1、第八章 陶瓷封装 8.1 陶瓷封装简介 陶瓷封装是高可靠度需求的主要封装技术。当今的陶瓷技术已可将烧结的尺寸变化控制在0.1%的范围，可结合厚膜技术制成30-60层的多层连线传导结构，因此陶瓷也是作为制作多芯片组件（MCM）封装基板主要的材料之一。优点：（1）在各种IC元器件的封装中，陶瓷封装能提供IC芯片气密性的密封保护，使其具有优良的可靠度；（2）陶瓷被用做IC芯片封装的材料，是因其在电、热、机械特性等方面极其稳定，而且它的特性可通过改变其化学成分和工艺的控制调整来实现，不仅可作为封装的封盖材料，它也是各种微电子产品重要的承载基板缺点：（1）与塑料封装相比较，它的工艺温度较高，成本较高；（
2、2）工艺自动化与薄型化封装的能力逊于塑料封装；（3）其具有较高的脆性，易致应力损害；（4）在需要低介电常数与高连线密度的封装中，其必须与薄膜封装技术竞争陶瓷与塑料封装的工艺流程半导体用NTK陶瓷封装材料(封装管壳)8.2 氧化铝陶瓷封装的材料材 料 种 类（at 1MHz）（ppm/）（W/m）（）（MPa）92%氧化铝 9.2 6 18 1 500 300 96%氧化铝 9.4 6.6 20 1 600 400 99.6%氧化铝 9.9 7.1 37 1 600 620 氮化硅（Si3N4）7 2.3 30 1 600 碳化硅（SiC）42 3.7 270 2 000 450 氮化铝（AlN
3、）8.8 3.3 230 1 900 350400 氧化铍（BeO）6.8 6.8 240 2 000 241 氮化硼（BN）6.5 3.7 600 2 000 钻石（高压）5.7 2.3 2000 2 000 钻石（CVD）3.5 2.3 400 1 000 300 玻璃陶瓷 48 35 5 1 000 150 表8.1 陶瓷材料的基本特性比较8.3 陶瓷封装工艺图8.2 氧化铝陶瓷封装的流程8.4 其他陶瓷封装材料 近年来，陶瓷封装虽面临塑胶封装的强力竞争而不再是使用数量最多的封装方法，但陶瓷封装仍然是高可靠度需求的封装最主要的方法。各种新型的陶瓷封装材料，如氮化铝、碳化硅、氧化铍、玻璃陶
4、瓷、钻石等材料也相继地被开发出来以使陶瓷封装能有更优质信号传输、热膨胀特性、热传导与电气特性。第九章 塑料封装 塑料封装的散热性、耐热性、密封性虽逊于陶瓷封装和金属封装，但塑料封装具有低成本、薄型化、工艺较为简单、适合自动化生产等优点，它的应用范围极广，从一般的消费性电子产品到精密的超高速电脑中随处可见，也是目前微电子工业使用最多的封装方法。9.1 塑料封装的材料 热硬化型（Thermosets）与热塑型（Thermoplastics）高分子材料均可应用于塑胶封装的铸膜成型，酚醛树脂、硅胶等热硬化型塑胶为塑料封装最主要的材料，它们都有优异的铸膜成型特性，但也各具有某些影响封装可靠度的缺点。塑料
5、封装的铸膜材料一般由酚醛树脂（Novolac Epoxy Resin）、加速剂（Accelerator，或称为Kicker）、硬化剂（Curing Agent，或称为Hardener）、催化剂（Catalyst）、耦合剂（Coupling Agent，或称Modifier）、无机填充剂（Inorganic Filler）、阻燃剂（Flame Retardant）、模具松脱剂及黑色色素（Black Coloring Agent）等成分组成。9.2 塑料封装的工艺轴向喷洒涂胶工艺的优点如下：（1）成品厚度较薄，可缩小封装的体积；（2）无铸膜成型工艺压力引致的破坏；（3）无原料流动与铸孔填充过程引致
6、的破坏；（4）适用于以TAB连线的IC芯片封装。轴向喷洒涂胶工艺的缺点为：（1）成品易受水气侵袭；（2）原料黏滞性的要求极苛刻；（3）仅能做单面涂封，无法避免应力的产生；（4）工艺时间长。反应式射出成型工艺能免除传输铸膜工艺的缺点，其优点有：（1）能源成本低；（2）低铸膜压力（约0.30.5 Mpa），能减低倒线发生的机会；（3）使用的原料一般有较佳的芯片表面润湿能力；（4）适用于以TAB连线的IC芯片密封；（5）可使用热固化型与热塑型材料进行铸膜。反应式射出成型工艺的缺点则为：（1）原料须均匀地搅拌；（2）目前尚无一标准化的树脂原料为电子封装业者所接受。9.3 塑料封装的可靠性试验常用来试验
7、塑料封装的可靠性的方法有下列三种:（1）高温偏压试验（High Temperature/Voltage Bias Test）。试验的方法是将封装元器件置于125150的测试腔中，并使其在最高的电压与电流负荷的条件下操作，其目的是试验元器件与材料相互作用所引致的破坏。（2）温度循环试验（Temperature Cycle Test）。采用的试验条件有：65150循环变化，在最高与最低温各停留1h；55200循环变化，在最高温与最低温各停留10min；0125，每小时3个循环变化。温度循环试验可以测量应力对封装结构的影响，能测出的问题点有连线接点分离、连线断裂、接合面裂隙与芯片表面的钝化保护层破坏
8、等。（3）温度/湿度/偏压试验（Temperature/Humidity/Voltage Bias Test）。这种试验方法也称为THB试验，将IC元器件置于85/85%相对湿度的测试腔中，并在元器件上通入交流负载（通常约5V），它也是所有试验中最严格的一种。与THB试验相似的试验有：HAST试验（Highly Accelerated Stress Test），是将元器件置于100175，50%85%相对湿度的环境中并加入偏压的试验；G1应力试验（G1 Stress Test），是将封装元器件置于含氯、硫磺、二氧化氢、二氧化氮或臭氧等特殊气体环境中的试验。第十章 气密性封装10.1 气密性封装
9、的必要性 气密性封装可以大大提高电路，特别是有源器件的可靠性。有源器件对很多潜在的失效机理都很敏感，如腐蚀，可能受到水汽的侵蚀，会从钝化的氧化物中浸出磷而形成磷酸，这样又会侵蚀铝键合焊盘。气密性封装是集成电路芯片封装技术的关键之一。所谓气密性封装是指完全能够防止污染物（液体或 固体）的侵入和腐蚀的封装。10.2 金属气密性封装图10.2 常见的金属封装基台10.3 陶瓷气密性封装图10.3 陶瓷双列式封装与针格式封装10.4 玻璃气密性封装 玻璃密封材料的选择应与金属材料的种类配合，表10.1所列为电子封装常用的玻璃热膨胀系数的比较。玻璃与金属在匹配密封（Matched Seals）中必须有非
10、常相近，甚至相同的热膨胀系数，而且金属与其氧化物之间必须有相当致密的键结。常作为引脚架材料的Alloy42合金中常添加铬、钴、锰、硅、硼等元素以改善氧化层的黏着性；Kovar合金可在900以上的空气、氧化气氛或湿式氮/氢气氛中加热短暂时间而得到性质良好的氧化层；铜合金上的氧化层则极易剥落（Scaling），故铜合金表面通常再镀上一薄层的四硼酸钠（Sodium Borate,Na2B4O7）或镍以防止氧化层剥离；铜中添加铝，也可防止氧化层的剥落。如表10.1所示为电子封装常用的玻璃热膨胀系数。种 类 热膨胀系数 1990-（K Na Pb）硅酸玻璃 13.6 0800-（Na Ca）硅酸玻璃 1
11、0.5 0010-（K Na Pb）硅酸玻璃 10.1 0120-（K Na Pb）硅酸玻璃 9.7 7040-（Na K）硼硅酸玻璃 5.4 7050-（Alkali Ba）硼硅酸玻璃 5.1 7052-（Alkali）硼硅酸玻璃 5.3 7056-（Alkali）硼硅酸玻璃 5.6 7070-（Li K）硼硅酸玻璃 3.9 7720-（Na Pb）硼硅酸玻璃 4.3 表10.1 电子封装常用的玻璃热膨胀系数第十一章 封装可靠性工程 11.1概述 在芯片完成整个封装流程之后，封装厂会对其产品进行质量和可靠性两方面的检测。质量检测主要检测封装后芯片的可用性，封装后的质量和性能情况，而可靠性则是
12、对封装的可靠性相关参数的测试。首先，我们必须理解什么叫做“可靠性”，产品的可靠性即产品可靠度的性能，具体表现在产品使用时是否容易出故障，产品使用寿命是否合理等。如果说“品质”是检测产品“现在”的质量的话，那么“可靠性”就是检测产品“未来”的质量。图11.1统计学上的浴盆曲线可靠性比较低可靠性比较好早夭区早夭区正常使用寿命区正常使用寿命区耐用区耐用区图（11.1）所示的统计学上的浴盆曲线（Bathtub Curve）很清晰地描述了生产厂商对产品可靠性的控制，也同步描述了客户对可靠性的需求。上图所示的早夭区是指短时间内就会被损坏的产品，也是生产厂商需要淘汰的，客户所不能接受的产品；正常使用寿命区代
13、表客户可以接受的产品；耐用区指性能特别好，特别耐用的产品。由图上的浴缸曲线可见，在早夭区和耐用区，产品的不良率一般比较高。在正常使用区，才有比较稳定的良率。大部分产品都是在正常使用区的。可靠性测试就是为了分辨产品是否属于正常使用区的测试，解决早期开发中产品不稳定，良率低等问题，提高技术，使封装生产线达到高良率，稳定运行的目的。在封装业的发展史上，早期的封装厂商并不把可靠性测试放在第一位，人们最先重视的是产能，只要一定生产能力就能赢利。到了90年代，随着封装技术的发展，封装厂家也逐渐增多，产品质量就摆到了重要位置，谁家产品的质量好，就占绝对优势，于是质量问题是主要的竞争点和研究方向。进入21世纪
14、，当质量问题基本解决以后，厂商之间的竞争重点放在了可靠性上，同等质量，消费者自然喜欢高可靠性的产品，于是可靠性越发显示其重要性，高可靠性是现代封装技术的研发的重要指标。11.2 可靠性测试项目 一般封装厂的可靠性测试项目有6项，如表11-1所示 表11-1可靠性测试项目可靠性测试项目 测试项目简称测试项目简称 1.1.预处理（预处理（Preconditioning TestPreconditioning Test）Precon testPrecon test 2.2.温度循环测试（温度循环测试（Temperature Cycling TestTemperature Cycling Test）T
15、/C TestT/C Test 3.3.热冲击（热冲击（Thermal Shock TestThermal Shock Test）T/S TestT/S Test 4.4.高温储藏（高温储藏（High Temperature Storage TestHigh Temperature Storage Test）HTST TestHTST Test 5.5.温度和湿度（温度和湿度（Temperature&Humidity TestTemperature&Humidity Test）T&H TestT&H Test 6.6.高压蒸煮（高压蒸煮（Pressure Cooker TestPressure
16、 Cooker Test）PCT TestPCT Test 各个测试项都有一定的目的，针对性和具体方法，但就测试项目而言，基本上都与温度，湿度，压强等环境参数有关，偶尔还会加上偏压等以制造恶劣破坏环境来达到测试产品可靠性的目的。各个测试项目大都采用采样的方法，即随机抽查一定数量产品的可靠性测试结果来断定生产线是否通过可靠性测试。各个封装厂的可靠性判定标准也各不相同，实力雄厚的企业一般会用较高水准的可靠性标准。6种测试项目是有先后顺序的。Preconditioning Test是首先要进行的测试项目，之后进行其他5项的测试。之所以有这种先后顺序，是由PRECON TEST 的目的决定的，在以下的
17、章节中，我们分别讲述各种测试的具体内容，目的。鉴于PRECON TEST 特殊性，将放在最后介绍。11.3 T/C测试 T/C(Temperature Cycling)测试，即温度循环测试。图11.3温度循环测试炉测试炉如图11.3所示，由一个热气腔，一个冷气腔组成，腔内分别填充着热冷空气（热冷空气的温度各个封装厂有自己的标准，相对温差越大，通过测试的产品的某特性可靠性越高）。两腔之间有个阀门，是待测品往返两腔的通道。在封装芯片做T/C测试的时候，有4个参数，分别为热腔温度，冷腔温度，循环次数，芯片单次单腔停留时间。表11.2 温度 时间 次数 150/-65 15分/各区 1000次 如表1
18、1.2所示的参数就代表T/C测试时把封装后的芯片放在150的热炉15分钟，再通过阀门放入-65的冷炉15分钟，再放入热炉，如此反复1000次。之后测试电路性能以检测是否通过 T/C可靠性测试。从T/C的测试方法已经可以看出，T/C测试得主要目的是测试半导体封装体热胀冷缩的耐久性。在封装体中，有许多种材料，材料之间都有相应的结合面，在封装体所处环境的温度有所变化时，封装体内各种材料就会有热胀冷缩效应，而且材料热膨胀系数不同，其热胀冷缩的程度就有所不同，这样原来紧密结合的材料结合面就会出现问题。图示11.4是以引线架（Lead frame）封装为例，热胀冷缩是的具体情况：其中主要的材料包括lead
19、 frame的Cu材料，芯片的硅材料，连接用的金线材料，还有芯片粘接的胶体材料。其中环氧模塑封 材料(EMC-Epoxy Molding Compound)与硅芯片，Lead frame有大面积基础，比较容易脱层，硅芯片与粘合的硅胶，硅胶和leadframe之间也会在T/C测试中失效。图11.4 Lead Frame封装的热胀冷缩情况 再由图11.5来看一下T/C测试中的几个失效模型。图11.5 脱层与裂开的失效模型 11.4 T/S测试 T/S test（Thermal Shock test）即测试封装体抗热冲击的能力。图11.6 抗热冲击测试炉 T/S测试和T/C测试有点类似，不同的是T/
20、S测试环境是在高温液体中转换，液体的导热比空气快，于是有较强的热冲击力。表11.3温度 时间 次数 150/-65 5分/各区 1000次 例如表11.3所示的参数，就代表在2个隔离的区域分别放入150的液体和-65的液体，然后把封装产品放入一个区，5分钟后再装入另一个区，由于温差大，传热环境好，封装体就受到很强的热冲击，如此往复1000次，来测试产品的抗热冲击性，最终也是通过测试电路的通断情况断定产品是否TS可靠性测试。11.5 HTS测试 HTS(High temperature Storage)测试，是测试封装体长时间暴露在高温环境下的耐久性实验。HTS测试是把封装产品长时间放置在高温氮
21、气炉中，然后测试它的电路通断情况。温度 时间 150 1000小时 表11.4 高温环境耐久性测试参数表 图11.7 HTS测试用高温氮气炉情形 如表11.4参数表示封装放置在150高温的氮气炉中1000小时（图11.7中）。HTS测试的重点是因为在高温条件下，半导体构成物质的活化性增强，会有物质间的扩散作用，而导致电气的不良发生，另外因为高温，机械性较弱的物质也容易损坏。图11.8 扩散引起的Kirkendall孔洞 在金线和芯片的结合面上，它的材料结构依次为：铝，铝金合金，金，在高温的状态下，金和铝金属都变得很活跃，相互会扩散，但是由于铝的扩散速度比金要快，所以在铝的界面物质就变少，就形成
22、了孔洞。这样就造成电路性能不好，甚至导致断路。例如图11.8所示的kirkendall孔洞产生就是因为物质可扩散作用造成的。那么如何解决HTS可靠性测试不良的问题呢？首先在特定情况下，我们可以选择使用同种物质结合电路，比如军事上，金线用铝线代替，这样就不会因为金属间的扩散而产生不良了。我们也可以用掺杂物质作中介层来抑制物质间的相互扩散。当然还有一种方法就是避免把封装体长时间在高温下放置，没有长时间的高温环境，自然不会有扩散导致失效的结果了。11.6 TH测试 TH(Temperature&Humidity)测试，是测试封装在高温潮湿环境下的耐久性的实验 图11.9 TH测试的锅体和温箱 如图1
23、1.9所示，TH测试是在一个能保持恒定温度和适度的锅体中进行的，一般测试参数如表11.5温度 湿度 时间 85 85RH%1000小时 实验结束时也是靠测定封装体电路的通断特性来断定产品是否有优良的耐高温湿性。在TH测试中，由于EMC（Epoxy molding compound环氧塑封料）材料有一定的吸湿性，而内部电路在潮湿的环境下，很容易导致漏电，短路等效应。为了有更好的防湿性，我们会选择使用陶瓷封装来代替塑料封装，因为塑料封装的EMC材料比较容易吸水。当然也可控制EMC的材料成分，以达到改善其吸湿性的目的。表11.5 高温潮湿环境耐久性参数表11.7 PC测试 PC(Pressure C
24、ooker)测试，是对封装体抵抗抗潮湿环境能力的测试。PC测试与TH测试类似，只是增加了压强环境以缩短测试时间，通常做PC测试实验的工具我们叫“高压锅”。图11.10 PC测试的蒸煮锅和测试炉 PC测试的参数如表11.6所示：表11.6 温度 湿度 时间 压力 121 100RH%504小时 2个大气压 在PC测试最后，也同样是测试产品的电路通断性能。在Leadframe封装中，Lead frame材料和EMC材料结合处很容易水分渗入，这样就容易腐蚀内部的电路，腐蚀铝而破坏产品功能。这种情况，一般建议用UV光来照射产品检测Leadframe材料和EMC材料结合情况。PC针对性的解决方法就是提高
25、Leadframe和EMC之间的结合力度，我们可以调节EMC材料成分，也可以针对性地处理Leadframe的表面。11.8 Precon测试 Precon测试，即Pre-conditioning测试。从集成电路芯片封装完成以后到实际再组装，这个产品还有很长一段过程，这个过程包括包装、运输等，这些都会损坏产品，所以我们就需要先模拟这个过程，测试产品的可靠性。这就是Precon测试。其实在Precon测试中，包括了前面的T/C,TH等多项测试的组合。Precon测试模拟的过程如下图所示：图11.11 产品完成封装后需要包装好，运输到组装厂，然后拆开包装把封装后芯片组装在下一级板子上，并且组装还要经
26、过焊锡的过程，整个过程既有类似TC的经过，也有类似TH的过程，焊锡过程也需要模拟测试。整个Precon测试有一定的测试流程，测试前检查电气性能和内部结构（用超声波检测），确定没有问题，开始各项恶劣环境的考验，先是T/C测试模拟运输过程中的温度变化，再模拟水分子干燥过程（一般的包装都是真空包装，类似于水分干燥），然后恒温，定时放置一段时间（随着参数的不同，分为6个等级，用于模拟开封后吸湿的过程），最后模拟焊锡过程后再检查电气特性和内部结构。模拟吸湿过程的6个等级如表11.7所示，1的等级最高，依次下降，看需要选择等级。表11.7等级 温、湿度条件（/RH）测试时间 干燥包装开封后有效寿命 1 8
27、5/85 168小时 无限 2 85/60 168小时 一年 3 30/60 192小时 168小时（一星期）4 30/60 92小时 72小时（3天）5 30/60 76小时 48小时（2天）6 30/60 6小时 6小时 在Precon测试中，会出现的问题有：爆米花效应，脱层，电路失效等问题。这些问题都是因为封装体会在吸湿后再遭遇高温而造成的，高温时，封装体内的水分变为气体从而体积急剧膨胀，造成对封装体的破坏。我们应该减弱EMC的吸湿性解决爆米花效应，减少封装的热膨胀系数，增强附着能力来改善脱层问题，防止电路失效发生。只有在顺利通过了Precon测试以后，才能保证产品能顺利送到最终用户端，
28、这就是Precon被放在第一个测试位置的原因所在。终上所述，一个好的封装要有好的可靠性能，必须有较强的耐湿，耐热，耐高温的能力，6个可靠性测试都逃不脱温度，湿度这些内容。我们通过可靠性测试能够评估产品的可靠度，有利于回馈来改善封装设计工艺，从而提高产品的可靠度。作业与讨论（1）什么是陶瓷封装？它的优点和缺点有哪些？（2）简述什么是塑料封装以及它的优缺点？（3）简述轴向喷洒涂胶封装工艺的优缺点？（4）简述反应式射出成型封装工艺的优缺点？（5）简述气密性封装的定义、作用以及必要性？（6）画图并详细解释产品可靠性的浴盆曲线（7）分析T/C测试失效的原因（8）分析HTS测试 失效的原因，以及解决HTS测试 失效的措施（9）简述Precon测试中可能出现的问题/10/2941.
