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摘要：本文對當前國內外傳塑封裝微電子器件可靠性研究中流行的“水汽作用”、“熱膨脹系數不匹配”和“熱應力”等觀點進行了分析和評論，認為這些觀點僅只是影響可靠性的“外部條件”，而其決定因素，即“內因”，應該是器件本身的“力學結構”。合理的“力學結構”不僅能從根本上解決器件的可靠性問題，而且還能影響在傳塑封裝時模制化合物的均衡流動，有助于空洞和充不滿等缺陷的消除。“力學結構”的觀點將為可靠性研究和提高器件生產率開辟一個嶄新的領域。 關鍵詞：傳塑封裝微電子器件；可靠性；水汽作用；力學結構 An Essay: What Is the Key Factor Influencing Reliability of Transfer Molding Microelectronic Devices? Moisture or Mechanical Structure... Abstract: This article analyzes and comments current viewpoints in reliability research of transfer molding microelectronic devices at home and abroad such as “moisture action”, “thermal expansion coefficient non-matching” and “thermal stress”, etc. and deems these viewpoints only are the external conditions affecting reliability of transfer molding microelectronic devices, but the key factor, i.e. “internal causes”， shall be the “mechanical structure” of devices itself. Reasonable “mechanical structure” not only can radically solve the problem of reliability, but also influence the balanced flow of molding compound when transfer molding which is helpful to eliminate some defects such as void and under-filling, etc. The viewpoint of “mechanical structure” will open a new field for reliability research and raising device productivity. Key words: transfer molding microelectronic devices; reliability; moisture action; mechanical structure 當一個可靠性差的塑封微電子器件接受“回流焊接（IR爐）試驗”， “高低溫循環試驗”或在惡劣環境中應用時會發生開裂、分層和腐蝕等缺陷。從傳塑封裝工藝應用于工業起到現在已經將近半個世紀了。國內外的傳塑封裝工藝工作者為克服這些缺陷和提高器件的可靠性做了大量的工作，致使傳塑封裝微電子器件全球中一個中等傳塑封裝企業每年的產量都是以億計算，并在工業中得到了非常廣泛的應用，為人類的電子和信息事業的發展做出了巨大的貢獻。 就目前而言，嚴重影響傳塑封裝微電子器件發展的可靠性問題尚未根本解決。業界普遍認為其主要的影響因素是： 1. “水汽作用”：空氣中的水汽通過塑封體或其與引腳的界面侵入器件內部。當溫度急劇變化時（特別是通過IR爐時）水汽膨脹導致開裂或分層[1-4]； 2. “膨脹系數不匹配”：塑封體與引腳、引線或粘結料等的膨脹系數相差較大，當溫度急劇變化時界面間產生的膨脹應力導致分層[5]； 3. 熱應力。這是不言而喻的，溫度急劇變化必然產生熱應力，并可能導致器件失效。 筆者曾在一家美資集成電路公司擔任高級傳塑封裝工程師數年，親身經歷了大量的器件生產過程和失效對策。發現有些品種的產品能夠順利的大批量生產，沒有什么可靠性問題；有些品種的產品有些問題，在過IR爐前需要烘干，甚至是長期的烘烤（24小時，甚至更長），即使如此，也如履薄冰，隨時可能開裂；有些品種的產品問題重重，無可靠性可言，甚至無法成型，不得不最后放棄。因此“水汽作用”論者按照產品對水汽的敏感性將其劃分為三個等級：敏感、較敏感和不敏感。試想： 1. 如果“水汽作用”決定可靠性，為什么它只“光顧” 那些“犟驢式”的產品品種，而遠離那些“熊貓式”的產品品種。如果兩種產品都被“水汽”平等對待，當今的企業還有什么大量成批生產可言；“對水汽的敏感性”的說法是牽強附會的。 2. 構成塑封體的模制化合物和內部粘結料（多數是加有其他成份例如硬化劑等的環氧樹脂）的膨脹系數與引腳和引線（多數是銅或其合金）的膨脹系數肯定有很大的差別。無論如何調節或選材，也難以完全匹配。但是在一個企業內各種產品中用的大致都是同一品種的物料，為什么這些“不匹配”只偏愛那些“犟驢式”的產品品種，而與那些“熊貓式”的品種無緣？筆者還沒有看到用調節膨脹系數匹配能根本改善可靠性的報導。看來這種說法可能是人們的善意想象罷了； 3. 當然這些影響可靠性的缺陷都是由熱應力造成的，但是為什么它只“光顧” 那些“犟驢式”的產品品種呢？ 唯物辯證法的原理之一就是：“內因”是事物變化發展的根據, “外因”是事物變化發展的條件, “外因”通過“內因”而起作用。筆者認為上述這些因素都是“外部條件”，而其決定因素則應該是塑封器件本身的“內因”---“力學結構”。摩天大樓經受強烈地震后而仍然巍然屹立，萬噸巨輪在颶風狂浪中仍然能蕩漾于海洋，靠的是什么？靠的就是它們堅固的能抗御任何惡劣環境的內部結構。難道我們在研究塑封器件可靠性時不應先從器件本身查找原因和考慮問題嗎？ 在多年的實際工作中筆者發現，凡是那些能大批量生產，可靠性有保證的產品都有合理的力學結構；而那些大批量生產困難重重，可靠性差，甚至無可靠性而言的產品都有不合理的力學結構。如果后者的力學結構經過改進，使其變得合理，其可靠性將重新“煥發青春”，由“犟驢式”變成溫順的“熊貓式”。據報導，有人用增加塑封器件容易開裂處的塑封體的厚度來防止開裂就與筆者的觀點是一致的，只是這種觀點尚處于朦朧階段而已。這是因為厚度與結構強度密切相關。 要成就完美無缺和高可靠性的塑封器件是集力學結構、塑封材料、工藝和設備以及模具設計和制造于一體的一項綜合工程。但是，首要因素是“力學結構”。應該說，目前能在企業大批量順利生產的產品都具有合理的力學結構，而那些不能大批量順利生產靠長期烘烤才能勉強過關的產品都具有不合理或較不合理的力學結構，雖然器件設計工程師們還沒有自覺的認識到這一點。筆者的試驗表明，具有合理力學結構的器件在過IR爐前無需預烘干（而目前這種費時、費能和無效率的工序卻被普遍采用），這將對節能和縮短生產周期具有何等的重要意義！這同時說明水汽的作用是有限的。而那些“犟驢式”的產品品種為什么有差的可靠性，設計工程師們目前還沒有認識到其真正的原因是器件本身的結構設計有問題。那種將產品依“水汽的敏感性”將產品的可靠性劃分為三個等級的分類法應該更合理地被按照“力學結構”把它們劃分為合理的，不太合理的或不合理的三類所取代。 筆者發現，“力學結構”不僅決定可靠性，而且決定模制化合物在塑封過程中的流動。很多外觀缺陷例如空洞和充不滿等都是模制化合物的不均衡流動引起的。合理的 “力學結構”將使傳塑封裝參數的選擇變得非常容易。 “力學結構”如此重要，為了防患于未然就應該按照一定的原理在器件設計階段進行審核去實現合理的力學結構才對。等到模具已經設計制造好并進入試生產后再發現問題，重大損失已經無法避免。 筆者認為，目前我國對傳塑封裝微電子器件可靠性的研究仍然沿襲著國外的道路，還沒有自己的創意。當前我國科技界（當然其它國家也一樣）特別提倡和重視原創性的研究，筆者認為這非常重要。我國改革開放總設計師鄧小平先生的“發展才是硬道理”的思想應該成為中華民族精神的精髓。在傳塑封裝器件可靠性的研究領域內，我們也應該有我們自己的獨創精神，向一切傳塑封裝難題挑戰，大力支持并開創新的歷史篇章。等到塑封器件可靠性問題根本解決之時，離它們在國防和軍事高端領域中的應用也就不遠了。 主要參考文獻： [1] Shen, C.H., and Springer, G.S., “Moisture Absorption and Desorption of composite Materials”, J. Composite Materials, Vol. 10, No.2, pp.2-20, 1976. [2] Pecht, M.G. Nguyen, L.T., and Hakim, E.B., Plastic Encapsulated Microelectronics, Wiley (New York, 1995). [3] Dudek, R., Walter, H., and Michel, B., “Studies on Moisture Diffusion and popcorn cracking”, IEEE Proc. 3rd EuroSime, 2002. pp. 225-232. [4] Chen, X., Zhao, S., “Moisture Absorption and Diffusion Characterization of Molding Compound,” Journal of Electronic Packaging, Vol. 127. (2005). [5] 張鵬，陳億裕，劉建，熱膨脹系數不匹配導致的塑封器件失效[J],電子與封裝，2007，7[4]；37-39 [6]李新等；塑封微電子器件失效機理研究進展【J】, 半導體技術，2008，02，P98-101 作者資料：張延赤，1938年生，男，河南偃師人，現住武漢市武昌區起義后街75號。1962年畢業于西安交通大學金屬材料專業，1968年又畢業于上海交通大學金屬材料研究生班。長期從事金屬材料試驗研究、焊接工藝。塑料模具設計和制造工作，高級工程師。1996-2001年在深圳一家美資微電子器件公司擔任高級傳塑封裝工程師。目前退休在家，從事英文兼職翻譯。希望在有生之年能與高等院校、研究機關或集成電路企業合作從事傳塑封裝工藝和可靠性的研究和應用。 電話:027-50707511，Email: zyc3862@sina.com |
