空气弹簧为什么是弹性元件形式

空气弹簧为什么是弹性元件形式

电子设备是一个非常复杂的系统，封装过程中的缺陷和故障也非常复杂。因此，对包装缺陷和失效的研究需要对包装过程有系统的了解，这样才能从多个角度分析缺陷产生的原因。

1. 包装缺陷和失效的研究方法

包的失效机理可分为两大类：过应力和磨损。过应力失效通常是瞬间的和灾难性的；磨损失效是长期累积损坏，通常首先表现为性能下降空气弹簧为什么是弹性元件形式，其次是器件失效。失效载荷的类型可分为机械载荷、热载荷、电载荷、辐射载荷和化学载荷。

影响封装缺陷和失效的因素有很多，包括材料成分和特性、封装设计、环境条件和工艺参数。确定影响因素和预防封装缺陷和失效的基本前提。影响因素可以通过实验或模拟方法确定。一般采用物理模型法和数值参数法。对于较为复杂的缺陷和失效机制空气弹簧为什么是弹性元件形式 电子器件封装缺陷和失效的形，常采用试错法确定关键影响因素，但这种方法测试时间长、设备改造、效率低、成本高。

在分析失效机理的过程中，使用鱼骨图（因果图）来展示影响因素是业内常用的方法。鱼骨图可以说明复杂的原因以及影响因素与包装缺陷之间的关系，也可以区分多种原因并进行分类。在生产应用中，有一种鱼骨图叫做6Ms：从机器、方法、材料、测量、人力、自然力六个维度分析影响因素。

此图为鱼骨图，展示了塑封芯片分层的原因，从设计、工艺、环境、材料四个方面进行分析。通过鱼骨图，将所有影响因素一目了然，为故障分析奠定了良好的基础。

2. 导致失败的负载类型

如上一节所述，封装载荷类型可分为机械载荷、热载荷、电载荷、辐射载荷和化学载荷。

故障机制分类

机械载荷：包括填充颗粒对硅片施加的物理冲击、振动、应力（如收缩应力）和惯性力（如航天器的巨大加速度）。材料对这些载荷的响应可能表现为弹性变形、塑性变形、翘曲、脆性或柔性断裂、界面分层、疲劳裂纹的产生和扩展、蠕变和蠕变开裂等。

热负荷：包括芯片胶固化过程中的高温、打线前的预热、成型工艺、后固化、相邻元件的再加工、浸焊、气相焊接和回流焊等。 外部热负荷会导致材料因热膨胀而发生尺寸变化，也会改变蠕变速率等物理性能。如果发生热膨胀系数失配（CTE ），会触发局部应力，最终导致封装结构失效。过高的热负荷甚至可能导致设备中的可燃材料燃烧。

电气负载：包括电流传输过程中突然触电、电压不稳定或突然振荡（如接地不良）引起的电流波动、静电放电、过电应力等。这些外部电气负载可能会导致介质击穿、电压表面击穿、电能的热损失或电迁移。它还可能增加电解腐蚀、枝晶生长，并导致漏电流和热降解。

化学负载：包括化学环境引起的离子表面腐蚀、氧化和枝晶生长。由于水分可以渗透到塑料封装中，水分是潮湿环境中影响塑料封装器件的主要问题。模塑料吸收的水分可以提取模塑料中的催化剂残留物，形成副产物进入金属基体、半导体材料和贴片的各种界面，导致器件性能下降甚至失效。例如，组装后残留在器件上的助焊剂将通过模塑料迁移到芯片表面。在高频电路中，介电特性的细微变化（如吸湿后介电常数和损耗因数的变化）非常关键。在高压转换器等器件中，封装击穿电压的变化非常关键。此外，一些环氧聚酰胺和聚氨酯如果长时间暴露在高温高湿下也会引起降解（有时称为“逆转”）。通常使用加速测试来确定模塑料是否容易出现此类故障。) 如果它们长期暴露在高温高湿的环境中。通常使用加速测试来确定模塑料是否容易出现此类故障。) 如果它们长期暴露在高温高湿的环境中。通常使用加速测试来确定模塑料是否容易出现此类故障。

需要注意的是，当施加不同类型的负载时，塑料封装器件可能会同时发生各种失效机制。例如，热负载会导致封装结构中相邻材料之间的热膨胀系数不匹配，从而导致机械故障。其他相互作用包括应力辅助腐蚀、应力腐蚀开裂、场致金属迁移、钝化层和电解质层裂纹、湿热引起的封装开裂、温度引起的加速化学反应等。失效机制的影响不一定等于单个影响的总和。

3. 包装缺陷分类

封装缺陷主要包括引脚变形、基体偏移、翘曲、芯片裂纹、分层、空洞、封装不均、毛刺、异物、固化不完全等。

3.1 引线变形

引线变形通常是指由于塑性化合物流动引起的引线位移或变形，通常用引线x的最大横向位移x与引线长度L的比值x/L表示。弯曲的引线可能导致电气短路（尤其是在高密度 I/O 设备封装中）。有时，弯曲产生的应力会导致结合点开裂或结合强度降低。

影响引线键合的因素包括封装设计、引线布局、引线材料和尺寸、模塑料特性、引线键合工艺和封装工艺。影响引线弯曲的引线参数包括引线直径、引线长度、引线断裂载荷、引线密度等。

3.2 基础偏移

基体偏移是指支撑芯片的载体（芯片基体）的变形和偏移

该图显示了由模塑料引起的底座位移。此时，上下模腔内的模塑料流动不均会导致底座移位。

影响基体偏移的因素包括塑料化合物的流动性、引线框架的组装设计以及塑料化合物和引线框架的材料特性。由于薄引线框架空气弹簧为什么是弹性元件形式，诸如薄型小外形封装 (TSOP) 和薄型四方扁平封装 (TQFP) 等封装器件容易出现基极偏移和引脚变形。

3.3 翘曲

翘曲是指封装器件的平面外弯曲和变形。塑料封装工艺引起的翘曲会导致分层、芯片开裂等一系列可靠性问题。

翘曲还会导致一系列制造问题。例如，在塑料封装球栅阵列 (PBGA) 器件中，翘曲会导致焊球共面性不佳，从而在器件组装到印刷电路板的回流焊接过程中导致安装问题。.

翘曲模式包括三种模式：凹模式、凸模式和组合模式。在半导体公司，有时凹面被称为“笑脸”，凸面被称为“哭脸”。

翘曲的主要原因包括 CTE 不匹配和固化/压缩收缩。后者一开始并没有受到太多关注。深入研究发现，模塑料的化学收缩对IC器件的翘曲也有重要影响，特别是在芯片上下两面不同厚度的封装器件上。在固化和后固化过程中空气弹簧为什么是弹性元件形式，模塑料会在较高的固化温度下发生化学收缩，称为“热化学收缩”。通过提高玻璃化转变温度和降低 Tg 附近热膨胀系数的变化，可以减少固化过程中发生的化学收缩。

导致翘曲的因素还包括诸如模塑料的成分、模塑料中的水分、封装的几何形状等因素。通过控制塑料包装材料和组件、工艺参数、包装结构和包装前的环境，可以最大限度地减少包装翘曲。在某些情况下，可以通过封装电子元件的背面来补偿翘曲。例如，大型陶瓷电路板或多层板在同一侧有外部连接，对它们进行背面封装可以减少翘曲。

3.4 破解芯片

封装过程中产生的应力会导致芯片破裂。封装过程通常会加剧之前组装过程中形成的微裂纹。晶圆或芯片减薄、背面研磨和芯片键合都是可能导致芯片裂纹的步骤。

破裂、机械故障的芯片不一定有电气故障。芯片破裂是否会导致器件的瞬时电气故障还取决于裂纹的生长路径。例如，如果芯片背面出现裂纹，则可能不会影响任何敏感结构。

由于硅片相对较薄且易碎，因此晶圆级封装更容易出现芯片裂纹。因此，必须严格控制传递成型过程中的合模压力、成型转换压力等工艺参数，防止芯片开裂。由于堆叠工艺，3D堆叠封装中容易出现芯片裂纹。影响 3D 封装芯片开裂的设计因素包括芯片堆叠结构、基板厚度、成型量和模套厚度。

3.5层

分层或弱结合是指模塑料与其相邻材料之间的界面之间的分离。脱层位置可能发生在塑封微电子器件的任何区域；它也可能发生在封装过程、封装后制造阶段或设备使用阶段。

封装工艺造成的键合界面不良是造成分层的主要因素。界面空隙、封装过程中的表面污染和不完全固化都会导致粘合不良。其他影响因素包括固化和冷却过程中的收缩应力和翘曲。在冷却过程中，模塑料与相邻材料之间的 CTE 不匹配也会引起热机械应力，从而导致分层。

分层可以根据接口类型进行分类

3.6 空心

在封装过程中，气泡嵌入环氧树脂材料中以形成空隙。空隙可能发生在封装过程的任何阶段，包括在空气环境中模塑料的传递模塑、填充、灌封和印刷。通过尽量减少空气量，例如抽真空或抽真空，可以减少空隙。据报道，所使用的真空压力范围为1~（一个大气压）。

充模模拟分析认为，底部熔体的前缘与切屑接触，导致流动性受阻。部分熔体前沿向上流动并通过芯片外围的大开口区域填充半模的顶部。新形成的熔体前沿和吸附的熔体前沿进入半模的顶部区域，从而形成气泡。

3.7 不均匀包

不均匀的塑料封装厚度会导致翘曲和分层。传统的包装技术，如传递模塑、压力模塑和灌注包装技术，不易出现厚度不均匀的包装缺陷。晶圆级封装由于其工艺特性，特别容易出现塑料封装厚度不均的情况。

为保证塑封层厚度均匀，应固定晶圆载具，使其倾斜度最小，以方便胶刮的安装。另外，还需要控制刮板的位置空气弹簧为什么是弹性元件形式 电子器件封装缺陷和失效的形，保证刮板的压力稳定，从而得到厚度均匀的塑封层。

在硬化前，当填料颗粒聚集在模塑料局部区域并形成不均匀分布时，会导致质量不同或材料成分不均匀。模塑料混合不充分会导致在封装和灌封过程中出现不同的定性现象。

3.8 原始边缘

飞边是指在塑料封装成型过程中通过分型线并沉积在器件引脚上的模塑料。

夹紧压力不足是产生毛刺的主要原因。如果不及时清除销钉上的模具材料残留物，就会在装配阶段造成各种问题。例如，下一包装阶段的粘合或粘合不足。树脂泄漏是稀疏毛刺的一种形式。

3.9 外来粒子

在封装过程中，如果封装材料暴露在污染的环境、设备或材料中，异物会在封装内扩散并聚集在封装内的金属部件（如IC芯片和引线键合点）上，导致腐蚀和其他后续可靠性问题。

3.10 未完全固化

固化时间不足或固化温度低会导致固化不完全。另外，两种包装材料在浇注时，混合比例稍有偏差都会导致固化不完全。为了最大限度地发挥包装材料的性能，必须保证包装材料完全固化。在许多包装方法中，允许使用后固化方法来确保包装材料完全固化。并注意保证包装材料的准确比例。

4. 包故障分类

在封装组装阶段或器件使用阶段，会发生封装失效。尤其是当封装好的微电子器件组装在印刷电路板上时，更容易发生这种情况。在这个阶段，器件需要承受较高的回流温度，这可能会导致塑料封装化合物的界面分层或开裂。

4.1 层

如上一节所述，分层是指塑料封装材料在粘合界面处与相邻材料分离。可能导致分层的外部载荷和应力包括水蒸气、湿度、温度及其综合影响。

在装配阶段经常发生的一种分层称为蒸汽诱导（或蒸汽诱导）分层，其失效机理主要是在较高温度下的水蒸气压力。当封装器件组装在印刷电路板上时，焊料的熔化温度需要达到220°C甚至更高，远高于模塑料的玻璃化转变温度（约110~200°C）。在回流的高温下，存在于塑料模塑料与金属界面之间的水蒸气蒸发形成水蒸气。产生的蒸气压与材料之间的热失配、吸湿膨胀引起的应力等相互作用，最终导致界面结合薄弱或分离。层，甚至导致包体破裂。与传统的铅基焊料相比，无铅焊料的回流温度更高，更容易出现分层问题。

吸湿膨胀系数 (CHE)，也称为水分膨胀系数 (CME)

水分扩散到封装界面的失效机制是水汽和水分引起分层的重要因素。湿气可以通过封装或沿着引线框架和模塑料之间的界面扩散。研究发现，当模塑料和引线框界面之间有良好的结合时，水分主要通过塑料封装进入封装。但是，当由于封装工艺不良导致邦定界面退化（如邦定温度引起的氧化、应力释放不足引起的引线框架翘曲、或过度修整和形式应力等）时，会在封装轮廓上形成分层微裂纹、湿气或水蒸气很容易沿着这条路径扩散。更差，

表面清洁度是良好粘合的关键要求。表面氧化往往会导致分层（如上一篇提到的例子），如铜合金引线框暴露在高温下往往会导致分层。氮气或其他合成气体的存在有助于避免氧化。

模塑料中的润滑剂和粘合促进剂会促进分层。润滑剂可以帮助模塑料与模腔分离，但会增加界面分层的风险。另一方面，增粘剂可以确保模塑料和芯片界面之间的良好结合，但它们很难从模腔中去除。

分层不仅为水蒸气的扩散提供了途径，而且是树脂开裂的来源。分层界面是裂纹开始的位置。当受到较大的外部载荷时，裂纹会通过树脂扩展。研究表明，芯片基体与树脂之间的分层最容易引起树脂裂纹，而其他位置的界面分层对树脂裂纹的影响不大。

4.2 气相诱导裂纹（爆米花现象）

水汽诱导分层的进一步发展将导致气相诱导裂纹。当包装内的水蒸气从裂缝中逸出时，会产生爆裂声，与爆米花的声音十分相似，故又称爆米花现象。裂纹通常从芯片底部延伸到塑料封装的底面。在焊接后的电路板中，目视检查很难发现这些裂纹。QFP 和 TQFP 等大而薄的塑料封装最容易爆米花。此外，它们也容易发生在芯片基区和器件面积比较大，芯片基区和最小塑料封装材料厚度比较大的器件中。爆米花现象可能伴随着其他问题，

塑封器件中的裂纹通常起源于引线框架上的应力集中区域（例如边缘和毛刺），并在最薄的塑封区域扩大。毛刺是冲压过程中引线框架表面的小尺寸变形。改变冲压方向使引线框架顶部有毛刺，或蚀刻引线框架（成型）可以减少裂纹。

减少塑料封装器件中的水分是减少爆米花现象的关键。高温烘烤方法常用于减少塑料封装器件中的水分。之前的研究发现，包装中允许的安全水分含量约为 1100×10^-6（0.11 wt.%）。125℃烘烤24小时，可充分去除包装内吸收的水分。

4.3 脆性断裂

脆性断裂常发生在低屈服强度和非弹性材料（如硅片）中。当材料承受过大应力时，突然的、灾难性的裂纹扩展可能源于小缺陷，例如空隙、夹杂物或不连续性。

4.4 韧性断裂

塑料包装材料容易出现脆性和韧性两种断裂模式，这主要取决于环境和材料因素，包括温度、聚合物树脂的粘度和填充载荷。即使在含有脆性硅填料的高负荷成型材料中，由于聚合物树脂的粘性，仍然可能发生韧性断裂。

4.5 疲劳断裂

当模塑料受到极限强度范围内的循环应力时，会因累积疲劳断裂而断裂。施加到塑料包装材料上的湿气、热、机械或组合载荷会引起循环应力。疲劳失效是一种磨损失效机制，裂纹通常起源于不连续性或缺陷。

疲劳断裂机理包括三个阶段：裂纹萌生（阶段Ⅰ）；稳定的裂纹扩展（阶段Ⅱ）；突然的、不确定的和灾难性的失败（Ⅲ期）。在循环应力作用下，第二阶段的疲劳裂纹扩展是指裂纹长度的稳定增长。塑料包装材料的裂纹扩展速率远高于金属材料疲劳裂纹扩展的典型值（约3倍）。

5. 加速失效因素

环境和材料负载和应力，例如湿度、温度和污染物，将加速塑料封装设备的故障。塑料包装过程在包装失败中起着关键作用。塑料包装材料的水分扩散系数、饱和水分含量、离子扩散率、热膨胀系数、吸湿膨胀系数等特性，都会对故障率产生很大影响。导致加速失效的主要因素有水分、温度、污染物和溶剂环境、残余应力、自然环境应力、制造和装配载荷以及综合载荷应力条件。

水分会加速塑料封装的微电子设备的分层、裂纹和腐蚀失效。在塑料封装器件中，水分是重要的故障加速因素。与水分引起的加速失效相关的机制包括粘合表面退化、吸湿膨胀应力、水蒸气压、离子迁移以及模塑料特性的变化。水分会改变模塑料的玻璃化转变温度 Tg、弹性模量和体积电阻率。

温度是另一个关键的故障加速因素。与模塑料的玻璃化转变温度、各种材料的热膨胀以及由此产生的热机械应力相关的温度水平通常用于评估温度对封装失效的影响。温度对封装失效的另一个影响因素是它会改变与温度相关的封装材料特性、水分扩散系数和金属间扩散。

污染物和溶剂型环境污染物为故障的发生和扩大提供了场所。污染的主要来源是大气污染物、水分、助焊剂残留物、塑料包装材料中的不洁实例、热降解引起的腐蚀元素以及芯片键合剂排出的副产品（通常是环氧树脂）。塑料封装一般不会被腐蚀，但水分和污染物会在塑料模塑料中扩散并到达金属部件，导致塑料封装器件中的金属部件腐蚀。

残余应力芯片键合会产生简单应力。应力水平的大小主要取决于管芯附着层的特性。由于模塑料的收缩率比其他封装材料大，所以在模塑过程中产生的应力是相当大的。压力测试芯片可用于确定组装压力。

自然环境中的应力 在自然环境中，模塑料可能会降解。降解的特点是聚合物键断裂，这通常是将固体聚合物转化为含有单体、二聚体和其他低分子量物质的粘性液体。高温和封闭环境通常会加速降解。阳光中的紫外线和大气臭氧层是降解的强效催化剂，可以通过切断环氧树脂的分子链引起降解。将塑料封装的设备与容易引起降解的环境隔离，使用具有抗降解能力的聚合物都是防止降解的方法。需要在湿热环境中工作的产品需要使用抗降解聚合物。

制造和组装负载 制造和组装条件会导致封装失效空气弹簧为什么是弹性元件形式 电子器件封装缺陷和失效的形，包括高温、低温、温度变化、工作负载以及由于模塑料流动而施加在键合线和芯片基座上的负载。塑料包装组装过程中发生的爆米花现象就是一个典型的例子。

综合载荷应力条件 在制造、装配或运行过程中，温度和湿度等失效加速因素往往并存。联合载荷和应力条件通常会进一步加速失效。此功能通常用于加速测试设计，目的是筛选有缺陷的部件和识别容易出现故障的封装设备。