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芯片分层了,什么情况?

发布日期:2022-09-14 浏览次数:712

我们有个产品需要换个封装,原来用的是QFN封装,产品已经量产。
根据客户的需求,需换成DFN的封装,拿到新封装的产品后,上板一测,功能异常,同样晶圆,只是封装不同,怎么功能就异常了?
很明显这个问题跟封装相关,封装厂给了一个回复,怀疑芯片分层了,让我们做两个实验。

  •         实验一:将芯片放入socket中测试,不要上板,查看功能是否异常,如果功能正常做第二个实验;
  •         实验二:将实验一测试的芯片,用焊锡加热芯片的管脚,模拟芯片上板焊接的过程,然后查看芯片功能是否异常?

封装厂给出方案是用来验证是不是高温焊接引起的芯片分层。
问题来了,什么是分层问题?怎么引起的?
这个问题对负责品控的工程师应该比较熟悉的,但是对于电路设计的朋友可能就有点陌生了,下面我们就简单的讲解一下。


什么是分层?


要回答这个问题,先从封装材料说起,现在常用的封装材料是塑料和陶瓷。
陶瓷封装的产品,气密性好,可靠性高,但因其成本高,只能在可靠性要求比较高的产品中使用,例如航空航天,和军工产品中。
塑料封装是使用最广泛的,主要采用环氧树脂材料,因其较高的可靠性,低成本,生产工艺简单,决定它成为封装的主力。
但是塑料封装存在较高的吸湿性,而器件在生产和测试过程中,不可避免的要经过高温或高湿的环境,潮气膨胀后造成内部应力过大,形成分层问题,bonding 断裂等严重后果。
参考下图,这是芯片的封装图,芯片跟框架水平粘贴在一起。

下图展示的是芯片分层以后的图片。


引起分层问题的几个原因


受潮是引起分层问题的唯一原因吗?当然不是了!
其实根据导致分层的原因不同,分层失效模式可以分成四类。

  •         塑封体内部存在潮气

塑封料的原材料存储、成品生产及成品存储都或多或少的接触到潮气,导致塑封体内聚集潮气,当芯片在进行可靠性实验、波峰焊等一系列高温(220摄氏度以上)环境处理后,水气化后体积迅速膨胀1000倍,导致分层。

  •         半导体封装材料膨胀系数差距过大

塑封料、芯片、框架等材料,因为其材质不同,在高温下由于膨胀系数不同,导致接触面出现剪切力,如果剪切力过大,便会出现分层、开路、短路、芯片受损等一系列后果。
下图展示分层结果,因为材料的膨胀系数差距大引起的。

  •         塑封体与框架粘合力较差

这种情况一般发生在塑封体的选择不合适,比如CU框架却选择与PPFNi粘合力好的塑封料,一般此类情况可通过调整工艺和选材来解决。

  •         塑封料弯曲强度偏低

如果塑封料材料弯曲强度偏低,而模量又偏小,那么芯片在受到外力时,就会出现分层或者开裂。


通过上面的描述,大家是不是感觉这个问题还是很严重的,事实上,这个问题也是客户在使用过程经常投诉的问题,只是这个问题一般不会反馈到电路设计工程师这里,负责后工序的同事就搞定了。
但是,你工作在中小规模的IC公司,你就不得不了解一下这个问题了。


这篇文章是写给电路设计工程师看的,对分层问题的原因做个简单的介绍,方便大家跟品控工程师的沟通,做个储备知识!
大家可能发现,这篇文章没有讲解分层问题的解决办法,其实封装厂对这个问题是有深刻的认识的,针对我们上面分析的原因,他们也有相应的应对措施。大家如果对这个问题感兴趣,可以找相关的资料自行学习一下。





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