为什么会发生分层和开裂?
芯片是一个非常精密的“三明治"结构,由芯片(硅片)、塑封料(环氧树脂)、引线框架、基板等多种材料构成。
核心原因:热膨胀系数(CTE)不匹配。这些材料的热膨胀系数差异巨大。硅的热膨胀系数很低,而塑封料和基板却要大得多。当芯片经历剧烈的温度变化(尤其是冷热冲击)时,不同材料的胀缩幅度不同,在结合界面就会产生巨大的剪切应力。当这种应力超过材料界面的结合强度时,就会发生分层。如果应力足够大,甚至会导致芯片本体或塑封料开裂。
预处理环节的“引爆":如果你做了完整的预处理流程,那么分层和开裂的高发环节通常在模拟回流焊这一步。因为芯片在吸湿步骤中吸收的水分,在260℃的高温回流焊下会瞬间汽化膨胀,产生巨大的蒸汽压力,从内部直接“炸开"封装界面。
可能的原因排查:问题出在哪里?
这多半不是偶然现象。根据经验,大概率是以下三个方面中的一个或多个出了问题:
材料或工艺问题(内因):
塑封料与芯片/基板不匹配:这是最常见的原因。可能选用的塑封料热膨胀系数过高,或者与芯片表面的钝化层、基板材料的结合力不足。
界面污染:芯片表面或引线框架在塑封前可能受到了微量的污染,导致塑封料无法结合,形成先天薄弱界面。
固化工艺不当:塑封料的固化时间和温度未达最佳,导致其交联密度不足,整体强度不够。
测试条件过于严苛(外因):
吸湿等级(MSL)设置偏高:可能芯片实际的防潮等级(如MSL 3级),却被用更严格的MSL 2级或1级的要求进行预处理,导致其吸湿远超设计承受能力。
回流焊温度过高:如果回流焊设定的峰值温度或时间超出了芯片的额定范围,即使是合格的芯片也可能在此环节损坏。
温度循环范围或速率过快:对于某些封装,-55℃到+125℃的冲击范围可能过大,或转换速度过快。
检测时机的偏差:
如果是出箱后进行电性能测试才发现失效,失效点可能在进箱前就已经存在(如键合丝微裂),只是通过测试才被放大。
下一步该怎么办?
这需要一套系统的分析方法来定位根因。建议按以下顺序进行:
无损检测确认:首先用超声波扫描显微镜(C-SAM) 对分层开裂的芯片进行扫描,确认分层的具体位置和形态(是发生在芯片表面、引线框架界面,还是基板边缘)。
失效分析(破坏性):对失效样品进行开盖、切片、SEM(扫描电镜)分析,观察分层的界面特征、是否存在裂纹扩展路径,以及是否有污染物残留。
过程回溯:检查这批芯片的来料检验记录、塑封工艺参数、预处理过程记录,看是否有异常。
交叉验证:取同批次芯片,降低测试应力(如降低温变速率、缩短冲击时间、改用更低吸湿等级进行预处理)进行验证。如果通过了,则说明原测试条件对于该封装确实过于严苛。
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