文章來源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了芯片封裝失效的典型現(xiàn)象：金線偏移、芯片開裂、界面開裂、基板裂紋和再流焊缺陷。

金線偏移

在封裝過程中，金線偏移是較為常見的失效類型。對于 IC 元器件而言，金線偏移量過大可能致使相鄰金線相互接觸，進而引發(fā)短路故障；極端情況下，金線甚至?xí)粵_斷，造成斷路，使元器件出現(xiàn)缺陷。引發(fā)金線偏移的原因復(fù)雜多樣，具體如下：

樹脂流動拖曳力：在填充階段，若樹脂黏性過高、流速過快，產(chǎn)生的拖曳力會作用于金線，導(dǎo)致其偏移量增大，這是金線偏移失效的常見誘因 。

導(dǎo)線架變形：上下模穴中樹脂流動波前失衡，會在模流間形成壓力差。導(dǎo)線架受此壓力差產(chǎn)生彎矩發(fā)生變形，由于金線連接于導(dǎo)線架的芯片焊墊與內(nèi)引腳，導(dǎo)線架變形便會引發(fā)金線偏移。

氣泡移動影響：填充過程中，空氣進入模穴形成小氣泡，氣泡在模穴內(nèi)移動時碰撞金線，也會造成金線一定程度的偏移。

保壓異常：過保壓會使模穴內(nèi)壓力過高，導(dǎo)致偏移的金線無法彈性恢復(fù)；遲滯保壓則會引起溫度上升，對于添加催化劑后反應(yīng)活躍的樹脂，高溫使其黏性進一步增加，同樣阻礙金線恢復(fù)原狀。

填充物碰撞：封裝材料中添加的填充物，若顆粒尺寸較大（如 2.5 - 250μm），在封裝過程中與精細的金線（如 25μm）碰撞，也可能致使金線偏移 。

此外，隨著多引腳集成電路的發(fā)展，封裝內(nèi)金線數(shù)量與引腳數(shù)目不斷增加，金線密度隨之提升，這也使得金線偏移現(xiàn)象更為顯著。為有效減少金線偏移，防范短路或斷路問題，封裝工程師需審慎選擇封裝材料，精準(zhǔn)調(diào)控工藝參數(shù)，降低模穴內(nèi)金線所受應(yīng)力，避免出現(xiàn)過大的偏移量。

芯片開裂

IC 裸芯片的制造原料通常為單晶硅，這種材料雖具備高強度，卻因脆性大的特性，在遭受外力作用或表面存在瑕疵時，極容易出現(xiàn)破裂情況。在晶圓減薄、晶圓切割、芯片貼裝和引線鍵合等一系列需要施加應(yīng)力的工藝操作過程中，芯片開裂的風(fēng)險大幅增加，這一問題已成為致使 IC 封裝失效的重要因素之一。若芯片裂紋未蔓延至引線區(qū)域，通過常規(guī)手段很難發(fā)現(xiàn)；更有部分存在裂紋的芯片，在常規(guī)工藝檢查與電學(xué)性能檢測時，其性能表現(xiàn)與正常芯片并無明顯差異，使得裂紋問題極易被忽略。然而，這些隱藏的裂紋會對封裝后器件的穩(wěn)定性與使用壽命造成嚴(yán)重威脅。由于常規(guī)電學(xué)性能測試無法有效識別芯片開裂，因此需要借助高低溫?zé)嵫h(huán)實驗進行檢測。該實驗利用不同材料熱膨脹系數(shù)的差異，在加熱和冷卻交替過程中，材料間產(chǎn)生的熱應(yīng)力會促使裂紋逐步擴展，直至芯片徹底破裂，最終在電學(xué)性能上呈現(xiàn)出異常狀態(tài)。

鑒于外部應(yīng)力是引發(fā)芯片開裂的主因，一旦檢測到芯片存在裂紋，就必須立即對芯片封裝的工藝流程和參數(shù)進行優(yōu)化，最大程度減少工藝環(huán)節(jié)對芯片產(chǎn)生的應(yīng)力影響。例如，在晶圓減薄工序中，采用更為精細的加工方式，提高芯片表面的平整度，以此消除潛在應(yīng)力；晶圓切割時，運用激光切割技術(shù)替代傳統(tǒng)方法，降低切割過程對芯片表面造成的應(yīng)力損傷；在引線鍵合環(huán)節(jié)，精準(zhǔn)調(diào)控鍵合溫度和壓力參數(shù)，確保鍵合過程平穩(wěn)安全。

界面開裂

開裂問題不僅存在于芯片內(nèi)部，在不同材料的交界位置同樣會出現(xiàn)，這種現(xiàn)象被稱為界面開裂。在界面開裂的初始階段，各部件之間的電氣連接尚能維持正常，但隨著使用時間的延長，熱應(yīng)力的持續(xù)作用以及電化學(xué)腐蝕的影響，會導(dǎo)致界面開裂程度不斷加劇，最終破壞部件間的電氣連通性，對集成電路的可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。封裝過程中應(yīng)力過大、封裝材料受到污染等工藝缺陷，是引發(fā)界面開裂的主要根源。界面開裂可能出現(xiàn)在金線與焊盤的連接部位，造成電路斷路故障；也可能發(fā)生在外部塑料封裝體中，降低封裝對芯片的防護性能，導(dǎo)致芯片受到污染。因此，必須采用專業(yè)的檢測方法對潛在的界面開裂問題進行全面排查，并根據(jù)檢測結(jié)果對工藝方案進行針對性調(diào)整 。

基板裂紋

在倒裝焊工藝?yán)?，通過焊球?qū)崿F(xiàn)芯片與基板焊盤的電氣連接，而在此過程中，基板開裂是較為常見的失效模式，在引線鍵合環(huán)節(jié)同樣可能出現(xiàn)此類問題?；逡坏╅_裂，會嚴(yán)重干擾芯片正常的電學(xué)性能，引發(fā)斷路、高阻抗等故障，影響集成電路的整體功能。

基板開裂的成因較為復(fù)雜，一方面，芯片或基板本身若存在材料缺陷、內(nèi)部應(yīng)力集中等問題，會降低其結(jié)構(gòu)強度；另一方面，焊接過程中的工藝參數(shù)匹配不當(dāng)也是關(guān)鍵因素。例如，鍵合力過大、基板溫度控制不合理、超聲功率設(shè)置不精準(zhǔn)等，都會使基板承受額外應(yīng)力，進而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生 。

再流焊缺陷

晶圓翹曲

再流焊工藝容易引發(fā)晶圓翹曲問題。由于封裝體由多種材料構(gòu)成，各材料熱膨脹系數(shù)存在差異，同時還受流動應(yīng)力和黏著力影響，在封裝過程中外界溫度變化時，封裝體內(nèi)部會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而翹曲變形便是材料釋放內(nèi)應(yīng)力的一種表現(xiàn)形式，這種現(xiàn)象在再流焊接階段尤為突出。翹曲受多個工藝參數(shù)協(xié)同作用，通過針對性調(diào)整部分參數(shù)，能夠有效緩解或消除這一問題。

器件受力不均衡是導(dǎo)致翹曲的主要根源。在預(yù)熱階段，因材料熱膨脹系數(shù)不匹配、焊膏涂覆不均或器件放置偏差等原因，器件一端可能脫離焊膏，阻礙熱量正常傳導(dǎo)。當(dāng)熱量經(jīng)器件傳導(dǎo)時，一端先熔化的焊料會形成新月形，其表面張力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩大于器件自身重力，從而致使器件發(fā)生翹曲變形。

為改善晶圓翹曲狀況，可從多方面著手優(yōu)化工藝：首先，要嚴(yán)格把控焊膏印刷與器件放置精度，規(guī)范設(shè)備操作流程，定期維護印刷和安裝設(shè)備，確保生產(chǎn)過程穩(wěn)定；其次，重視印刷清晰度與精確度控制，這直接關(guān)系到襯墊配置，若控制不當(dāng)會加劇器件兩端受力失衡，需定期檢查印刷配準(zhǔn)參數(shù)，及時修正偏差，清潔印刷模板防止堵塞，同時保證焊膏濕度適宜，支撐基板平整堅固；最后，關(guān)注器件放置環(huán)節(jié)，定期校準(zhǔn)進料器位置，精準(zhǔn)控制放置對準(zhǔn)，降低放置速度，合理選擇拾取工具噴嘴尺寸，并確保支撐平臺平穩(wěn)可靠。

此外，焊接材料和印刷電路板特性也會對翹曲產(chǎn)生影響。焊接合金熔點時的表面張力大小，與翹曲時的扭曲力呈正相關(guān)，雖目前尚無統(tǒng)一的合金標(biāo)準(zhǔn)評估體系，但部分廠商嘗試使用 Sn/Pb/In 合金，發(fā)現(xiàn)對翹曲有一定抑制作用，但效果有限。不同類型焊膏的特性差異，會改變其對器件的作用效果，焊膏活性越強，越易引發(fā)翹曲；印刷電路板和器件表面的光潔度，會影響焊膏濕潤性能，過量使用焊膏會增加熔化時的應(yīng)力，適當(dāng)減少用量有助于降低翹曲風(fēng)險。在再流焊過程中，若器件兩端熱傳遞速率差異顯著，也會因受力不均導(dǎo)致翹曲現(xiàn)象發(fā)生 。

錫珠

在再流焊工藝中，錫珠是一種常見的缺陷類型，多聚集于無引腳片式元器件兩側(cè)。若錫珠未與其他焊點相連，不僅會影響封裝外觀，還可能干擾產(chǎn)品電性能。錫珠產(chǎn)生的原因涵蓋多個方面，涉及模板設(shè)計、印刷操作、錫膏使用及工藝參數(shù)設(shè)置等環(huán)節(jié)。

從模板開口角度來看，若鋼網(wǎng)開口尺寸過大，或開口形狀與元器件、焊盤不匹配，在貼裝片式元器件時，焊膏易溢出焊盤范圍，進而形成錫珠。為規(guī)避此問題，片式阻容元器件的模板開口尺寸通常應(yīng)略小于印制板焊盤?？紤]到線路板刻蝕因素，一般將焊盤的模板開口設(shè)置為印制板焊盤尺寸的 90% - 95%，同時還需依據(jù)實際生產(chǎn)情況靈活選擇合適的開口形狀，以此減少焊膏過量擠出的風(fēng)險。

模板與印刷電路板的精準(zhǔn)對位及穩(wěn)固固定同樣關(guān)鍵。對位偏差會致使焊膏蔓延至焊盤外，增加錫珠產(chǎn)生幾率。印刷錫膏的方式包括手工、半自動和全自動，即便在全自動印刷模式下，壓力、速度、間隙等參數(shù)仍依賴人工設(shè)定。因此，無論采用何種印刷方式，都需協(xié)調(diào)好機器、模板、印刷電路板和刮刀之間的關(guān)系，確保印刷質(zhì)量穩(wěn)定。在錫膏使用方面，從冷藏室取出的錫膏若升溫時間不足、攪拌不均勻，容易吸濕。在高溫再流焊過程中，錫膏內(nèi)水汽揮發(fā)，就會形成錫珠。所以，使用前應(yīng)將錫膏在室溫下放置約 4 小時恢復(fù)溫度，并充分攪拌均勻 。

溫度曲線作為再流焊工藝的核心參數(shù)，包含預(yù)熱、保溫、回流、冷卻四個階段。預(yù)熱和保溫環(huán)節(jié)能夠降低元器件與印刷電路板所受熱沖擊，促使錫膏中溶劑充分揮發(fā)。若預(yù)熱溫度不足或保溫時間過短，將直接影響焊接質(zhì)量，通常建議保溫階段控制在 150 - 160℃、持續(xù) 70 - 90 秒。此外，生產(chǎn)中若需重新印刷錫膏，務(wù)必徹底清理殘留錫膏，防止其形成錫珠，清理時應(yīng)避免錫膏流入插孔造成通孔堵塞 。

空洞

空洞也是再流焊的主要缺陷之一，表現(xiàn)為焊點表面或內(nèi)部存在氣孔、針孔。其形成原因多樣：焊膏中金屬粉末含氧量過高、使用回收焊膏、工藝環(huán)境差混入雜質(zhì)等，需嚴(yán)格把控焊膏質(zhì)量；焊膏受潮吸收水汽，可通過控制環(huán)境溫度在 20 - 26℃、相對濕度 40% - 70%，且待焊膏達室溫后再開蓋使用來解決；元件焊端、引腳、印制電路板焊盤氧化污染或印制板受潮，應(yīng)遵循元件先進先出原則，避免在潮濕環(huán)境存放并注意使用期限；升溫速率過快導(dǎo)致焊膏中溶劑和氣體未充分揮發(fā)，可將 160℃前的升溫速率控制在 1 - 2℃/s。

再流焊過程中還存在多種其他缺陷。例如，焊膏熔融不完全，表現(xiàn)為焊點周圍部分或全部焊膏未熔化；濕潤不良，即元件焊端、引腳或焊盤出現(xiàn)不沾錫或局部不沾錫現(xiàn)象；焊料量不足，焊點高度未達規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，影響焊點機械強度與電氣連接可靠性，甚至引發(fā)虛焊、斷路；橋連（短路），元件端頭、引腳或與鄰近導(dǎo)線間出現(xiàn)不應(yīng)有的焊錫連接；錫點高度異常，焊料向焊端或引腳根部遷移，高度觸及或超過元件體；錫絲，元件焊端、引腳間或與通孔間存在細微錫絲；元件或端頭出現(xiàn)裂紋、缺損；元件端頭電極鍍層剝落；冷焊（焊錫紊亂），焊點表面有焊錫紊亂痕跡；焊點表面或內(nèi)部出現(xiàn)裂縫等。還有一些肉眼難以察覺的缺陷，如焊點晶粒大小、內(nèi)部應(yīng)力、內(nèi)部裂紋等，需借助 X 射線檢測、焊點疲勞測試等手段才能發(fā)現(xiàn) 。