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1、第六章封装系统的失效机理1*封装方法简介在半导体器件和集成电路的生产工艺中，引线和封装工艺的质量对可靠性具有很重要的 作用。任何半导体器件，如果只有良好的管芯，而没有良好的/牢固的封装管壳来保护管芯， 管芯的性能就要受到外部环境的影响。例如，高温/低温/温度冲击/潮气/盐雾和低气压环境 以及震动/冲击/离心力作用等都会强烈地影响管芯的性能，甚至引起失效。一器件对封装的要求1保护器件的芯片和键合系统。要求密封性好，机械结构牢固，防止来自外界的潮气 和冲击。2使管芯与外电路实现电连接，并且稳定可靠。3具有较好的散热作用，器件工作时芯片内产生的焦耳热能顺利地通过管壳散发出去， 而且要尽量减少体积和重
2、量。4超高频器件，管壳结构的分布电容和电感要尽可能小。5易于安装在印制板上（仅对小功率器件而言）。二封装方法用来封装半导体器件的外壳称为管壳，管壳一般由管帽和管座（也称底座）两部分构成， 集成电路所使用的外壳一般可分为T0-5型/直插型和扁平型三种。这些外壳的封装方法有通 电流的电阻熔焊法低熔点焊锡法/低熔点玻璃法以及树脂模型法等。（一）电阻熔焊法1环性熔焊法。这个方法用于 TO-5 型环形外壳的封装。先把管帽盖在管座的顶部， 然后将外壳置于上下电极之间并通以大电流，此时在高阻的凸缘部分发热和熔化并相互粘结 从而实现密封。密封操作一般在干燥箱中进行，用干氮或其它惰性气体置换箱内空气，以防 止潮
3、气侵入。2. 缝焊法。这种方法属于电阻熔焊法，但与环形熔焊又不同，它有两个旋转的电极，在 两个电极之间通以电流，焊接就在管帽与底座的镀金层之间进行，电极在外壳周围旋一圈就 可完成密封。例如陶瓷金属化双列直插式的管该缝焊法平行封焊，就属于这种缝焊法。（二）低熔点焊锡及玻璃法。1低熔点焊锡法。这是用低熔点焊锡或钎焊料粘结底座和盖的方法。密封时必须加热， 低熔点焊料一般采用 Au-Si （370*C） /Au-Ge （365*C） /Au （280*C）等。2低熔点玻璃法。它常用于黑陶瓷双列直插式和扁平式外壳的密封。此法的优点是在 组装工序中同时进行外壳封装，因而成本低。外壳结构极其简单，只有三个零
4、件（由预涂了 低熔点玻璃膜的陶瓷盖和底座以及供超声波焊接用的表面镀有镍的引线框架组成）。组装时 先加热陶瓷底座使低熔点玻璃软化，将引线框架埋入玻璃中，然后用铝丝进行超声键合，加 盖后置于 500*C 的连续式加热炉中加热密封，最后对引线框架部分进行电镀和切断。这种 封装可以实现完全密封，可靠性好。（三）冷压封接法冷压封接法是一种在不加热的条件下，借助于外加的强大压力，利用被焊工件的变形将 两种金属封接在一起的封装方法。大功率管常采用冷压封接法。它的管帽与底座在封接处应有环状边缝，借助于外力的强 大压力，使两者挤压在一起。同时为了不使这样强大的压力所产生的形变应力传递到安置在 底座上的芯片上，往
5、往在底座上靠近边缘的地方制作一个避免形变的沟槽。（四）树脂膜塑法（塑料封装）塑料封装是以塑料作为管壳的一种封装方式。它采用高分子合成树脂，加上配料（如填 充料/催化剂/增塑剂/脱膜剂/颜料等），加热加压一定时间，使其固化成管壳，将半导体器件 密封起来。此法优点是重量轻，体积小，有利于微型化，能节省大量金属和合金。大大降低 了管壳成本，又简化了管壳制造工序，提高了生产效率，因此适用于机械化和自动化的大批 量生产。对塑封材料的要求：（1）树脂与被它包裹物质的热膨胀系数要接近。（2）应能充分适应半导体器件的温度范围（一般为-65*C-150*C）。（ 3）塑料中杂质离子浓度要小。（4）要有充分的防潮
6、性能和耐盐雾性能。（5）有足够的机械强度和较好的粘结性。（6）具有较好的加工性能，尺寸稳定。2*塑料封装的可靠性 塑料封装（简称塑封）是70年代以来迅速发展的一种技术，随着塑封材料质量的提高 及器件钝化技术的进步，塑封器件的可靠性已有很大提高，应用范围逐年扩大，已应用到 4KRAM 和微处理机等大规模集成电路中。据报导，现在生产的半导体器件中90%是采用塑 料封装。但是，塑料封装的半导体器件，由于塑封材料直接接触器件芯片的表面，封装材料的性 能状态对半导体器件地特性，尤其是对长期可靠性有很大的影响，塑料封装存在的最大问题 是：抗潮能力差/受树脂中有害杂质的影响大以及耐热冲击能力差。由于树脂存在
7、的固有吸 潮性，随之引起水分的侵入和树脂中杂质离子的相互作用，而导致器件性能降低和电极/布 线发生腐蚀。例如4KRAN,大约80%的失效是由铝布线被腐蚀所引起的。一塑料材料的种类及性能 塑封材料有聚酯/聚氨酯/环氧化物/酚醛塑料/硅酮树脂/模制化合物和泡沫塑料等。目前, 半导体器件的塑封材料主要是环氧化物和硅酮树脂两大类。1环氧树脂。环氧树脂的抗潮性能好。粘接强度/机械强度/绝缘性能/抗化学药品等性 能优良,并且有固化收缩率小,容易固化等特点。缺点是耐热性能稍差,以 150*C 为限, 它是目前使用最普遍的塑封材料。2. 硅酮树脂。硅酮树脂的耐热性能好（可在175-200*C范围内使用）。绝缘
8、性能优越。 缺点是抗潮性能差。粘接力/机械强度和抗化学药品的性能都比环氧系差。因此硅酮树脂适 用于功率器件的封装。3. 改性环氧树脂（MZ型）是最近几年发展起来的新型塑封材料。它使环氧树脂性能 进一步改善,具有高强度的粘附性（与金属框架结合处无缝隙）和优良的电绝缘性,抗潮性 能优于硅酮树脂,因此这种材料一经问世就被广泛地应用于半导体器件的封装。二.铝金属化的腐蚀（一）封装树脂的吸潮性 塑料材料在高温/高湿的气氛中,不可避免会有一定程度的水分进入内部,它是引起器 件芯片电极系统腐蚀的主要原因。由于封装树脂固有的吸潮性及外界潮气通过树脂与金属框 架接合处侵入芯片,树脂内含有杂质,在水分和杂质的共同
9、作用下使铝膜遭到腐蚀。树脂吸潮有两种机理。其一是快速吸潮,潮气借助于氢键穿过有机环氧基体迁移,环氧 醛塑料吸潮属于这类。其二是慢吸潮,潮气通过二氧化硅填料基体迁移,硅酮树脂吸潮失效 就属于慢速吸潮（开始有快速率吸潮的倾向,以后很快变为慢速吸潮）。水分渗透树脂的速率与温度有关,温度越高水分渗透速率越快,并且符合阿伦尼乌方程。 潮气可以从树脂与金属框架结合处浸入,尤其是经过高低温冲击后,结合处出现了间隙 更是如此。例如某些国产硅酮树脂封装,发现与金属框架间有缝隙存在,结果抗潮性能就很 差。（二）封装树脂中的杂质封装材料主要是高分子合成树脂，同时还加有填充剂/催化剂/增塑剂/脱膜剂/阻燃剂和 颜料等
10、。这些材料中含有卤化物碱金属/碱土金属的化合物以及酚醛类杂质等。如果固化剂 中残存有未反应完的高分子合成树脂，不仅会使塑料材料的热性能恶化，而且易于发生水解 并生成有害的氯离子/氢氧根离子/钠离子等。氯离子/钠离子的含量对器件可靠性影响最大，其中尤以氯离子最甚；当氯离子含量大 于4ppm,钠离子含量大于5ppm时便会对器件性能产生影响（主要影响是反向漏电流增大）。塑封器件在高温 200*C 下，塑封材料中的聚合物交链会发生断裂，通过缩合作用而形 成水。水分与材料中存在的杂质氯离子结合成为盐酸,使铝金属化受到腐蚀。含氯离子越多, 铝腐蚀越严重。芯片粘接材料以及采用CF4/O2等离子是个污染来源之
11、一。经CF4/O2等离子处理后， 芯片表面氟含量增加,加大了电解液（水膜）中氟离子的浓度,因此加速了铝金属化的腐蚀。 芯片的粘接材料，例如二酚环氧树脂，由于其中含有氯化物，它对铝金属化有影响。三塑封对器件特性的影响塑封材料中的杂质/水分除了引起铝金属化发生电化学腐蚀外，还会导致器件特性的恶 化。树脂中存在的杂质离子，在一定的温度/湿度/偏压作用下，正负离子要分离，产生极化 效应，相应地在半导体芯片表面感应出符号相反的电荷，形成反型层或沟道，结果导致双极 型晶体管的漏电流增大/耐压降低/电流放大系数下降。对于MOS器件，可使阈值电压漂移, 耐压降低。塑封材料与金属框架/芯片与金属框架之间的粘接处
12、，因膨胀系数之间存在差异，经“间 歇寿命试验”或“高低温循环”后，往往会引起引线处的密封性能变差或不能承受过大应力 致使芯片破裂。各种材料的膨胀系数为：硅芯片约4*10-6/*C /柯伐引线框架约5*10-6/*C / 金丝约 1.5*10-5/*C /塑封材料约 4.5-7*10-5/*C 。为了使树脂的膨胀系数尽可能一致，通常 加入适当的填充剂。在外界应力的作用下，塑封材料在金属框架间出现的裂纹可导致外界潮 气迅速进入芯片，引起电性能恶化甚至铝金属化腐蚀。芯片与金属框架间的粘接材料出现裂 纹，器件热性能变坏，热阻增大。塑封材料中含有微量（1-2ppm）的铀和钍，它门所放射出的a粒子可使大容
13、量的存储 器产生误动作（软误差失效）。如果给芯片表面涂上一层保护涂料，其厚度大于a粒子的穿 透距离，可防止软误差失效。四提高塑封器件可靠性的措施1进一步提高塑封材料的纯度，尽量减少其中的氯/钠/钙等离子的含量以及树脂本身 的分解合成物等。2提高树脂与金属框架的粘接性。粘接性直接影响器件的耐湿性和机械强度。影响粘 接性的主要因素是：树脂固有的粘接性，封装前表面的清洁情况，基片表面的粗糙 程度，脱膜剂的种类/数量与分布等。3降低塑封材料的热膨胀系数，提高热传导率。尽量使塑料与框架和内引线的热膨胀 系数相接近，以改善密封性能。4芯片表面进行钝化。一般采用低温磷硅玻璃膜钝化。它的优点是比纯二氧化硅膜硬
14、 度高，具有吸除钠离子的能力/低应力/耐裂性/低针孔密度和抗电迁移能力强等。5 键合工艺采用金丝球焊。金丝韧性好，并且与塑料材料的热膨胀系数相近。金球键 合点的抗拉强度高，机械性能好；因此，采用金丝球焊可以提高塑封器件的温度循 环性能。3*金属封装的失效机理金属管壳的气密性好，热传导性能好，可屏蔽电磁波，可靠性高，被广泛应用于晶体管 /功率管和集成电路的封装。但它在密封性和结构方面也存在一些问题。一金属压焊的密封性问题大功率器件的大型金属管壳常采用金属冷压焊。冷压焊是利用被焊工件的变形来形成牢 固的连接。为了获得良好的焊缝密封性，焊缝处必须很清洁，压力要适当，否则容易出现漏 气。这种焊接方法对
15、金属表面的清洁程度要求很严，如果焊接处的金属表面有沾污，特别是 油脂一类物质的粘污，冷压焊后，焊缝容易出现漏气；焊接时施加的压力不够也容易引起漏 气，但压力过大又会造成焊缝处残留下的金属层过薄，使机械强度下降，在跌落/机械冲击 等项试验中将会引起焊缝局部损坏，影响晶体管的气密性。二环形封焊中的可靠性问题环形封焊属于金属熔焊，常用的焊接材料是柯伐合金片和低碳钢（10 号钢）。环形封焊 广泛用于 TP5 型管壳的密封。这种焊接要求零件的接触焊接表面平整/光滑，不允许有明 显的油污/氧化和划道/开裂等机械损伤，否则将影响其焊缝和焊缝的密封程度。环形封焊中容易出现不良而漏气。在功率器件中还会因封焊时打
16、火（油脂污物的电导率 小，产生的焦耳热量大，易出现打火），使烧熔的金属小球飞溅；如果小金属球飞溅进管腔 内就会产生多余物，将引起电极间瞬时短路。这种金属多余物对于高可靠器件是一种严重的 隐患。三.G型管壳引线管的接触问题G 型管壳的体积比 E/F 型的体积小，而且把散热问题和引线引出问题在上/下两端分别处 理，有利于改善功率管的电热特性。G型管壳在硅功率管中仍运用较多，它除了在底盘上有 内引线之外，管壳上还有柯伐管作为密封引线管。内引线（柯伐合金镀银或无氧铜）和密封 引线管（柯伐合金）之间是采用挤压法来实现电气连接的。但密封引线管上的挤压点常出现 可靠性问题，因挤压不牢或金属表面有粘污都会使接触电阻增大，导致管子参数（饱和压降 和电流放大系数）的劣化，甚至出
