芯片封装可靠性系统培训

1“集成电路封装可靠性原理、案例分析及方案解决”高级研修班2可靠性常用术语3集成电路封装常用可靠性试验对应的缺点项目4产品防湿等级定义•防湿等级非密封包装状态下存放期标准吸湿考核条件•LEVEL1在小于30C/85%相对湿度无期限85C/85%168小时•LEVEL2在30C/60%条件下1年85C/60%168小时•LEVEL3在小于30C/60%条件下1周30C/60%192小时•加速=60C/60%40小时••SAMPLE：50•5塑料封装是非气密封装•塑料封装属于非气密封装,塑料封装采用的塑封料和导电胶是有一定吸水率的材料,其吸水率通常在千分之几到千分之十几左右,产品吸收一定程度的湿气之后,在波峰焊或者红外回流焊时,湿气在高温下迅速膨胀,从而产生产品内部的界面分层，导致连接线开路、芯片损伤等缺点，严重的造成胶体鼓胀或裂开,即我们常说的”爆米花”效应.•一般来讲如回风炉温度由240°C变成260°C,则其蒸气压变成原来的2.12倍.•”爆米花”效应不是QFP产品的特有的，SOP、SSOP、TSSOP等产品也因为吸湿经常产生6如产品已经吸湿使用前如何处理•对产品进行烘烤，烘烤条件一般为:•a.)低温器件容器在40℃+5℃/-0℃,5%RH下烘烤192小时•如装在塑料管里的SOP产品•b.)对编带产品在65℃~80℃下烘烤48~72小时•c.)高温器件容器在115℃~125℃下烘烤8小时,•如装在托盘里的QFP产品7产品防湿等级对应的不同包装要求•LEVEL1产品在小于30C/85%相对湿度下存放时,包装无特殊要求;•LEVEL2产品在30C/60%条件下1年内存放时,包装无特殊要求•但是很多情况下,特别是产品在南方存放时,湿度比较高,•产品要达到1年的存放期,包装要作适当的防湿措施;•LEVEL3在小于30C/60%条件下,包装无防湿措施仅能保存1周,•所以产品如要长时间保存,应该采取密封包装;8LEVEL3产品防湿标签例子•注意:袋内含湿敏器件•1.器件在密封袋内的寿命为：温度＜40℃，湿度＜90%下的寿命是12个月•2.密封袋开封后，需要进行红外回流、气相回流、波峰焊或等效处理的器件必须按照下列条件进行：•a.)工厂条件为温度≤30℃，湿度≤60%时，168小时（若此处空白，参见相邻的条码标签）内安装•b.)在湿度＜20%的环境下储存•3.若器件符合下列条件，要求安装前烘烤.•a.)温度为23加减5度时，湿度指示卡的读数＞10%.•b.)不符合2a或2b.•4.若要求烘烤，器件烘烤时间为:•a.)低温器件容器在40℃+5℃/-0℃,5%RH下烘烤192小时•b.)高温器件容器在115℃加减5℃下烘烤8小时•口袋密封日期：•(若此处空白，参见相邻的条码标签)9产品防湿等级试验流程*****芯片来源更换时可以也按照流程做可靠的实验,正常后再开始批量生产10湿气敏感等级和那些因素有关•1.和封装形式有关,湿气敏感度按照封装形式由强到弱的大致顺序为BGA\TQFP\LQFP\QFP\TSSOP\SSOP\SOP\SOT\TO\SDIP\DIP•2.和塑封材料吸水率、粘结力、耐高温性能有关•3.和导电胶的挥发物、吸水率、粘结力、耐高温性能有关••4.和产品的芯片大小、封装的引线框架基岛大小、封装体内塑封料本身结合面积占塑封体面积有关•5.和各站封装工艺有关•6.与产品的设计结构有关•*所有表贴封装的产品芯片与基岛面积比最小为30%.•若低于30%需进行工程风险评估(做MSL考核),•除非该封装可靠性的项目已经覆盖该框架的该情况11塑封料对产品可靠性的影响塑封料对产品可靠性的影响是非常大的12塑封料对产品可靠性的影响成分重量%功能树脂5-20提供交联反应硬化剂3-10提供交联反应填充料70-90改善物理特性，降低成本催化剂2加快反应速度耦合剂1联结树脂和填充料阻燃剂3满足UL-94要求着色剂1颜色润滑剂1有助脱模应力释放剂3降低内部应力流性提高剂3提高流性，降低粘度粘附提高剂1提高对L/F，ST粘附性离子获取剂1提高可靠性塑封料的成分131SPIRALFLOW（CM）2GELTIME（AT175度）3VISCOSITYPa.s4THERMALEXPANSION1*10E-5/度5THERMALEXPANSION2*10E-5/度6TG7THERMALCONDUCTIVITYcal/cm*sec*度8FLEXURALSTRENGTHAT25度kgf/mm*mm9FLEXURALMODULUSAT25度kgf/mm*mm10FLEXURALSTRENGTHAT240度kgf/mm*mm11SPECIFICGRAVITY12VOLUMERESISTVITYAT150度OM-cm13ULFLAMECLASS14WATERABOSORPTION(BOLLING24HOURS)15EXTRACTEDNA+(PPM)16EXTRACTEDCL-(PPM)17FILLERDIAMETER(um)18PH19SHOREDHARDNESS20SHRINKAGE塑封料对产品可靠性的影响14塑封料对产品可靠性的影响高粘结力低吸水率高抗弯强度PH值5.2~7.5低卤素低应力高稳定性我们需要什么样的塑封料1.对薄形而且面积大的产品要充分考虑料饼的吸湿性带来的失效风险，以及料饼收缩带来的产品翘曲。2.对芯片在塑封体内占的面积很大的时候，必须考虑到冲切等时候受的力很多直接加到芯片上，塑封料的抗弯强度、模量要被考虑。3.对散热要求高的产品更应充分考虑塑封料的散热系数、玻璃化温度与对低应力的要求的均衡，事实上塑封料的高散热系数与低应力有时侯是一对矛盾，必要时可以采用添加了高散热材料的塑封料。4.数字通信的（高频率的）、功率的、电源调整的、CMOS（栅的厚度与α1的要求有直接的关系）、存储器类的等特殊要求要被充分考虑。5.大量生产前做好小批量试验和确认工作。15导电胶对产品可靠性的影响导电胶对产品可靠性的影响也是非常大的16导电胶对产品可靠性的影响17导电胶对产品可靠性的影响BGA常用2025D--不导胶2100A--导电胶18覆晶胶(白色硅胶)的成份和作用•在产品压焊后塑封前对产品芯片表面点胶,来避免芯片电性能受塑封料应力的影响,从而达到封装良率高而稳定的作用.但是芯片表面点胶也会影响产品散热，对TO220来说这个工艺会造成产品使用时爆管增加。•可靠性方面是否会有影响需进一步评估。化学物质名称含量%聚二甲基硅氧烷94%二氧化硅4%钛白粉1%含氢硅油1%导电胶对产品可靠性的影响19导电胶对产品可靠性的影响20如何从工艺角度做到产品零分层W/B站工艺控制要点：1.球焊温度的控制，包括预热区、工作区和冷却区2.在轨道上异常停留时间的控制3.球焊参数优化防止弹坑、CRACK4.铜线产品气体的流量和氢气的含量控制5.第二点针印控制6.劈刀寿命控制7.球厚、球直径、铝挤出球直径、铝残留、IMC、推力、拉力8.球焊机器类型的选择9.不同编号球焊机器参数的误差补偿10.线夹的维护保养11.压缩气气压的稳定性12.劈刀的选择13.打火参数的控制14.焊线的选择，包括供应商的选择15.在线时间控制16.空气中硫含量控制21如何从工艺角度做到产品零分层时间控制：22封装工艺控制要关注的要点小结：•磨片进刀速度、转速、磨片厚度、去离子水电导率、粗糙度、应力残留控制•划片进刀速度、转速、切割深度、防静电措施、裂缝和崩角控制•装片压力、顶针、吸嘴、银浆头的选用、压伤控制、背面顶针印、胶厚度控制•装片烘烤曲线、烘箱类型选择、挥发物沾污及框架氧化控制•球焊第一点参数、焊针的选用、预热及球焊温度、弧度、球焊深度IMC弹坑CRACK控制、针印痕迹控制•BGA塑封前等离子清洗效果和水珠角度测量控制•塑封模具的设计如顶杆位置、脱模角度、侧面粗糙度、是否开齿及塑封温度、压强、速度、胶体错位、胶体偏心、注胶口厚度、分层和开裂控制•后固化温度、时间、翘曲和铰链反应程度的控制•冲塑刀片与胶体的距离、刀片形状如倒角控制、产品受力和分层控制•电镀去飞边工艺、电镀电流、前处理、后处理、镀液成份、易焊性控制、机械化学电受力和分层控制•切筋成形和切割分离时产品胶体受力情况的监控（显微镜检查裂缝和SAT）、共面性、防静电•对薄形产品激光打印打印深度的控制•对产品的烘烤和真空包装、对防湿等级在MSL2、MSL3的产品在包装时的防湿和对应包装控制4如何从工艺角度做到产品零分层23DetectableDefects1.Delamination2.PackageCrack3.DieCrack4.Void如何分析超声扫描的结果24如何分析超声扫描的结果超声扫描结果与切片和SEM的验证对照SEM的标尺为1um很重要25如何分析超声扫描的结果超声扫描结果的判断（PRECON试验前后）：1）芯片表面不得有分层2）焊线区域不得有分层3）非有效区直插式产品正面分层面积不得超过10%,背面不得超过20%非有效区表面贴装式产品正面分层面积不得超过5%,背面不得超过10%客户要求零分层的应按照客户要求笔记本电脑、安全控制件、军用、高可靠工业控制类按照零分层要求4）芯片和基岛连接面TSCAN结果分层面积不得超过5%5）可靠性试验前后分层变化率不得大于5%26如何分析超声扫描的结果分层与失效的关系：1.CSCAN扫描分层显示波形没有完全反波的不一定会造成产品失效（分层的距离基本在0.1um~0.2um级别），是否会失效需要验证；2.TSCAN扫描使用软件判断为红色，而且红色在打线区，基本上这个产品会造成使用失效巨大的风险；分层的距离基本在1um级别）3.没有分层的产品不一定不失效，如ELQFP大基岛的焊接时塑封料的形变造成焊线与基岛脱开，如BGA焊接时BALLLIFT，这些异常很多情况下不一定能看到分层，如可靠性PCT\HAST后球与铝层脱开造成失效，也一般与分层无关。27铜丝球焊具有的优势：（1）价格优势（2）导电性和导热性均好于金线（3）冲弯率好于金线铜线产品的可靠性保证28铜丝球焊的难点：（1）铜容易被氧化，键合工艺不稳定（2）铜的硬度、屈服强度等物理参数高于金和铝。键合时需要施加更大的超声能量和键合压力，因此容易对硅芯片造成损伤甚至是破坏。铜线产品的可靠性保证29铜丝球焊的难点的解决办法：（1）防止氧化---在键合时加氮氢混合气体（2）防止对硅芯片损伤---对芯片本身提出了要求,具体见下页---严格控制加工工艺,做好弹坑和CRACK检查（3）芯片压区设计和工艺的支持，如AL压区的AL-SI-CU成分，避免CUP的设计等铜线产品的可靠性保证30铜线键合对芯片的要求,芯片铝层厚度最低要求压区下二氧化硅层要大于4000埃铜线产品的可靠性保证31铜线键合对芯片压区要求铜线产品的可靠性保证32铜线键合对芯片压区要求铜线产品的可靠性保证33铜线键合产品的注意事项１．压区下有图形的产品尽量不要用铜线键合２．高可靠性要求产品如工业控制＼计算机＼汽车电子等不要采用铜线键合３．对VDＭＯＳ管在采用铜线键合时要注意铝层厚度必须满足＞３ＵＭ４．铜线工艺封装的产品应及时做好功能测试，测试中应注意漏电流和波形失真等的异常，对测试良率低或者分BIN异常的要做好弹坑和CRACK的检查５．金线键合转铜线键合要做好可靠性试验铜线产品的可靠性保证34铜线产品的可靠性保证铜线键合控制要点：1.避免弹坑和CRACK35铜线产品的可靠性保证铜线键合控制要点：2.球厚度、球大小、带铝挤出球大小符合规范36感谢各位领导、朋友和专家