在集成電路封裝技術(shù)中，我們常面臨兩大挑戰(zhàn)：封裝缺陷與封裝失效。封裝缺陷，如焊盤(pán)開(kāi)裂、引腳松動(dòng)，主要源于制造工藝、材料選擇及封裝結(jié)構(gòu)的不足，直接影響封裝件的性能與可靠性。為解決此類(lèi)問(wèn)題，行業(yè)專家致力于改進(jìn)封裝工藝，選用高質(zhì)量材料，并優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，推動(dòng)封裝工藝的自動(dòng)化與智能化，也是降低缺陷率的有效途徑。另一方面，封裝失效，如引腳斷裂、焊點(diǎn)腐蝕，多因環(huán)境因素如溫度、濕度、震動(dòng)等導(dǎo)致。預(yù)防失效，需加強(qiáng)封裝件設(shè)計(jì)，改進(jìn)工藝，選用高可靠性材料，并定期檢測(cè)維修。此外，引入智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)預(yù)警，有效預(yù)防失效發(fā)生?？傊瑧?yīng)對(duì)封裝技術(shù)中的這兩大挑戰(zhàn)，需綜合運(yùn)用技術(shù)創(chuàng)新、材料升級(jí)與管理優(yōu)化等多方面策略，確保封裝件的高性能與長(zhǎng)期可靠性。

一、焊接缺陷

焊接是電子元器件封裝的重要方法之一，但是焊接缺陷也是封裝失效的主要原因之一。焊接缺陷分為焊點(diǎn)內(nèi)部缺陷和焊盤(pán)表面缺陷兩種，其中焊點(diǎn)內(nèi)部缺陷包括虛焊、冷焊、氣泡等，焊盤(pán)表面缺陷則包括焊盤(pán)氧化、焊盤(pán)變形等。焊接缺陷會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸不良、電路中斷等問(wèn)題，對(duì)電子元器件的可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。

解決方案：通過(guò)提高焊接工藝水平、優(yōu)化焊接設(shè)計(jì)等方式，可以有效減少焊接缺陷的產(chǎn)生。同時(shí)，使用探傷等技術(shù)檢測(cè)焊接質(zhì)量，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)缺陷。

二、導(dǎo)體斷裂

導(dǎo)體是電子封裝中的重要組成部分，但容易因?yàn)檫^(guò)度彎曲、擠壓等原因而導(dǎo)致斷裂。導(dǎo)體斷裂會(huì)導(dǎo)致信號(hào)不連通、電路斷路等問(wèn)題，對(duì)電子元器件的正常工作產(chǎn)生重要影響。

解決方案：在電子封裝中使用高質(zhì)量的導(dǎo)體材料和工藝，避免過(guò)度彎曲和擠壓操作，同時(shí)避免在導(dǎo)體表面使用過(guò)硬的物品或者使用過(guò)高的力度。此外，通過(guò)使用精密檢測(cè)設(shè)備和嚴(yán)格的質(zhì)檢標(biāo)準(zhǔn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理導(dǎo)體斷裂問(wèn)題。

三、接觸不良

接觸不良是封裝失效最常見(jiàn)的形式之一，包括接觸不良和接觸間隙不良兩種。接觸不良會(huì)導(dǎo)致電路不通、信號(hào)傳輸不暢等問(wèn)題，如果處理不及時(shí)會(huì)對(duì)電子元器件的可靠性和穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響。

解決方案：通過(guò)選用高質(zhì)量的導(dǎo)體材料和工藝、合理優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)接觸檢測(cè)等方式，可以有效減少接觸不良的發(fā)生。此外，定期對(duì)電子封裝進(jìn)行維護(hù)和檢測(cè)，及時(shí)處理發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，可以有效提高電子元器件的可靠性和穩(wěn)定性。

總結(jié)：電子封裝中的缺陷和失效形式多種多樣，需要針對(duì)具體情況采取相應(yīng)的預(yù)防和處理措施。通過(guò)優(yōu)化工藝、選用優(yōu)質(zhì)材料、使用高精度檢測(cè)設(shè)備等多種方式，可以有效減少封裝缺陷和失效的產(chǎn)生，提高電子元器件的可靠性和穩(wěn)定性。

1. 封裝缺陷與失效的研究方法論

封裝的失效機(jī)理可以分為兩類(lèi)：過(guò)應(yīng)力和磨損。過(guò)應(yīng)力失效往往是瞬時(shí)的、災(zāi)難性的;磨損失效是長(zhǎng)期的累積損壞，往往首先表示為性能退化，接著才是器件失效。失效的負(fù)載類(lèi)型又可以分為機(jī)械、熱、電氣、輻射和化學(xué)負(fù)載等。

影響封裝缺陷和失效的因素是多種多樣的， 材料成分和屬性、封裝設(shè)計(jì)、環(huán)境條件和工藝參數(shù)等都會(huì)有所影響。確定影響因素和預(yù)防封裝缺陷和失效的基本前提。影響因素可以通過(guò)試驗(yàn)或者模擬仿真的方法來(lái)確定，一般多采用物理模型法和數(shù)值參數(shù)法。對(duì)于更復(fù)雜的缺陷和失效機(jī)理，常常采用試差法確定關(guān)鍵的影響因素，但是這個(gè)方法需要較長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間和設(shè)備修正，效率低、花費(fèi)高。

在分析失效機(jī)理的過(guò)程中， 采用魚(yú)骨圖(因果圖)展示影響因素是行業(yè)通用的方法。魚(yú)骨圖可以說(shuō)明復(fù)雜的原因及影響因素和封裝缺陷之間的關(guān)系，也可以區(qū)分多種原因并將其分門(mén)別類(lèi)。生產(chǎn)應(yīng)用中，有一類(lèi)魚(yú)骨圖被稱為 6Ms：從機(jī)器、方法、材料、量度、人力和自然力等六個(gè)維度分析影響因素。

這一張圖所示的是展示塑封芯片分層原因的魚(yú)骨圖，從設(shè)計(jì)、工藝、環(huán)境和材料四個(gè)方面進(jìn)行了分析。通過(guò)魚(yú)骨圖，清晰地展現(xiàn)了所有的影響因素，為失效分析奠定了良好基礎(chǔ)。

2. 引發(fā)失效的負(fù)載類(lèi)型

如上一節(jié)所述，封裝的負(fù)載類(lèi)型可以分為機(jī)械、熱、電氣、輻射和化學(xué)負(fù)載。

失效機(jī)理的分類(lèi)

機(jī)械載荷：包括物理沖擊、振動(dòng)、填充顆粒在硅芯片上施加的應(yīng)力(如收縮應(yīng)力)和慣性力(如宇宙飛船的巨大加速度)等。材料對(duì)這些載荷的響應(yīng)可能表現(xiàn)為彈性形變、塑性形變、翹曲、脆性或柔性斷裂、界面分層、疲勞裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展、蠕變以及蠕變開(kāi)裂等等。

熱載荷：包括芯片黏結(jié)劑固化時(shí)的高溫、引線鍵合前的預(yù)加熱、成型工藝、后固化、鄰近元器件的再加工、浸焊、氣相焊接和回流焊接等等。外部熱載荷會(huì)使材料因熱膨脹而發(fā)生尺寸變化，同時(shí)也會(huì)改變?nèi)渥兯俾实任锢韺傩?。如發(fā)生熱膨脹系數(shù)失配(CTE 失配)進(jìn)而引發(fā)局部應(yīng)力，并最終導(dǎo)致封裝結(jié)構(gòu)失效。過(guò)大的熱載荷甚至可能會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)易燃材料發(fā)生燃燒。

電載荷：包括突然的電沖擊、電壓不穩(wěn)或電流傳輸時(shí)突然的振蕩(如接地不良)而引起的電流波動(dòng)、靜電放電、過(guò)電應(yīng)力等。這些外部電載荷可能導(dǎo)致介質(zhì)擊穿、電壓表面擊穿、電能的熱損耗或電遷移。也可能增加電解腐蝕、樹(shù)枝狀結(jié)晶生長(zhǎng)，引起漏電流、熱致退化等。

化學(xué)載荷：包括化學(xué)使用環(huán)境導(dǎo)致的腐蝕、氧化和離子表面枝晶生長(zhǎng)。由于濕氣能通過(guò)塑封料滲透，因此在潮濕環(huán)境下濕氣是影響塑封器件的主要問(wèn)題。被塑封料吸收的濕氣能將塑封料中的催化劑殘留萃取出來(lái)，形成副產(chǎn)物進(jìn)入芯片粘接的金屬底座、半導(dǎo)體材料和各種界面，誘發(fā)導(dǎo)致器件性能退化甚至失效。例如，組裝后殘留在器件上的助焊劑會(huì)通過(guò)塑封料遷移到芯片表面。在高頻電路中，介質(zhì)屬性的細(xì)微變化(如吸潮后的介電常數(shù)、耗散因子等的變化)都非常關(guān)鍵。在高電壓轉(zhuǎn)換器等器件中，封裝體擊穿電壓的變化非常關(guān)鍵。此外，一些環(huán)氧聚酰胺和聚氨酯如若長(zhǎng)期暴露在高溫高濕環(huán)境中也會(huì)引起降解(有時(shí)也稱為“逆轉(zhuǎn)”)。通常采用加速試驗(yàn)來(lái)鑒定塑封料是否易發(fā)生該種失效。

需要注意的是，當(dāng)施加不同類(lèi)型載荷的時(shí)候，各種失效機(jī)理可能同時(shí)在塑封器件上產(chǎn)生交互作用。例如，熱載荷會(huì)使封裝體結(jié)構(gòu)內(nèi)相鄰材料間發(fā)生熱膨脹系數(shù)失配，從而引起機(jī)械失效。其他的交互作用，包括應(yīng)力輔助腐蝕、應(yīng)力腐蝕裂紋、場(chǎng)致金屬遷移、鈍化層和電解質(zhì)層裂縫、濕熱導(dǎo)致的封裝體開(kāi)裂以及溫度導(dǎo)致的化學(xué)反應(yīng)加速等等。在這些情況下，失效機(jī)理的綜合影響并不一定等于個(gè)體影響的總和。

3. 封裝缺陷的分類(lèi)

封裝缺陷主要包括引線變形、底座偏移、翹曲、芯片破裂、分層、空洞、不均勻封裝、毛邊、外來(lái)顆粒和不完全固化等。

3.1 引線變形

引線變形通常指塑封料流動(dòng)過(guò)程中引起的引線位移或者變形，通常采用引線最大橫向位移 x 與引線長(zhǎng)度 L 之間的比值 x/L 來(lái)表示。引線彎曲可能會(huì)導(dǎo)致電器短路(特別是在高密度 I/O 器件封裝中)。有時(shí)，彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鍵合點(diǎn)開(kāi)裂或鍵合強(qiáng)度下降。

影響引線鍵合的因素包括封裝設(shè)計(jì)、引線布局、引線材料與尺寸、模塑料屬性、引線鍵合工藝和封裝工藝等。影響引線彎曲的引線參數(shù)包括引線直徑、引線長(zhǎng)度、引線斷裂載荷和引線密度等等。

3.2 底座偏移

底座偏移指的是支撐芯片的載體(芯片底座)出現(xiàn)變形和偏移

如圖所示為塑封料導(dǎo)致的底座偏移，此時(shí)，上下層模塑腔體內(nèi)不均勻的塑封料流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致底座偏移。

影響底座偏移的因素包括塑封料的流動(dòng)性、引線框架的組裝設(shè)計(jì)以及塑封料和引線框架的材料屬性。薄型小尺寸封裝(TSOP)和薄型方形扁平封裝(TQFP)等封裝器件由于引線框架較薄，容易發(fā)生底座偏移和引腳變形。

3.3 翹曲

翹曲是指封裝器件在平面外的彎曲和變形。因塑封工藝而引起的翹曲會(huì)導(dǎo)致如分層和芯片開(kāi)裂等一系列的可靠性問(wèn)題。

翹曲也會(huì)導(dǎo)致一系列的制造問(wèn)題，如在塑封球柵陣列(PBGA)器件中，翹曲會(huì)導(dǎo)致焊料球共面性差，使器件在組裝到印刷電路板的回流焊過(guò)程中發(fā)生貼裝問(wèn)題。

翹曲模式包括內(nèi)凹、外凸和組合模式三種。在半導(dǎo)體公司中，有時(shí)候會(huì)把內(nèi)凹稱為“笑臉”，外凸稱為“哭臉”。

導(dǎo)致翹曲的原因主要包括 CTE 失配和固化 / 壓縮收縮。后者一開(kāi)始并沒(méi)有受到太多的關(guān)注，深入研究發(fā)現(xiàn)，模塑料的化學(xué)收縮在 IC 器件的翹曲中也扮演著重要角色，尤其是在芯片上下兩側(cè)厚度不同的封裝器件上。在固化和后固化的過(guò)程中，塑封料在高固化溫度下將發(fā)生化學(xué)收縮，被稱為“熱化學(xué)收縮”。通過(guò)提高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和降低 Tg 附近的熱膨脹系數(shù)變化，可以減小固化過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)收縮。

導(dǎo)致翹曲的因素還包括諸如塑封料成分、模塑料濕氣、封裝的幾何結(jié)構(gòu)等等。通過(guò)對(duì)塑封材料和成分、工藝參數(shù)、封裝結(jié)構(gòu)和封裝前環(huán)境的把控，可以將封裝翹曲降低到最小。在某些情況下，可以通過(guò)封裝電子組件的背面來(lái)進(jìn)行翹曲的補(bǔ)償。例如，大陶瓷電路板或多層板的外部連接位于同一側(cè)，對(duì)他們進(jìn)行背面封裝可以減小翹曲。

3.4 芯片破裂

封裝工藝中產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致芯片破裂。封裝工藝通常會(huì)加重前道組裝工藝中形成的微裂縫。晶圓或芯片減薄、背面研磨以及芯片粘結(jié)都是可能導(dǎo)致芯片裂縫萌生的步驟。

破裂的、機(jī)械失效的芯片不一定會(huì)發(fā)生電氣失效。芯片破裂是否會(huì)導(dǎo)致器件的瞬間電氣失效還取決于裂縫的生長(zhǎng)路徑。例如，若裂縫出現(xiàn)在芯片的背面，可能不會(huì)影響到任何敏感結(jié)構(gòu)。

因?yàn)楣杈A比較薄且脆，晶圓級(jí)封裝更容易發(fā)生芯片破裂。因此，必須嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)移成型工藝中的夾持壓力和成型轉(zhuǎn)換壓力等工藝參數(shù)，以防止芯片破裂。3D 堆疊封裝中因疊層工藝而容易出現(xiàn)芯片破裂。在 3D 封裝中影響芯片破裂的設(shè)計(jì)因素包括芯片疊層結(jié)構(gòu)、基板厚度、模塑體積和模套厚度等。

3.5 分層

分層或粘結(jié)不牢指的是在塑封料和其相鄰材料界面之間的分離。分層位置可能發(fā)生在塑封微電子器件中的任何區(qū)域;同時(shí)也可能發(fā)生在封裝工藝、后封裝制造階段或者器件使用階段。

封裝工藝導(dǎo)致的不良粘接界面是引起分層的主要因素。界面空洞、封裝時(shí)的表面污染和固化不完全都會(huì)導(dǎo)致粘接不良。其他影響因素還包括固化和冷卻時(shí)收縮應(yīng)力與翹曲。在冷卻過(guò)程中，塑封料和相鄰材料之間的 CTE 不匹配也會(huì)導(dǎo)致熱 - 機(jī)械應(yīng)力，從而導(dǎo)致分層。

可以根據(jù)界面類(lèi)型對(duì)分層進(jìn)行分類(lèi)

3.6 空洞

封裝工藝中，氣泡嵌入環(huán)氧材料中形成了空洞，空洞可以發(fā)生在封裝工藝過(guò)程中的任意階段，包括轉(zhuǎn)移成型、填充、灌封和塑封料至于空氣環(huán)境下的印刷。通過(guò)最小化空氣量，如排空或者抽真空，可以減少空洞。有報(bào)道采用的真空壓力范圍為 1~300Torr(一個(gè)大氣壓為 760Torr)。

填模仿真分析認(rèn)為，是底部熔體前沿與芯片接觸，導(dǎo)致了流動(dòng)性受到阻礙。部分熔體前沿向上流動(dòng)并通過(guò)芯片外圍的大開(kāi)口區(qū)域填充半模頂部。新形成的熔體前沿和吸附的熔體前沿進(jìn)入半模頂部區(qū)域，從而形成起泡。

3.7 不均勻封裝

非均勻的塑封體厚度會(huì)導(dǎo)致翹曲和分層。傳統(tǒng)的封裝技術(shù)，諸如轉(zhuǎn)移成型、壓力成型和灌注封裝技術(shù)等，不易產(chǎn)生厚度不均勻的封裝缺陷。晶圓級(jí)封裝因其工藝特點(diǎn)，而特別容易導(dǎo)致不均勻的塑封厚度。

為了確保獲得均勻的塑封層厚度，應(yīng)固定晶圓載體使其傾斜度最小以便于刮刀安裝。此外，需要進(jìn)行刮刀位置控制以確保刮刀壓力穩(wěn)定，從而得到均勻的塑封層厚度。

在硬化前，當(dāng)填充粒子在塑封料中的局部區(qū)域聚集并形成不均勻分布時(shí)，會(huì)導(dǎo)致不同質(zhì)或不均勻的材料組成。塑封料的不充分混合將會(huì)導(dǎo)致封裝灌封過(guò)程中不同質(zhì)現(xiàn)象的發(fā)生。

3.8 毛邊

毛邊是指在塑封成型工藝中通過(guò)分型線并沉積在器件引腳上的模塑料。

夾持壓力不足是產(chǎn)生毛邊的主要原因。如果引腳上的模料殘留沒(méi)有及時(shí)清除，將導(dǎo)致組裝階段產(chǎn)生各種問(wèn)題。例如，在下一個(gè)封裝階段中鍵合或者黏附不充分。樹(shù)脂泄漏是較稀疏的毛邊形式。

3.9 外來(lái)顆粒

在封裝工藝中，封裝材料若暴露在污染的環(huán)境、設(shè)備或者材料中，外來(lái)粒子就會(huì)在封裝中擴(kuò)散并聚集在封裝內(nèi)的金屬部位上(如 IC 芯片和引線鍵合點(diǎn))，從而導(dǎo)致腐蝕和其他的后續(xù)可靠性問(wèn)題。

3.10 不完全固化

固化時(shí)間不足或者固化溫度偏低都會(huì)導(dǎo)致不完全固化。另外，在兩種封裝料的灌注中，混合比例的輕微偏移都將導(dǎo)致不完全固化。為了最大化實(shí)現(xiàn)封裝材料的特性，必須確保封裝材料完全固化。在很多封裝方法中，允許采用后固化的方法確保封裝材料的完全固化。而且要注意保證封裝料比例的精確配比。

4. 封裝失效的分類(lèi)

在封裝組裝階段或者器件使用階段，都會(huì)發(fā)生封裝失效。特別是當(dāng)封裝微電子器件組裝到印刷電路板上時(shí)更容易發(fā)生，該階段器件需要承受高的回流溫度，會(huì)導(dǎo)致塑封料界面分層或者破裂。

4.1 分層

如上一節(jié)所述，分層是指塑封材料在粘接界面處與相鄰的材料分離?？赡軐?dǎo)致分層的外部載荷和應(yīng)力包括水汽、濕氣、溫度以及它們的共同作用。

在組裝階段常常發(fā)生的一類(lèi)分層被稱為水汽誘導(dǎo)(或蒸汽誘導(dǎo))分層，其失效機(jī)理主要是相對(duì)高溫下的水汽壓力。在封裝器件被組裝到印刷電路板上的時(shí)候，為使焊料融化溫度需要達(dá)到 220℃甚至更高，這遠(yuǎn)高于模塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(約 110~200℃)。在回流高溫下，塑封料與金屬界面之間存在的水汽蒸發(fā)形成水蒸氣，產(chǎn)生的蒸汽壓與材料間熱失配、吸濕膨脹引起的應(yīng)力等因素共同作用，最終導(dǎo)致界面粘接不牢或分層，甚至導(dǎo)致封裝體的破裂。無(wú)鉛焊料相比傳統(tǒng)鉛基焊料，其回流溫度更高，更容易發(fā)生分層問(wèn)題。

吸濕膨脹系數(shù)(CHE)，又稱濕氣膨脹系數(shù)(CME)

濕氣擴(kuò)散到封裝界面的失效機(jī)理是水汽和濕氣引起分層的重要因素。濕氣可通過(guò)封裝體擴(kuò)散，或者沿著引線框架和模塑料的界面擴(kuò)散。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模塑料和引線框架界面之間具有良好粘接時(shí)，濕氣主要通過(guò)塑封體進(jìn)入封裝內(nèi)部。但是，當(dāng)這個(gè)粘結(jié)界面因封裝工藝不良(如鍵合溫度引起的氧化、應(yīng)力釋放不充分引起的引線框架翹曲或者過(guò)度修剪和形式應(yīng)力等)而退化時(shí)，在封裝輪廓上會(huì)形成分層和微裂縫，并且濕氣或者水汽將易于沿這一路徑擴(kuò)散。更糟糕的是，濕氣會(huì)導(dǎo)致極性環(huán)氧黏結(jié)劑的水合作用，從而弱化和降低界面的化學(xué)鍵合。

表面清潔是實(shí)現(xiàn)良好粘結(jié)的關(guān)鍵要求。表面氧化常常導(dǎo)致分層的發(fā)生(如上一篇中所提到的例子)，如銅合金引線框架暴露在高溫下就常常導(dǎo)致分層。氮?dú)饣蚱渌铣蓺怏w的存在，有利于避免氧化。

模塑料中的潤(rùn)滑劑和附著力促進(jìn)劑會(huì)促進(jìn)分層。潤(rùn)滑劑可以幫助模塑料與模具型腔分離，但會(huì)增加界面分層的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，附著力促進(jìn)劑可以確保模塑料和芯片界面之間的良好粘結(jié)，但卻難以從模具型腔內(nèi)清除。

分層不僅為水汽擴(kuò)散提供了路徑，也是樹(shù)脂裂縫的源頭。分層界面是裂縫萌生的位置，當(dāng)承受交大外部載荷的時(shí)候，裂縫會(huì)通過(guò)樹(shù)脂擴(kuò)展。研究表明，發(fā)生在芯片底座地面和樹(shù)脂之間的分層最容易引起樹(shù)脂裂縫，其它位置出現(xiàn)的界面分層對(duì)樹(shù)脂裂縫的影響較小。

4.2 氣相誘導(dǎo)裂縫(爆米花現(xiàn)象)

水汽誘導(dǎo)分層進(jìn)一步發(fā)展會(huì)導(dǎo)致氣相誘導(dǎo)裂縫。當(dāng)封裝體內(nèi)水汽通過(guò)裂縫逃逸時(shí)會(huì)產(chǎn)生爆裂聲，和爆米花的聲音非常像，因此又被稱為爆米花現(xiàn)象。裂縫常常從芯片底座向塑封底面擴(kuò)展。在焊接后的電路板中，外觀檢查難以發(fā)現(xiàn)這些裂縫。QFP 和 TQFP 等大而薄的塑封形式最容易產(chǎn)生爆米花現(xiàn)象;此外也容易發(fā)生在芯片底座面積與器件面積之比較大、芯片底座面積與最小塑封料厚度之比較大的的器件中。爆米花現(xiàn)象可能會(huì)伴隨其他問(wèn)題，包括鍵合球從鍵合盤(pán)上斷裂以及鍵合球下面的硅凹坑等。

塑封器件內(nèi)的裂縫通常起源于引線框架上的應(yīng)力集中區(qū)(如邊緣和毛邊)，并且在最薄塑封區(qū)域內(nèi)擴(kuò)展。毛邊是引線框架表面在沖壓工藝中產(chǎn)生的小尺寸變形，改變沖壓方向使毛邊位于引線框架頂部，或者刻蝕引線框架(模壓)都可以減少裂縫。

減少塑封器件內(nèi)的濕氣是降低爆米花現(xiàn)象的關(guān)鍵。常采用高溫烘烤的方法減少塑封器件內(nèi)的濕氣。前人研究發(fā)現(xiàn)，封裝內(nèi)允許的安全濕氣含量約為 1100×10^-6(0.11 wt.%)。在 125℃下烘烤 24h，可以充分去除封裝內(nèi)吸收的濕氣。

4.3 脆性斷裂

脆性斷裂經(jīng)常發(fā)生在低屈服強(qiáng)度和非彈性材料中(如硅芯片)。到材料受到過(guò)應(yīng)力作用時(shí)，突然的、災(zāi)難性的裂縫擴(kuò)展會(huì)起源于如空洞、夾雜物或不連續(xù)等微小缺陷。

4.4 韌性斷裂

塑封材料容易發(fā)生脆性和韌性兩種斷裂模式，主要取決于環(huán)境和材料因素，包括溫度、聚合樹(shù)脂的黏塑特性和填充載荷。即使在含有脆性硅填料的高加載塑封材料中，因聚合樹(shù)脂的黏塑特性，仍然可能發(fā)生韌性斷裂。

4.5 疲勞斷裂

塑封料遭受到極限強(qiáng)度范圍內(nèi)的周期性應(yīng)力作用時(shí)，會(huì)因累積的疲勞斷裂而斷裂。施加到塑封材料上的濕、熱、機(jī)械或綜合載荷，都會(huì)產(chǎn)生循環(huán)應(yīng)力。疲勞失效是一種磨損失效機(jī)理，裂縫一般會(huì)在間斷點(diǎn)或缺陷位置萌生。

疲勞斷裂機(jī)理包括三個(gè)階段：裂紋萌生(階段Ⅰ);穩(wěn)定的裂縫擴(kuò)展(階段Ⅱ);突發(fā)的、不確定的、災(zāi)難性失效(階段Ⅲ)。在周期性應(yīng)力下，階段Ⅱ的疲勞裂縫擴(kuò)展指的是裂縫長(zhǎng)度的穩(wěn)定增長(zhǎng)。塑封材料的裂紋擴(kuò)展速率要遠(yuǎn)高于金屬材料疲勞裂縫擴(kuò)展的典型值(約 3 倍)。

5. 加速失效的因素

環(huán)境和材料的載荷和應(yīng)力，如濕氣、溫度和污染物，會(huì)加速塑封器件的失效。塑封工藝正在封裝失效中起到了關(guān)鍵作用，如濕氣擴(kuò)散系數(shù)、飽和濕氣含量、離子擴(kuò)散速率、熱膨脹系數(shù)和塑封材料的吸濕膨脹系數(shù)等特性會(huì)極大地影響失效速率。導(dǎo)致失效加速的因素主要有潮氣、溫度、污染物和溶劑性環(huán)境、殘余應(yīng)力、自然環(huán)境應(yīng)力、制造和組裝載荷以及綜合載荷應(yīng)力條件。

潮氣 能加速塑封微電子器件的分層、裂縫和腐蝕失效。在塑封器件中， 潮氣是一個(gè)重要的失效加速因子。與潮氣導(dǎo)致失效加速有關(guān)的機(jī)理包括粘結(jié)面退化、吸濕膨脹應(yīng)力、水汽壓力、離子遷移以及塑封料特性改變等等。潮氣能夠改變塑封料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度 Tg、彈性模量和體積電阻率等特性。

溫度 是另一個(gè)關(guān)鍵的失效加速因子，通常利用與模塑料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、各種材料的熱膨脹洗漱以及由此引起的熱 - 機(jī)械應(yīng)力相關(guān)的溫度等級(jí)來(lái)評(píng)估溫度對(duì)封裝失效的影響。溫度對(duì)封裝失效的另一個(gè)影響因素表現(xiàn)在會(huì)改變與溫度相關(guān)的封裝材料屬性、濕氣擴(kuò)散系數(shù)和金屬間擴(kuò)散等失效。

污染物和溶劑性環(huán)境 污染物為失效的萌生和擴(kuò)展提供了場(chǎng)所，污染源主要有大氣污染物、濕氣、助焊劑殘留、塑封料中的不潔凈例子、熱退化產(chǎn)生的腐蝕性元素以及芯片黏結(jié)劑中排出的副產(chǎn)物(通常為環(huán)氧)。塑料封裝體一般不會(huì)被腐蝕，但是濕氣和污染物會(huì)在塑封料中擴(kuò)散并達(dá)到金屬部位，引起塑封器件內(nèi)金屬部分的腐蝕。

殘余應(yīng)力 芯片粘結(jié)會(huì)產(chǎn)生單于應(yīng)力。應(yīng)力水平的大小，主要取決于芯片粘接層的特性。由于模塑料的收縮大于其他封裝材料， 因此模塑成型時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力是相當(dāng)大的?？梢圆捎脩?yīng)力測(cè)試芯片來(lái)測(cè)定組裝應(yīng)力。

印刷電路板(PCB)作為電子信息產(chǎn)品中承載元器件、傳輸電路信號(hào)的核心載體，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣與可靠性高低，直接關(guān)乎整機(jī)設(shè)備的性能表現(xiàn)。PCB 常見(jiàn)的失效模式豐富多樣，涵蓋爆板、分層、短路、起泡、焊接缺陷以及腐蝕遷移等多種類(lèi)型。

在 PCB 失效檢測(cè)技術(shù)體系中，無(wú)損檢測(cè)占據(jù)重要地位。X 射線透視、三維 CT 掃描、掃描聲學(xué)顯微鏡(C-SAM)及紅外熱成像等技術(shù)，無(wú)需破壞樣品，便能精準(zhǔn)展現(xiàn) PCB 內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，有效識(shí)別隱藏缺陷。表面元素剖析則依賴掃描電鏡 - 能譜儀(SEM/EDS)、顯微紅外光譜儀(FTIR)、俄歇電子能譜儀(AES)、X 射線光電子能譜儀(XPS)、飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀(TOF-SIMS)等設(shè)備，深入解析材料表面的元素構(gòu)成與化學(xué)狀態(tài)。熱性能研究通過(guò)差示掃描量熱法(DSC)、熱機(jī)械分析(TMA)、熱重分析(TGA)、動(dòng)態(tài)熱機(jī)械分析(DMA)，配合穩(wěn)態(tài)熱流法與激光散射法測(cè)定熱導(dǎo)率，探究材料在不同溫度下的性能變化規(guī)律。電性能測(cè)試涵蓋擊穿電壓、耐電壓、介電常數(shù)及電遷移測(cè)試等項(xiàng)目，全面評(píng)估 PCB 的電氣性能表現(xiàn)。而染色滲透檢測(cè)作為破壞性檢測(cè)手段，能夠進(jìn)一步揭示材料內(nèi)部的細(xì)微缺陷。

電子元器件失效分析

電子元器件的可靠性研究致力于通過(guò)多元技術(shù)手段，提升其在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性能。在服役過(guò)程中，元器件易出現(xiàn)開(kāi)路、短路、漏電、功能失效、電參數(shù)波動(dòng)及性能不穩(wěn)定等故障。

在失效檢測(cè)流程里，電學(xué)性能檢測(cè)是關(guān)鍵的初始環(huán)節(jié)。通過(guò)連接性測(cè)試、電參數(shù)精確測(cè)量和功能完整性測(cè)試，可快速判斷元器件的電氣功能是否正常。無(wú)損檢測(cè)借助機(jī)械開(kāi)封、化學(xué)開(kāi)封、激光開(kāi)封等技術(shù)，結(jié)合化學(xué)腐蝕、等離子腐蝕、機(jī)械研磨等去鈍化層方法，以及聚焦離子束(FIB)、芯片探針(CP)等微區(qū)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的精細(xì)觀察。制樣技術(shù)為后續(xù)分析提供標(biāo)準(zhǔn)樣本;光學(xué)顯微技術(shù)與掃描電子顯微鏡二次電子成像技術(shù)，從微觀層面呈現(xiàn)元器件的表面形貌特征。表面元素分析運(yùn)用掃描電鏡 - 能譜儀(SEM/EDS)、俄歇電子能譜儀(AES)、X 射線光電子能譜儀(XPS)、二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)等先進(jìn)工具，準(zhǔn)確測(cè)定元器件表面的元素成分。此外，X 射線透視、三維成像及反射式掃描聲學(xué)顯微技術(shù)(C-SAM)等無(wú)損檢測(cè)方式，能夠有效探測(cè)元器件內(nèi)部的缺陷隱患。

金屬材料失效分析

金屬封裝材料的失效誘因繁雜，涉及多個(gè)方面，常見(jiàn)的失效模式包括設(shè)計(jì)不合理、材料本身存在缺陷、鑄造工藝出現(xiàn)問(wèn)題、焊接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)以及熱處理操作不當(dāng)?shù)惹闆r 。這些失效問(wèn)題會(huì)對(duì)金屬封裝材料的性能與可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

為了準(zhǔn)確找出金屬材料失效的根本原因，需要綜合運(yùn)用多種檢測(cè)手段。在微觀組織分析方面，借助金相分析、X 射線相結(jié)構(gòu)分析、表面殘余應(yīng)力分析以及晶粒度檢測(cè)等方法，深入研究金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)特征，探尋結(jié)構(gòu)變化與失效之間的關(guān)聯(lián) 。成分分析依賴直讀光譜儀、X 射線光電子能譜儀(XPS)、俄歇電子能譜儀(AES)等專業(yè)設(shè)備，對(duì)材料的化學(xué)成分進(jìn)行精確測(cè)定。X 射線衍射儀(XRD)則在物相分析中發(fā)揮關(guān)鍵作用，用于確定材料中具體的物相組成。通過(guò) X 射線應(yīng)力測(cè)定儀開(kāi)展殘余應(yīng)力分析，能夠檢測(cè)材料內(nèi)部的應(yīng)力分布狀態(tài)。此外，利用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)、硬度試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備進(jìn)行機(jī)械性能測(cè)試，可全面評(píng)估材料的各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)，為失效分析提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

高分子材料失效分析

高分子材料作為封裝技術(shù)的重要組成部分，在保障封裝性能方面發(fā)揮著核心作用。但在實(shí)際的電子封裝應(yīng)用場(chǎng)景中，高分子材料面臨著較為嚴(yán)峻的失效問(wèn)題，其失效表現(xiàn)形式多樣，涵蓋斷裂、開(kāi)裂、分層、腐蝕、起泡、涂層脫落、變色、磨損等多種類(lèi)型 。這些失效現(xiàn)象不僅會(huì)破壞封裝結(jié)構(gòu)的完整性，還可能干擾電子設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，影響設(shè)備的性能與使用壽命。

針對(duì)高分子材料的失效檢測(cè)，目前已形成了一套全面且豐富的檢測(cè)體系。在成分分析領(lǐng)域，傅里葉紅外光譜儀(FTIR)、顯微共焦拉曼(Raman)光譜儀、掃描電鏡及能譜分析(SEM/EDS)、X 射線熒光光譜分析(XRF)等多種先進(jìn)儀器協(xié)同作用，能夠深入剖析材料的化學(xué)成分與分子結(jié)構(gòu) 。熱分析借助差示掃描量熱法(DSC)、熱機(jī)械分析(TMA)、熱重分析(TGA)等技術(shù)，結(jié)合穩(wěn)態(tài)熱流法、激光散射法測(cè)量導(dǎo)熱系數(shù)，系統(tǒng)地研究材料在不同溫度環(huán)境下的性能變化規(guī)律。裂解分析采用裂解氣相色譜 - 質(zhì)譜法、凝膠滲透色譜分析(GPC)、熔融指數(shù)測(cè)試(MFR)等方法，探究材料的熱裂解行為以及分子鏈結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。斷口分析利用掃描電子顯微鏡(SEM)、X 射線能譜儀(EDS)，對(duì)材料斷裂后的表面形貌和元素分布情況進(jìn)行分析，從而推斷失效的具體原因。此外，借助硬度計(jì)、拉伸試驗(yàn)機(jī)、萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等設(shè)備開(kāi)展物理性能測(cè)試，能夠全面評(píng)估高分子材料的力學(xué)性能，為失效分析和材料優(yōu)化提供重要依據(jù)。

復(fù)合材料失效分析

復(fù)合材料由兩種及以上不同性質(zhì)材料復(fù)合而成，憑借高比強(qiáng)度、優(yōu)異韌性和良好環(huán)境適應(yīng)性等顯著優(yōu)勢(shì)，在封裝生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際使用過(guò)程中，也會(huì)出現(xiàn)斷裂、變色、腐蝕、機(jī)械性能下降等失效現(xiàn)象。

為有效檢測(cè)復(fù)合材料失效問(wèn)題，多種技術(shù)手段綜合運(yùn)用。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)作為重要的初步篩查方法，涵蓋射線檢測(cè)技術(shù)(如 X 射線、γ 射線、中子射線檢測(cè))、工業(yè) CT、康普頓背散射成像(CST)技術(shù)、超聲檢測(cè)技術(shù)(穿透法、脈沖反射法、串列法)等，可在不破壞樣品的情況下，發(fā)現(xiàn)材料內(nèi)部缺陷與損傷 。成分分析主要借助 X 射線熒光光譜分析(XRF)等方法，確定材料元素組成 。熱分析采用熱重分析法(TG)、差示掃描量熱法(DSC)、靜態(tài)熱機(jī)械分析法(TMA)等技術(shù)，研究材料熱穩(wěn)定性與熱機(jī)械性能 。對(duì)于需要深入觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況，通過(guò)金相切片、聚焦離子束(FIB)制樣、離子研磨(CP)制樣等切片分析的破壞性實(shí)驗(yàn)，獲取微觀層面詳細(xì)信息。

涂層 / 鍍層失效分析

涂層 / 鍍層在使用過(guò)程中，分層、開(kāi)裂、腐蝕、起泡、脫落、變色等失效情況較為常見(jiàn)，這些問(wèn)題會(huì)削弱其對(duì)基底材料的保護(hù)作用，影響產(chǎn)品外觀與性能。

在檢測(cè)手段方面，涂層 / 鍍層的無(wú)損檢測(cè)、成分分析、熱分析方法與高分子材料檢測(cè)存在諸多相似之處。此外，斷口分析利用體式顯微鏡(OM)、掃描電鏡分析(SEM)，細(xì)致觀察涂層 / 鍍層斷裂處微觀形貌，深入分析失效機(jī)理 ;通過(guò)拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等力學(xué)性能測(cè)試，評(píng)估涂層 / 鍍層與基底的結(jié)合強(qiáng)度及自身力學(xué)性能，為失效原因判斷與工藝改進(jìn)提供有力依據(jù)。

自然環(huán)境應(yīng)力 在自然環(huán)境下，塑封料可能會(huì)發(fā)生降解。降解的特點(diǎn)是聚合鍵的斷裂，常常是固體聚合物轉(zhuǎn)變成包含單體、二聚體和其他低分子量種類(lèi)的黏性液體。升高的溫度和密閉的環(huán)境常常會(huì)加速降解。陽(yáng)光中的紫外線和大氣臭氧層是降解的強(qiáng)有力催化劑，可通過(guò)切斷環(huán)氧樹(shù)脂的分子鏈導(dǎo)致降解。將塑封器件與易誘發(fā)降解的環(huán)境隔離、采用具有抗降解能力的聚合物都是防止降解的方法。需要在濕熱環(huán)境下工作的產(chǎn)品要求采用抗降解聚合物。

制造和組裝載荷 制造和組裝條件都有可能導(dǎo)致封裝失效，包括高溫、低溫、溫度變化、操作載荷以及因塑封料流動(dòng)而在鍵合引線和芯片底座上施加的載荷。進(jìn)行塑封器件組裝時(shí)出現(xiàn)的爆米花現(xiàn)象就是一個(gè)典型的例子。

綜合載荷應(yīng)力條件 在制造、組裝或者操作的過(guò)程中，諸如溫度和濕氣等失效加速因子常常是同時(shí)存在的。綜合載荷和應(yīng)力條件常常會(huì)進(jìn)一步加速失效。這一特點(diǎn)常被應(yīng)用于以缺陷部件篩選和易失效封裝器件鑒別為目的的加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)。