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摘要：本文對(duì)當(dāng)前國內(nèi)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(shù)不匹配”和“熱應(yīng)力”等觀點(diǎn)進(jìn)行了分析和評(píng)論，認(rèn)為這些觀點(diǎn)僅只是影響可靠性的“外部條件”，而其決定因素，即“內(nèi)因”，應(yīng)該是器件本身的“力學(xué)結(jié)構(gòu)”。合理的“力學(xué)結(jié)構(gòu)”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(shí)模制化合物的均衡流動(dòng)，有助于空洞和充不滿等缺陷的消除。“力學(xué)結(jié)構(gòu)”的觀點(diǎn)將為可靠性研究和提高器件生產(chǎn)率開辟一個(gè)嶄新的領(lǐng)域。 關(guān)鍵詞：傳塑封裝微電子器件；可靠性；水汽作用；力學(xué)結(jié)構(gòu) 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(dāng)一個(gè)可靠性差的塑封微電子器件接受“回流焊接（IR爐）試驗(yàn)”， “高低溫循環(huán)試驗(yàn)”或在惡劣環(huán)境中應(yīng)用時(shí)會(huì)發(fā)生開裂、分層和腐蝕等缺陷。從傳塑封裝工藝應(yīng)用于工業(yè)起到現(xiàn)在已經(jīng)將近半個(gè)世紀(jì)了。國內(nèi)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(gè)中等傳塑封裝企業(yè)每年的產(chǎn)量都是以億計(jì)算，并在工業(yè)中得到了非常廣泛的應(yīng)用，為人類的電子和信息事業(yè)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。 就目前而言，嚴(yán)重影響傳塑封裝微電子器件發(fā)展的可靠性問題尚未根本解決。業(yè)界普遍認(rèn)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(nèi)部。當(dāng)溫度急劇變化時(shí)（特別是通過IR爐時(shí)）水汽膨脹導(dǎo)致開裂或分層[1-4]； 2. “膨脹系數(shù)不匹配”：塑封體與引腳、引線或粘結(jié)料等的膨脹系數(shù)相差較大，當(dāng)溫度急劇變化時(shí)界面間產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力導(dǎo)致分層[5]； 3. 熱應(yīng)力。這是不言而喻的，溫度急劇變化必然產(chǎn)生熱應(yīng)力，并可能導(dǎo)致器件失效。 筆者曾在一家美資集成電路公司擔(dān)任高級(jí)傳塑封裝工程師數(shù)年，親身經(jīng)歷了大量的器件生產(chǎn)過程和失效對(duì)策。發(fā)現(xiàn)有些品種的產(chǎn)品能夠順利的大批量生產(chǎn)，沒有什么可靠性問題；有些品種的產(chǎn)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(shí)，甚至更長），即使如此，也如履薄冰，隨時(shí)可能開裂；有些品種的產(chǎn)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(chǎn)品對(duì)水汽的敏感性將其劃分為三個(gè)等級(jí)：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(chǎn)品品種，而遠(yuǎn)離那些“熊貓式”的產(chǎn)品品種。如果兩種產(chǎn)品都被“水汽”平等對(duì)待，當(dāng)今的企業(yè)還有什么大量成批生產(chǎn)可言；“對(duì)水汽的敏感性”的說法是牽強(qiáng)附會(huì)的。 2. 構(gòu)成塑封體的模制化合物和內(nèi)部粘結(jié)料（多數(shù)是加有其他成份例如硬化劑等的環(huán)氧樹脂）的膨脹系數(shù)與引腳和引線（多數(shù)是銅或其合金）的膨脹系數(shù)肯定有很大的差別。無論如何調(diào)節(jié)或選材，也難以完全匹配。但是在一個(gè)企業(yè)內(nèi)各種產(chǎn)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(chǎn)品品種，而與那些“熊貓式”的品種無緣？筆者還沒有看到用調(diào)節(jié)膨脹系數(shù)匹配能根本改善可靠性的報(bào)導(dǎo)�？磥磉@種說法可能是人們的善意想象罷了； 3. 當(dāng)然這些影響可靠性的缺陷都是由熱應(yīng)力造成的，但是為什么它只“光顧” 那些“犟驢式”的產(chǎn)品品種呢？ 唯物辯證法的原理之一就是：“內(nèi)因”是事物變化發(fā)展的根據(jù), “外因”是事物變化發(fā)展的條件, “外因”通過“內(nèi)因”而起作用。筆者認(rèn)為上述這些因素都是“外部條件”，而其決定因素則應(yīng)該是塑封器件本身的“內(nèi)因”---“力學(xué)結(jié)構(gòu)”。摩天大樓經(jīng)受強(qiáng)烈地震后而仍然巍然屹立，萬噸巨輪在颶風(fēng)狂浪中仍然能蕩漾于海洋，靠的是什么？靠的就是它們堅(jiān)固的能抗御任何惡劣環(huán)境的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。難道我們?cè)谘芯克芊馄骷煽啃詴r(shí)不應(yīng)先從器件本身查找原因和考慮問題嗎？ 在多年的實(shí)際工作中筆者發(fā)現(xiàn)，凡是那些能大批量生產(chǎn)，可靠性有保證的產(chǎn)品都有合理的力學(xué)結(jié)構(gòu)；而那些大批量生產(chǎn)困難重重，可靠性差，甚至無可靠性而言的產(chǎn)品都有不合理的力學(xué)結(jié)構(gòu)。如果后者的力學(xué)結(jié)構(gòu)經(jīng)過改進(jìn)，使其變得合理，其可靠性將重新“煥發(fā)青春”，由“犟驢式”變成溫順的“熊貓式”。據(jù)報(bào)導(dǎo)，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(diǎn)是一致的，只是這種觀點(diǎn)尚處于朦朧階段而已。這是因?yàn)楹穸扰c結(jié)構(gòu)強(qiáng)度密切相關(guān)。 要成就完美無缺和高可靠性的塑封器件是集力學(xué)結(jié)構(gòu)、塑封材料、工藝和設(shè)備以及模具設(shè)計(jì)和制造于一體的一項(xiàng)綜合工程。但是，首要因素是“力學(xué)結(jié)構(gòu)”。應(yīng)該說，目前能在企業(yè)大批量順利生產(chǎn)的產(chǎn)品都具有合理的力學(xué)結(jié)構(gòu)，而那些不能大批量順利生產(chǎn)靠長期烘烤才能勉強(qiáng)過關(guān)的產(chǎn)品都具有不合理或較不合理的力學(xué)結(jié)構(gòu)，雖然器件設(shè)計(jì)工程師們還沒有自覺的認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)。筆者的試驗(yàn)表明，具有合理力學(xué)結(jié)構(gòu)的器件在過IR爐前無需預(yù)烘干（而目前這種費(fèi)時(shí)、費(fèi)能和無效率的工序卻被普遍采用），這將對(duì)節(jié)能和縮短生產(chǎn)周期具有何等的重要意義！這同時(shí)說明水汽的作用是有限的。而那些“犟驢式”的產(chǎn)品品種為什么有差的可靠性，設(shè)計(jì)工程師們目前還沒有認(rèn)識(shí)到其真正的原因是器件本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有問題。那種將產(chǎn)品依“水汽的敏感性”將產(chǎn)品的可靠性劃分為三個(gè)等級(jí)的分類法應(yīng)該更合理地被按照“力學(xué)結(jié)構(gòu)”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(fā)現(xiàn)，“力學(xué)結(jié)構(gòu)”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(dòng)。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(dòng)引起的。合理的 “力學(xué)結(jié)構(gòu)”將使傳塑封裝參數(shù)的選擇變得非常容易。 “力學(xué)結(jié)構(gòu)”如此重要，為了防患于未然就應(yīng)該按照一定的原理在器件設(shè)計(jì)階段進(jìn)行審核去實(shí)現(xiàn)合理的力學(xué)結(jié)構(gòu)才對(duì)。等到模具已經(jīng)設(shè)計(jì)制造好并進(jìn)入試生產(chǎn)后再發(fā)現(xiàn)問題，重大損失已經(jīng)無法避免。 筆者認(rèn)為，目前我國對(duì)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(chuàng)意。當(dāng)前我國科技界（當(dāng)然其它國家也一樣）特別提倡和重視原創(chuàng)性的研究，筆者認(rèn)為這非常重要。我國改革開放總設(shè)計(jì)師鄧小平先生的“發(fā)展才是硬道理”的思想應(yīng)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(lǐng)域內(nèi)，我們也應(yīng)該有我們自己的獨(dú)創(chuàng)精神，向一切傳塑封裝難題挑戰(zhàn)，大力支持并開創(chuàng)新的歷史篇章。等到塑封器件可靠性問題根本解決之時(shí)，離它們?cè)趪篮蛙娛赂叨祟I(lǐng)域中的應(yīng)用也就不遠(yuǎn)了。 主要參考文獻(xiàn)： [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(shù)不匹配導(dǎo)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(jī)理研究進(jìn)展【J】, 半導(dǎo)體技術(shù)，2008，02，P98-101 作者資料：張延赤，1938年生，男，河南偃師人，現(xiàn)住武漢市武昌區(qū)起義后街75號(hào)。1962年畢業(yè)于西安交通大學(xué)金屬材料專業(yè)，1968年又畢業(yè)于上海交通大學(xué)金屬材料研究生班。長期從事金屬材料試驗(yàn)研究、焊接工藝。塑料模具設(shè)計(jì)和制造工作，高級(jí)工程師。1996-2001年在深圳一家美資微電子器件公司擔(dān)任高級(jí)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(jī)關(guān)或集成電路企業(yè)合作從事傳塑封裝工藝和可靠性的研究和應(yīng)用。 電話:027-50707511，Email: zyc3862@sina.com |
