【文章內(nèi)容簡介】 塊表面的要求相對較低，不需要后固化工序。激光印碼的缺點是它的字跡較淡，即，與沒有打碼的背底之間襯度差別不如油墨打碼那樣明顯。當然，可以通過對塑封料著色劑的改進來解決這個問題?？偟膩碇v，在目前的封裝工藝中，越來越多的制造商選擇使用激光打碼技術(shù)，尤其是在高性能產(chǎn)品中。 器件裝配的方式有二種，一種是所謂的波峰焊（ wave soldering），另一種是所謂的回流焊（ reflow soldering）。波峰焊主要用在插孔式 PTH 封裝類型器件的裝配，而表面貼裝式 SMT 及混合型器件裝配則大多使用回流焊。波峰焊是早期發(fā)展起來的一種 PCB 板上元器件裝配工藝，現(xiàn)在已經(jīng)較少使用。波峰焊的工藝過程包括上助 焊劑、預熱及將 PCB 板在一個焊料峰（ solder wave）上通過，依靠表面張力和毛細管現(xiàn)象的共同作用將焊料帶到 PCB 板和器件引腳上，形成焊接點。在波峰焊工藝中，熔融的焊料被一股股噴射出來，形成焊料峰，故有此名。目前，元器件裝配最普遍的方法是回流焊工藝（ reflow soldering），因為它適合表面貼裝的元器件，同時，也可以用于插孔式器件與表面貼裝器件混合電路的裝配。由于現(xiàn)在的元器件裝配大部分是混合式裝配，所以，回流焊工藝的應用更為廣泛?；亓鞴に嚳此坪唵危鋵嵃硕鄠€工藝階段：將焊膏（ solder paste）中的溶劑蒸發(fā)掉；激活助焊劑（ flux），并使助焊作用得以發(fā)揮；小心地將要裝配的元器件和 PCB 板進行預熱；讓焊料熔化并潤濕所有的焊接點；以可控的降溫速率將整個裝配系統(tǒng)冷卻到一定的溫度?；亓鞴に囍校骷?PCB 板要經(jīng)受高達 210℃到 230℃ 的高溫，同時，助焊劑等化學物質(zhì)對器件都有腐蝕性，所以，裝配工藝條件處置不當，也會造成一系列的可靠性問題。 封裝質(zhì)量必須是封裝設計和制造中壓倒一切的考慮因素。質(zhì)量低劣的封裝可危害集成電路器件性能的其它優(yōu)點，如速度、價格低廉、尺寸小等等。封裝的質(zhì)量低劣是 由于從價格上考慮比從達到高封裝質(zhì)量更多而造成的。事實上，塑料封裝的質(zhì)量與器件的性能和可靠性有很大的關(guān)系，但封裝性能更多取決于封裝設計和材料選擇而不是封裝生產(chǎn)，可靠性問題卻與封裝生產(chǎn)密切相關(guān)。 在完成封裝模塊的打碼（ marking）工序后，所有的器件都要 100％進行測試，在完成模塊在 PCB 板上的裝配之后，還要進行整塊板的功能測試。這些測試包括一般的目檢、老化試驗（ burnin）和最終的產(chǎn)品測試（ final testing）。老化試驗是對封裝好的電路進行可靠性測試（ reliability test），它的主要 目的是為了檢出早期失效的器件，稱為 infant mortality。在該時期失效的器件一般是在硅制造工藝中引起的缺陷（即，它屬于壞芯片，但在片上測試時并未發(fā)現(xiàn)）。在老化試驗中，電路插在電路板上，加上偏壓，并放置在高溫爐中。老化試驗的溫度、電壓負載和時間都因器件的不同而不同，同一種器件，不同的供應商也可能使用不同的條件。但比較通用的條件是在 125℃ 到 150 ℃ 溫度下，通電電壓在 （一般高出器件工作電壓 20％到 40％）通電測試 24到 48小時。 為了了解集成電路器件的使用壽命和可靠性 ，除了上述的老化試驗外，常用加速試驗使器件在較短的時間里失效，并進行失效機理分析，以便盡快找到失效原因，改進設計或工藝條件，提高器件的壽命和可靠性。加速試驗（ accelerated test）是可靠性測試中的一種，一般選擇一個或幾個可能引起器件失效的加速因子，如潮氣、溫度、溶劑、潤滑劑、沾污、一般的環(huán)境應力和剩余應力等，模擬器件在實際使用過程中可能遇到的使用環(huán)境。對絕大多數(shù)集成電路產(chǎn)品來講，最短的工作時間也有好幾年，但是，制造的時間卻很短，因此，在常規(guī)操作條件下做資質(zhì)試驗（ qualification test）是不太實際的，也是不經(jīng)濟的。對于使用壽命很長、可靠性很高的產(chǎn)品來講，在 60％的置信度（ confidence level）條件下，以每千小時 ％的失效速率（即 103FIT， failure unit）測試產(chǎn)品，則無失效時間長達 915,000小時，即若器件樣本數(shù)為 915，則要測試 1,000小時才會有一個器件失效；若器件的樣本數(shù)為 92，則要測試 10,000小時才會有一個器件失效，這樣的測試即不經(jīng)濟又費時，因此，必須在加速使用條件下進行測試。由于失效是隨時間分布的，所以，在分析失效速度時要用到許多統(tǒng)計的方法， 包括根據(jù)輔助可靠性要求設計的置信度和樣本數(shù)。加速試驗包括以下步驟：選擇加速力；確定加速力的強度；設計測試程序，確定單重加速還是多重加速；將測試數(shù)據(jù)外推到實際操作條件。在選擇加速力時尤其要特別小心，因為加速試驗的目的是在于讓確實存在的缺陷提前暴露出來，而不是為了誘導產(chǎn)生新的缺陷或讓存在的缺陷逃脫。加速力選擇要與器件可靠性要求緊密關(guān)聯(lián)，否則可能對改進設計、材料選擇、工藝參數(shù)確定等方面產(chǎn)生誤導作用。不同的器件，其使用條件和可靠性要求不同，需要設計不同的加速試驗，以便實驗數(shù)據(jù)能真正反映器件的正常壽命，為改進設計或工藝提供可靠的實驗依據(jù)。 在加速試驗進行過程中，通常會在不同的時間里對試驗樣品進行電學性能測試，測試通過的樣品繼續(xù)進行試驗，測試沒有通過的樣品，則要進行失效分析。器件電學性能測試異常，通常有三種情況：開路、短路、電參數(shù)漂移。 器件失效常常有二種情況，一種是所謂的過載（ overstress），另一種是破損（ wearout）。前一種的失效是瞬時的、災難性的，后一種是累積的，漫長的，首先表現(xiàn)在器件性能的衰退，然后才是器件失效。引起器件失效的機理有多種，但常與金屬部件的銹蝕聯(lián)系在一起， 造成銹蝕的原因包括機械、熱、電學、輻射、化學（ mechanical、thermal、 electrical、 radiation、 chemical）等誘導因素。在機械方面，包括一般的沖擊、振動（如汽車發(fā)動機罩下面的電子裝置）、填充料顆粒在硅芯片上產(chǎn)生的應力、慣性力（如加農(nóng)炮外殼在發(fā)射時引信受到的力）等，這些負荷對材料和結(jié)構(gòu)的響應有彈性形變、塑性形變、彎曲（ buckle）、脆性或柔性斷裂（ fracture）、界面分層、疲勞裂縫產(chǎn)生及增殖、蠕變（ creep）及蠕變開裂等；在熱學方面，包括芯片粘結(jié)劑固化時的放熱、引線 鍵合前的預加熱、成型工藝、后固化、鄰近元器件的重新加工（ rework）、浸錫、波峰焊、回流焊等，熱負荷造成的影響在于材料的熱膨脹，由于材料之間的 CTE 失配，引起局部應力，導致失效；在電學方面，突然的電沖擊（如汽車發(fā)動時的點火）、由于電壓不穩(wěn)和電傳輸過程中突然的振蕩（如接地不良）而引起的電流波動、靜電電荷、電過載或輸入電壓過高、電流過大，電負荷造成介電擊穿、電壓表面擊穿、電能的熱損耗、電遷移，還會引起電銹蝕、由于枝蔓晶生長而引起的漏電流、電熱降解等；在輻射方面，封裝材料中微量的放射性元素（如鈾、釷等放射性元素 ）引起的 a 粒子輻射，尤其對存儲器有影響，會引起器件性能下降及包封料的降聚作用，在器件表面覆蓋聚酰亞胺涂層或用人工合成的填充料都是解決的途徑；在化學方面，環(huán)境造成的銹蝕、氧化、離子表面枝蔓生長等都會引起失效，而潮濕環(huán)境下的潮氣進入則是最主要的問題，進入塑封料中的潮氣，會將材料中的催化劑等其它添加劑中的離子萃取出來，生成副產(chǎn)品，進入芯片上的金屬焊盤、半導體結(jié)構(gòu)、材料的界面等，激活失效機理。另外，特殊的機械失效也會影響器件性能，如雙極型器件中的小信號電流增益和 MOS 器件中的互導主要受較大機械應力的影響。減小應力誘 導參數(shù)變化和失效的方法之一是積極從封裝設計、材料選擇和工藝參數(shù)中來分配熱收縮應力。 失效機理分析對于理解和改進塑料封裝工藝方面的價值是無法估量的，對失效的器件進行徹底的、正規(guī)的分析，并采取適當?shù)母倪M措施，可以大大提高生產(chǎn)力、成品率和封裝質(zhì)量。同時，為了保證器件的電學和力學方面的可靠性，在封裝設計中失效分析也是關(guān)鍵的因素，而為了使失效分析達到最佳效果，一定要按部就班地進行分析，以保證不遺漏相關(guān)的信息。發(fā)現(xiàn)器件失效后，要找到真正引起失效的原因或機理，并不太容易。除了封裝模塊的開裂之外，其它失效都 發(fā)生在模塊之內(nèi)。所以，要了解器件失效的真正原因，必須有相應的分析手段。失效分析方法一般可分為無損檢測和開封檢測二種。無損檢測就是借助于光、電、聲等方法，在不破壞器件結(jié)構(gòu)的條件下，尋找器件失效的原因。開封檢測則是首先打開器件的封裝部分，再借助儀器設備對失效原因進行檢測。是否要打開包封體是在進行失效分析時要作的第一個重要的決定，一些非破壞性的分析技術(shù)，如光學顯微鏡、 X射線顯微術(shù)和掃描聲顯微鏡在失效分析中已被廣泛應用，因為它們可以觀察器件的外部形貌或可以 穿透 包封體而 看到 封裝內(nèi)部的一些失效情況。但是，當封裝 內(nèi)部缺陷尺度小于 1微米時，就達到了這些技術(shù)的分辨率極限。在許多情況下，需要打開包封體以檢測封裝內(nèi)部的缺陷。開封方法包括化學、機械和等離子體刻蝕等。 器件失效的分析方法有許多，包括各種價格昂貴的專門設備，下面，將介紹一些常用的分析設備。 X 射線成象術(shù)： X 射線可以穿過塑封料并對包封內(nèi)部的金屬部件成像，因此，它特別適用 于評價由流動誘導應力引起的引線變形和 /或芯片焊盤的位移。在電路測試中，引線斷裂的結(jié)果是開路，而引線交叉或引線壓在芯片焊盤的邊緣上或芯片的金屬布線上，則表現(xiàn)為短路。 X 射線分析還可用于 評估氣泡的產(chǎn)生和位置，塑封料中那些直徑大于 1毫米的大空洞，很容易探測到，而微束（ fine focus） X 射線分析儀可探測到尺寸更小的氣泡。 X 射線分析儀都有一個可以三維移動的平臺，并且還可以在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在 Z 軸方向上，要有足夠的位移，以方便在不同位置上聚焦。在 XY方向，平臺要足夠大，以方便對整條框架帶進行檢測而不用將模塊切割下來，因為引線扭曲是朝著與轉(zhuǎn)移罐同方向或遠離轉(zhuǎn)移罐方向發(fā)展，常常暗示著在封裝材料選擇、封裝設計、模具設計和工藝參數(shù)確定中的不足，所以，需要在一次檢測中同時完成一條框架帶上的模塊，而不是 將模塊從框架代上切割下來檢測。用 X 射線檢測芯片焊盤的位移較為困難，因為焊盤位移相對于原來的位置來說更多的是傾斜而不是平移，所以，在用 X 射線分析時必須從側(cè)面穿過較厚的塑封料來檢測。檢測芯片焊盤位移更好的方法是用剖面法，這已是破壞性分析了。 C－ SAM： C 模式掃描超聲顯微鏡的工作原理與普通醫(yī)學上所用的 B 超很相似，只是它使用的是 C 模式。聲波顯微鏡很快被集成電路封裝研究和失效分析實驗室接受是因為它可提供封裝電路內(nèi)部損壞的非破壞性圖像，例如封裝開裂、空洞、分層等。用于檢測集成電路封裝的聲波成像技術(shù)有好 幾種，但最廣泛應用的模式是反射式。在該種模式中，聚集聲波脈沖穿過封裝模塊，返回的聲波（回聲）用于內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成像，這種技術(shù)就是通常所說的 C－ SAM，因為它將七十年代在斯坦福大學發(fā)展起來的掃描聲顯微術(shù)與五十年代起就用于非破壞性測試的 C－掃描檢測深度分布結(jié)合起來，充分發(fā)揮了精確分析和顯示能力。因為聲波是物質(zhì)波（ matter wave）， C－ SAM 技術(shù)能夠反映 X 射線成像術(shù)無法探測到的封裝裂痕。 C－ SAM 的初級聲波脈沖頻率在 15到 100兆赫茲，現(xiàn)在，一些用于探測倒扣芯片封裝缺陷的 C－ SAM 的頻率更高達 250兆赫茲以上 。 C－ SAM 的空間分辨率在 50到 400微米之間，取決于許多因素，包括聲波顯微鏡的頻率、封裝模塊的厚度及塑封料對聲波的吸收等。 顯微鏡：顯微鏡在封裝失效分析中十分有用，許多電路中的特征和缺陷度是通過顯微鏡確定的。顯微鏡包括一般的光學顯微鏡和電子顯微鏡。光學顯微鏡的放大倍數(shù)從低倍、中倍到高倍都很有用，可以用于觀測開封后的封裝模塊芯片表面缺陷，如球焊的浮起，鈍化層開裂等。光學顯微鏡最好可以同時從目鏡和顯示屏中觀察，若帶有成像技術(shù)（拍照、錄象）就更加理想。掃描電子顯微鏡（ SEM）也是十分有用的失效分 析工具，它可以用于觀察光學顯微鏡無法清楚反映的問題，并可以把缺陷放大。大部分 SEM 都附帶 EDX（ energy dispersion Xray），可用于探測所選區(qū)域的材料成分（元素），對于表面沾污、界面分層等的分析很有幫助。透射電子顯微鏡（ TEM）在封裝失效分析中也有使用，但并不普遍。 其它分析方法：由于封裝工藝中大量使用高分子材料，所以，一些高分子表征手段使用也十分廣泛，如 DSC（ differential scanning calorimetry，差分掃描量熱儀）、 TMA（ thermomechanical analysis，熱機械分析）、 TGA（ thermogravimetric analysis，熱重分析）、 DMA（ dynamic mechanical analysis，動態(tài)機械分析）及流變分析等，這些設備可以幫助了解和掌握高分子材料的熱性能、機械（力學）性能和流變性能，對于工藝條件的改進是很有幫助的。另外，一些表面分析儀器如 SIMS、 TOF－ SIMS、 AES、 XPS、 FTIR 等在封裝失效分析中也常常用到，由于在前面各章中已作了專門介紹，在這里就不再重復了。 在器件失效分析中，另一種十分有 用的分析方法是剖面分析（ crosssection）方法，即將封裝模塊進行切割，觀察其截面情況。為了使剖面分析能真正反映失效的部位及失效模式，切割的位置和剖面制備的方法都很重要。剖面制備的方法可以通過帶鋸、輪鋸等金剛石工具進行切割，然后用研磨、拋光等方法，對截面進行進一步的加工，以使表面更易觀察。制備完成的樣品可以在光學顯微鏡、電子顯微鏡等下面進行進一步的觀察和分析，以獲取更多的信息。但