳等都會滲透並擴散進入塑封料。如果有腐蝕性氣體進入，對微電子系統可靠性將產生巨大危害。

測試滲透性的技術主要分為稱重池和隔離池這兩種方法。

單一氣體，如氫氣、氧氣、氮氣和二氧化碳，其擴散都是單一的菲克擴散。這是因為他們的尺寸都遠小於聚合物單體的尺寸，氣體分子與單體之間的作用很弱，擴散分子可以在間隙位置跳躍擴散，不會出現大的擴散分子與高分子鏈形成鏈的複雜情況。這與潮氣擴散過程是不太一樣的。

對於在真空環境中使用的設備（如空間探測器中的電子設備），還需要考慮封裝體在真空中的放氣特性。真空中放氣會影響器件性能，尤其是光學器件和感測器。及相關測試和計算技術可參見 ASTM E 595-93，主要關注總質量損失（TML）和可凝揮發物（CVCM）這兩個參數。

7. 電學性能

電學性能主要包括介電常數、損耗因子（基於ASTM D150）、體積電阻率以及介電強度。

介電常數 ε，又稱絕緣常數，由下式給出：

其中，Cs為密封材料的電容容量，Cv是相應條件下真空的電容容量。對於起絕緣作用的塑封材料而言，介電常數應該越低越好。

損耗因子 D是損耗功率與被測樣品上載入功率之間的比值。同時也和損耗角δ和相位角θ有關：

其中f是頻率，R p是等效並聯電阻， C p是等效並聯電容。

體積電阻率 ρ v是塑封材料抵抗漏電流的能力。體積電阻率越大， 漏電流越低，導電性能越差。

：有效面積； ：體電阻；t：樣品平均厚度。

介電強度 是指介電擊穿的最大電壓值。ASTM D-149 要求施加到測試樣品的交流電壓頻率為60Hz，電壓從零或從略低於擊穿電壓開始升高至試樣產品產生絕緣失效為止。絕緣強度表示為單位厚度上的電壓。

一般說來，潮濕的環境會降低材料的電學性能。

8. 化學性能

封裝材料的化學性能包括反應化學元素或涉及化學反應的性能，包括離子雜質、離子擴散和易燃性。

封裝體中的污染離子會在使用過程中逐漸擴散，引發產品失效。這種失效是非常危險的，因為其相對隱蔽，難以在早期發現，而一旦發生，又會導致嚴重的後果。可以說，塑封料的污染程度最終決定了其成品在惡劣使用環境下的長期可靠性。SEMI G 29 標準規定了環氧塑封料中水溶性離子的水平。水溶性物質（如可水解鹵化物）可通過測電導率、柱色譜法來進行分析；Na、K、Sn、Fe等其他污染離子可通過原子吸收光譜或X射線熒光技術分析。對於存儲器件使用的塑料，其硅土填充物中的α輻射產生雜質的單粒子觸發翻轉必須降至最小，需要確定鈾和釷的含量。

通過在模塑料中加入離子捕獲劑可以通過鍵合阻礙離子的擴散，把離子捕獲在密封塊體材料中。分析表明，離子擴散主要通過聚合物樹脂陣列，這與在樹脂和填充物界面上的擴散相反。在塑封料中可以通過非菲克Ⅱ型擴散來建模。

此外，塑封材料還需要具備一定的阻燃性，通常採用UL 94 立式燃燒或者 ASTM D 2863 氧指數試驗等方法來完成。

本文小結

本文主要介紹了封裝材料性能的表徵技術。封裝材料的性能是決定材料是否適合於具體的封裝技術、封裝設計、製造工藝和電子應用的關鍵。

封裝材料的性能可以分為兩大類：工藝性能和使用性能。其中，使用性能又細分為濕-熱-機械性能、電學性能和化學性能。本章主要對電子材料的關鍵使用性能進行了簡要的介紹，主要包括熱導率、熱膨脹係數和玻璃化轉變溫度、黏附強度、潮氣含量與擴散係數、吸濕膨脹係數、氣體滲透與放氣性能、介電常數、損耗因子、體積電阻率、介電強度、離子雜質及其擴散係數和易燃性等。

封裝材料性能表徵是封裝可靠性測定的基礎。

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