第06章封装系统的失效机理

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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牛产工艺中，引线和封装工艺的质量对可靠性具有很車要的作用。任何半导体器件，如果只有良好的管芯，而没有良好的/牢固的封装管壳來保护管芯,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/盐雾和低气床环境以及震动/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，并且稳定对靠。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売散发岀去

2、,而且要尽量减少体积和重量。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.封装方法用來封装半导体器件的外壳称为管壳，管壳-•般山管帽和管座（也称底座）两部分构成,集成电路所使用的外壳-•般可分为TO-5型/直插型和扁平型三利5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TT0-5型坏形外壳的封装。先把管帽盖在管座的顶部，然后将外壳置于上下电极Z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T•燥箱

3、中进行，用T氮或其它惰性气体置换箱内空气，以防止潮气侵入。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。这是川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*0/Au—Ge（365*0/Au（280*0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

4、时进行外壳封装，因而成本低。外壳结构极其简单，只有三个零件（山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而镀有傑的引线框架组成）。组装时先加热陶瓷底座便低熔点玻璃软化，将引线框架埋入玻璃中，然后川铝丝进行超声键合，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，借助于外加的强人压力，利用被焊工件的变形将两种金属封接在--起的封装方法。人功率管常采川冷压封接法。它的管帽与底座在封接处应有环状边缝，借助于外力的强人压力，使两者挤压在一起。同时为

5、了不使这样强人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）树脂膜議法（嬢料封装）塑料封装是以塑料作为管壳的一种封装方式。它采川高分子合成树脂，加上配料（如填充料/催化剂/增塑剂/脱膜剂/颜料等），加热加压一淀时间，使其固化成管壳，将半导体器件密封起來。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。大大降低了管壳成木，乂简化了管壳制造工序，提高了生产效率，因此适川于机械化和自动化的人批量生产。对删封材料的要求：（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（

6、--般为-65*C--150*C）o（3）塑料中杂质离子浓度要小。（4）要有充分的防潮性能和耐盐雾性能。（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（简称須封）是70年代以來迅速发展的一种技术，随着槊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人提高，应川范围逐年扩人，已应川到4KRAM和微处理机等人规模集成电路中。据报导，现在生产的半导体器件屮90%是采川塑料封装。但是，蜩料封装的半导体器件，山于槊•封材料直接接触器件芯片的表而，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人的

7、影响，蜩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人以及耐热冲击能力差。由于树脂存在的固冇吸潮性，随之引起水分的侵入和树脂中杂质离子的相互作川，而导致器件性能降低和电极/布线发牛腐蚀。例如4KRAN,大约80%的失效是由铝布线被腐蚀所引起的。一.蜩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