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   封裝工藝是為了提升電子設(shè)備運行的可靠性，采取的相應(yīng)保護措施，即針對可能發(fā)生的力學(xué)、化學(xué)或者環(huán)境等不確定因素的攻擊，利用封裝技術(shù)和特殊材料對電子設(shè)備進行保護。

 

      封裝技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天設(shè)備、汽車、計算機以及移動通信設(shè)備等諸多領(lǐng)域中。但伴隨著超低壓、超高壓、強濕熱、大溫差等特殊條件下電子設(shè)備運行要求的增加，加之封裝器件日趨大功率應(yīng)用、小尺寸化、功能高集成化以及越發(fā)復(fù)雜化的因素，經(jīng)常發(fā)生因為封裝失效引起電子設(shè)備運行過程中故障問題，嚴重影響了功率器件的可靠性。

 

      因此，封裝失效問題以及如何對封裝工藝進行優(yōu)化，是目前封裝行業(yè)需要研究的課題。

 

1、功率器件的失效分析

 

1.1焊料空洞導(dǎo)致EOS失效

 

      本文借鑒了相關(guān)文獻的研究成果，確定了影響器件散熱的因素為焊料的空洞，對不同尺寸空洞影響器件散熱的程度進行深刻分析，并以此為基礎(chǔ)深入探討研究器件芯片可靠性受焊料空洞影響程度及其熱應(yīng)力的狀況。表1顯示材料的熱導(dǎo)系數(shù)。

 

 

      目前廣泛應(yīng)用的環(huán)氧塑封料形式呈現(xiàn)熱導(dǎo)系數(shù)非常低，熱導(dǎo)體效果不佳，功率器件運行中形成的熱量傳遞的途徑唯有芯片。如圖1所示，圖1中箭頭的方向就是芯片在工作狀態(tài)下產(chǎn)生熱的傳輸方向。從圖1中不難看出，如果焊料內(nèi)空洞形成的原因是器件生產(chǎn)過程中工藝不當(dāng)，基于空氣導(dǎo)熱系數(shù)只有0.03w/ （m.k），表現(xiàn)熱導(dǎo)體的不佳狀態(tài)，器件散熱受到影響，在這樣的狀態(tài)下長久運行，ESO會因為大量熱量的積累而導(dǎo)致器件失效。

 

 

1.2柵極開路導(dǎo)致EOS失效

 

      場效應(yīng)晶體管（mosfet)，是電壓管控的一種手段，在絕緣層的溝道區(qū)對柵壓實施有效的管控，而利用柵壓大小的改變對此區(qū)域的載流子濃度實施調(diào)控，從而確保源漏間電流大小的有效控制。因為打線不牢導(dǎo)致柵極引線升離或是因為長時間的熱循環(huán)讓引線根部裂紋產(chǎn)生斷裂后，產(chǎn)生柵極開路，從而失去柵極控制電流的能力，引發(fā)EOS，導(dǎo)致器件失效。

 

1.3芯片裂紋導(dǎo)致EOS失效

 

      硬而脆的單晶硅晶體具備金剛石的品質(zhì)，一旦形成硅片受力容易脆斷與開裂。在引線鍵合、晶圓減薄、芯片焊接、圓片劃片等工序中都可以形成硅芯片裂紋。

 

      通常情況下，芯片只是在引線區(qū)域外的微裂紋，就難以被發(fā)現(xiàn)，最糟糕的情況是在工藝實施中沒有發(fā)現(xiàn)芯片裂紋，更甚者是電學(xué)測試芯片的時候，微裂紋的芯片與沒有裂紋的芯片在電特反應(yīng)上不存在差別，但微裂紋會危及封裝后器件的可靠性、降低器件的使用年限。

 

      裂紋只有下列幾種情況才能顯示出來：采用十分靠譜的高低溫循環(huán)實驗或者是器件散熱時候瞬間加熱，呈現(xiàn)不匹配的芯片和封裝材料熱膨脹系數(shù)，還有運行中的外界應(yīng)力作用等。否則是難以發(fā)現(xiàn)裂紋的，這也會成為器件封裝失效的原因。

 

2、功率器件封裝工藝優(yōu)化研究

 

2.1、問題分析

 

      在功率器件封裝工藝中，最關(guān)鍵的工序就是芯片焊接。焊接過程是利用熔融合金焊料將芯片與引線框架結(jié)合，使引線框架散熱器與芯片集熱器的歐姆接觸形成良好的散熱途徑。

 

      因為性質(zhì)不同的粘結(jié)劑和固體表面，以及化學(xué)、吸附、力學(xué)、靜電、配位鍵、擴散等諸多因素，并不能對不同表面和粘結(jié)劑粘結(jié)的道理做出清楚解釋。同時，氣體、油污、塵埃等污染物都會被固體表面所吸附，導(dǎo)致表面因為氧化膜而污跡斑斑。

 

      另外，基于加工精度的影響，因為加工精度不夠，固體表面會存在宏觀和微觀的幾何形狀誤差，粘貼的界面只是中幾何面積的2％-7％，所以，嚴重降低了粘結(jié)劑對固體表面的保濕功能。所以，針對器件封裝的芯片焊接工藝，焊料中的空洞成為最嚴重的問題，不僅削弱了器件的散熱能力、阻礙了與歐姆接觸，更對功率器件的可靠性構(gòu)成威脅。

 

      由于芯片必須先焊接在引線框架上，然后將芯片連接到框架上，最后實施高溫焊接，因為器件和粘合劑類型的差異性，也會呈現(xiàn)不同的焊接曲線和溫度。

 

2.2優(yōu)化措施確定

 

      在優(yōu)化電源裝置的焊接工藝之前，對該裝置進行 x 射線掃描。結(jié)果表明，焊料空洞約占芯片面積的1%-7% 。按照電源裝置的有關(guān)規(guī)定,焊料里的空洞大小不超過芯片面積的百分之十才可定性為合格產(chǎn)品。

 

      可是在具體的運行實踐顯示，就算低于10%的空洞面積的器件可靠性也難以保障。本文的試驗利用對時間曲線、焊接溫度的優(yōu)化，以減少焊料的空洞，明顯提升了器件的可靠性、讓使用壽命得以有效延長。

 

2.3優(yōu)化效果對比分析

 

      在進行芯片封裝工藝優(yōu)化之前，試驗樣品選擇的片焊溫度-時間曲線溫度最高值358.9℃，熔融時間為37分鐘，焊接后降溫速率是9.71℃/秒；工藝實施優(yōu)化后，芯片焊接溫度-時間曲線的最高溫度為358.3℃，需要39分熔融時間，焊接后的降溫速率為8.95℃/秒。

 

      提升相關(guān)工序的溫度，可以促進芯片下焊膏的流動性，加速焊膏內(nèi)空氣的排出；而對焊后降溫速率的降低，有助于對芯片的保護，最大限度避免芯片產(chǎn)生裂紋。

 

      針對優(yōu)化措施前、優(yōu)化措施后，隨機分別抽取5個樣品，利用Ｘ—Ray對焊料的空洞實施測量同時對兩者的結(jié)果進行比較，結(jié)果顯示，在工藝優(yōu)化措施實施前焊料空洞量為1.4%-6.6%之間。

 

      優(yōu)化前，芯片焊接空洞的孔隙率不同，部分孔隙率甚至達到10% 的最大范圍。而對芯片的焊接采用優(yōu)化措施后的焊接曲線，器件的焊料空洞已經(jīng)沒有，表現(xiàn)顯著的優(yōu)化效果。焊接溫度的提高會讓熱應(yīng)力加強，但優(yōu)化結(jié)果獲悉，焊料的空洞更能夠減少。

 

      因為考慮到提升器件的可靠性，雖然極大的應(yīng)力會因為焊接溫度升高而加大，但空洞減少的價值和意義更大。同時測試優(yōu)化前后的樣品采用Undamped Inductive Loading進行測試，Uil 可以作為衡量設(shè)備阻力的參數(shù)。

 

      測試原理如下: 將柵極電壓施加到器件上后，由外部電源對電感器進行充電，直至電感器產(chǎn)生預(yù)期的電流測試值，從而完成電感器的充電過程; 電感器對器件進行反向放電，完成電感器的放電過程。

 

      感應(yīng)器反向放電到設(shè)備,會導(dǎo)致器件的雪崩狀態(tài)，以此測試器件的抗EOS能力。對優(yōu)化前后的兩組樣品，隨機抽取15個樣品進行 uil 檢測,測試公式為：V DD =23V，V GS ＝10Ｖ，L＝0.3mH。同時，對物態(tài)方程的能量和電流進行了比較和分析。

 

      實驗結(jié)果表明，eos的能量為279.3mj，平均電流為41.8a，沒有焊接腔的 eos 的能量為307.6mj，平均電流為46.1a。因此，無焊接腔器件必須具有較高的能量和電流才能導(dǎo)致 eos 失效，因此，沒有焊點的器件比有焊點的器件具有更高的抗失效能力。

 

3、結(jié)束語

 

      盡管目前對封裝實效問題的研究已經(jīng)成為熱點，也取得了一定成效。但對于封裝失效形成以及演化規(guī)律的研究才剛剛開始，以往的多數(shù)研究主要是基于對封裝材料的研究，對金屬與聚合物界面的影響關(guān)注甚少。

 

      所以，對封裝失效問題的后續(xù)的深入研究，必須在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進行關(guān)鍵的補充，研究領(lǐng)域應(yīng)該注重封裝功率器件整體的關(guān)注，要以器件與封裝材料界面彼此作用前提下，綜合試驗研究與仿真建模研究的實踐數(shù)據(jù)，對封裝失效過程的形成、變化的軌跡以及多場耦合效應(yīng)進行全面分析，找出功率器件實際使用壽命低于預(yù)期使用壽命的真正原因，為提升封裝工藝以及器件的可靠性提供幫助。