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引言

 

      塑封器件具有體積小、重量輕、成本低、電學(xué)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，在電子元器件封裝領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。隨著塑封器件的應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，對于要求嚴(yán)苛的應(yīng)用領(lǐng)域，工業(yè)級塑封原材料及技術(shù)已不能滿足高可靠性的要求。在塑封器件失效案例中，因絕緣膠異常導(dǎo)致的失效問題較隱蔽，不易被發(fā)現(xiàn)，主要表現(xiàn)為失效情況不穩(wěn)定、受環(huán)境應(yīng)力的影響較大、失效器件數(shù)量多和不易篩選剔除等現(xiàn)象。

 

      本文選取一種典型的塑封器件絕緣膠失效案例，對塑封器件的失效進(jìn)行分析，并提出了改進(jìn)措施以及在設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)。

 

1、失效現(xiàn)象

 

      本文的器件樣品是一種非門塑封器件，該器件經(jīng)歷了老煉(125℃，96h)，溫度沖擊(－55℃～70℃、10次循環(huán))，高低溫存儲(－40℃～60℃)，溫度循環(huán)(－40℃～60℃，5次5h)等試驗(yàn)后，器件的性能合格。但是，在交變濕熱試驗(yàn)(30℃～60℃，85%ＲH、10次24h)后，器件的輸入端與地之間出現(xiàn)漏電，導(dǎo)致短路。

 

      對失效器件樣品進(jìn)行了多次測試。第1次測試的結(jié)果是輸入端對地短路。將樣品在常溫環(huán)境下放置約48h后，進(jìn)行第2次測試，結(jié)果是輸入端對地的阻抗恢復(fù)正常(MΩ級)。

 

      對樣品進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)(標(biāo)準(zhǔn)GJB548B中的方法1010/實(shí)驗(yàn)條件B:－55℃～125℃，20次循環(huán))，第3次測試結(jié)果為合格，未出現(xiàn)失效。

 

      對樣品進(jìn)行－50℃，12h的低溫存儲后，進(jìn)行第4次測試，結(jié)果是電路輸入端對地之間出現(xiàn)漏電，其阻值約40kΩ(正常值＞20MΩ)。這表明失效樣品的2個(gè)引腳之間的阻抗不穩(wěn)定，間歇性出現(xiàn)小于MΩ級的阻抗值，器件性能受到影響。

 

2、失效原因分析

 

      根據(jù)該樣品塑封結(jié)構(gòu)和內(nèi)部電連接情況判斷，造成輸入端對地之間的漏電失效原因如圖1所示。原因可能有芯片內(nèi)部異常、芯片玷污或變形、鍵合絲異常、塑封應(yīng)力較大、絕緣膠異常等。

 

 

2.1芯片問題

 

      芯片在制造工藝中存在異?；蛟馐芡獠慨惓?yīng)力的情況下，可能會導(dǎo)致芯片自身的功能異常。對某批次芯片本身是否存在異常進(jìn)行了驗(yàn)證，采用化學(xué)方法去除芯片周圍的塑封料和基板，對芯片引腳進(jìn)行扎針測試，發(fā)現(xiàn)芯片輸入端與地的阻抗為正常值，芯片表面無異常。

 

2.2封裝問題

 

      在樣品封裝過程中，鍵合絲存在錯(cuò)誤鍵合或交線等異常情況，可能導(dǎo)致輸入端對地短路。失效樣品的X射線形貌如圖2所示。將失效樣品與良品電路的X射線形貌進(jìn)行對比，可以看出，失效樣品的鍵合情況與良品電路的鍵合情況是一致的，無異常形態(tài)，因此排除了鍵合絲異常導(dǎo)致失效的原因。

 

 

      塑封器件的芯片表面覆蓋著塑封料，塑封料對芯片施加一定的應(yīng)力，可能導(dǎo)致器件失效。采用機(jī)械方法去除芯片表面的塑封料，對引腳間的阻抗進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)失效樣品的輸入端與地之間有漏電，即塑封應(yīng)力消除后失效問題并未消失，因此排除了芯片表面塑封料應(yīng)力導(dǎo)致失效的原因。

 

      芯片表面有玷污或芯片變形也可能導(dǎo)致芯片短路。在高倍顯微鏡下觀察芯片表面，未發(fā)現(xiàn)失效芯片表面有玷污或變形的現(xiàn)象，因此排除了芯片玷污或變形導(dǎo)致電路短路的原因。

 

      器件塑封結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。可以看出，芯片襯底電位為地，塑封載體連接輸入端電位，芯片底部與塑封載體之間通過絕緣膠隔離。

 

      一般情況下，絕緣膠能有效地隔離電位，即輸入端與地之間無電流通路，但如果絕緣膠存在異常，其絕緣性能下降，會導(dǎo)致輸入端與地之間產(chǎn)生漏電，從而影響器件的性能。采用機(jī)械方法去除失效樣品的塑封基板，測試其輸入端與地之間的I-V特性，發(fā)現(xiàn)漏電現(xiàn)象消失。因此，可定位漏電通路位于襯底和基板之間的絕緣膠部位。

 

 

      綜上分析，確定失效樣品輸入端與地之間的漏電故障是芯片與基板之間的絕緣膠異常所致。

 

3、失效機(jī)理分析

 

      失效樣品的芯片與基板之間采用絕緣膠，絕緣膠的作用是隔離輸入端與地之間的電位。絕緣膠粘接的厚度及質(zhì)量將影響器件的輸入端與地之間的絕緣效果，即影響輸入與地之間的阻抗值。

 

      對失效樣品和良品電路進(jìn)行剖面分析，并對器件中的絕緣膠對比檢查，發(fā)現(xiàn)失效樣品比良品電路的芯片粘膠即絕緣膠的空洞更大，如圖4所示。潮濕環(huán)境下，絕緣膠空洞所在位置容易發(fā)生爬電現(xiàn)象，使絕緣膠的絕緣強(qiáng)度進(jìn)一步下降，最終導(dǎo)致輸入端和地之間的絕緣膠產(chǎn)生漏電。

 

 

      對失效樣品進(jìn)行縱向切面分析，如圖5所示?？梢钥闯?，芯片背部背金層存在脫落情況。因?yàn)榻^緣膠中摻雜的脫落背金層導(dǎo)電，所以會降低絕緣膠的絕緣性能。

 

 

      通過解剖失效樣品結(jié)構(gòu)并結(jié)合電路故障現(xiàn)象進(jìn)行分析可知，該樣品的輸入端與地之間的短路失效的原因是，絕緣膠中的空洞使得絕緣膠的有效厚度變薄。同時(shí)，絕緣膠中摻雜有脫落的鍍金層，這種絕緣膠容易出現(xiàn)擊穿和漏電，在絕緣膠異常與濕熱環(huán)境的共同作用下，導(dǎo)致芯片與基板之間短路。

 

4、改進(jìn)措施

 

      目前，工業(yè)級塑封無法完全消除絕緣膠產(chǎn)生空洞的情況。為避免絕緣膠中產(chǎn)生空洞、芯片背金層脫落混入絕緣膠等引起器件失效的問題，可從器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面采取相應(yīng)措施，以提升器件的可靠性。結(jié)合器件的失效分析情況，本文提出以下器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的建議。

 

      準(zhǔn)確定義器件各引腳之間的電位關(guān)系，盡量避免使用絕緣膠隔離不同的電位。當(dāng)絕緣膠粘結(jié)兩端(如芯片背部與塑封載體)的電位相同時(shí)，絕緣膠僅起粘結(jié)作用，即使出現(xiàn)輕微的絕緣膠漏電，對器件的可靠性也不會產(chǎn)生影響。這種方法可從源頭上避免緣膠異常導(dǎo)致的器件失效。

 

      對于芯片背面的背金層無明確用途的器件，在需使用絕緣膠粘結(jié)的情況下，盡量去除背金層后再使用。這種方法可以避免粘結(jié)過程中背金層脫落混入絕緣膠，從而引起絕緣膠絕緣性能下降。

 

      在使用絕緣膠粘結(jié)器件時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)增加絕緣膠的厚度，同時(shí)在絕緣膠中加入絕緣顆粒，從而精確控制膠層的厚度均勻性。這種方法能有效避免絕緣膠厚度不均而導(dǎo)致的漏電問題。

 

5、結(jié)論

 

      在部分工業(yè)級塑封器件中，絕緣膠產(chǎn)生空洞、摻有金屬雜質(zhì)等異常情況會導(dǎo)致絕緣膠異常，使得器件在溫度和濕度應(yīng)力下產(chǎn)生漏電，甚至導(dǎo)致器件功能失效。在器件高可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，需要著重考慮絕緣膠不是理想絕緣的情況。