文章來源：學(xué)習那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述常見的封裝失效現(xiàn)象。

金線偏移

金線偏移是封裝環(huán)節(jié)中最為常見的失效形式之一，IC元器件往往因金線偏移量超出合理范圍，導(dǎo)致相鄰金線相互接觸，進而引發(fā)短路（Short Shot），嚴重時還會造成金線斷裂形成斷路，最終導(dǎo)致元器件出現(xiàn)功能性缺陷。引發(fā)金線偏移的具體原因主要有以下幾類：

（1）樹脂流動產(chǎn)生的拖曳力。這是導(dǎo)致金線偏移失效的最主要誘因，在封裝填充階段，若樹脂黏性過高、流動速度過快，會對金線產(chǎn)生持續(xù)的拖拽作用，進而使金線的偏移量隨之增大，破壞金線原有的排布狀態(tài)。

（2）導(dǎo)線架的變形。導(dǎo)線架發(fā)生變形的主要原因是上下模穴內(nèi)的樹脂流動波前不均衡，這種不均衡會導(dǎo)致上下模穴的模流之間產(chǎn)生壓力差，導(dǎo)線架在該壓力差的作用下會承受一定的彎矩，進而發(fā)生形變。由于金線連接在導(dǎo)線架的芯片焊墊與內(nèi)引腳之間，導(dǎo)線架的形變會直接帶動金線發(fā)生位移，最終引發(fā)金線偏移。

（3）氣泡的移動。在樹脂填充過程中，空氣可能會滲入模穴內(nèi)部，形成微小氣泡，這些氣泡在模穴內(nèi)隨樹脂流動而移動，當氣泡碰撞到纖細的金線時，會對金線產(chǎn)生沖擊力，導(dǎo)致金線出現(xiàn)不同程度的偏移。

（4）過保壓/遲滯保壓。過保壓會使模穴內(nèi)部產(chǎn)生過高的壓力，即便金線發(fā)生輕微偏移，也無法依靠自身彈性恢復(fù)到原始位置；遲滯保壓則會導(dǎo)致作業(yè)溫度升高，對于添加催化劑后反應(yīng)速率較快的樹脂而言，溫度升高會使樹脂黏性進一步增大，同樣會阻礙偏移金線的彈性復(fù)位，導(dǎo)致偏移狀態(tài)固定。

（5）填充物的碰撞。封裝材料中通常會添加一定量的填充物，當填充物顆粒尺寸較大時（如2.5~250μm），這些硬質(zhì)顆粒在樹脂流動過程中會碰撞到精細的金線（如25μm），進而對金線產(chǎn)生沖擊，引發(fā)金線偏移。

除上述幾類主要原因外，隨著多引腳集成電路技術(shù)的不斷發(fā)展，封裝結(jié)構(gòu)中的金線數(shù)量和引腳數(shù)量持續(xù)增加，金線排布密度也隨之提升，更高的金線密度會進一步放大金線偏移的影響，使偏移問題更為顯著。為有效降低金線偏移量，防范短路、斷路等故障的發(fā)生，封裝技術(shù)人員需合理選用封裝材料，精準控制各項工藝參數(shù)，減少模穴內(nèi)金線所承受的應(yīng)力，確保金線偏移量控制在合理范圍內(nèi)。

芯片開裂

IC裸芯片通常以單晶硅為原材料制成，而單晶硅晶體具有硬度高、脆性強的特點，硅片在受到外力應(yīng)力作用或表面存在微小缺陷時，極易發(fā)生開裂。在晶圓減薄、晶圓切割、芯片貼裝、引線鍵合等需要施加應(yīng)力的封裝工藝過程中，均有可能出現(xiàn)芯片開裂現(xiàn)象，這也是引發(fā)IC封裝失效的重要原因之一。

若芯片的裂紋未延伸至引線區(qū)域，其隱蔽性較強，不易被發(fā)現(xiàn)。在更為嚴重的情況下，常規(guī)工藝過程中無法觀察到芯片裂紋，即便通過芯片電學(xué)性能測試，含裂紋芯片與無裂紋芯片的電學(xué)性能指標也幾乎一致，容易讓人忽視裂紋的存在，但這些潛在的裂紋會嚴重影響封裝完成后器件的可靠性和使用壽命。由于常規(guī)電學(xué)性能測試無法檢測出芯片開裂缺陷，因此芯片開裂失效需通過高低溫熱循環(huán)實驗進行排查，避免裂紋進一步擴展影響芯片的長期可靠性。

高低溫熱循環(huán)實驗的核心原理是：不同材料的熱膨脹系數(shù)存在差異，在加熱與冷卻的循環(huán)過程中，不同材料之間會因熱脹冷縮差異產(chǎn)生熱應(yīng)力，該熱應(yīng)力會促使芯片內(nèi)部已有的裂紋不斷擴展，最終導(dǎo)致芯片破裂，其損傷會直觀體現(xiàn)在芯片電學(xué)性能的異常變化上。

由上述分析可知，芯片開裂通常是由外界應(yīng)力作用引發(fā)的，因此在檢測出芯片存在開裂缺陷后，需及時調(diào)整芯片封裝的工藝流程與工藝參數(shù)，最大限度減小各工藝環(huán)節(jié)對芯片的應(yīng)力作用。例如：在晶圓減薄過程中，優(yōu)化加工工藝使芯片表面更加平滑，從而達到消除表面應(yīng)力的效果；在晶圓切割過程中，采用激光切割工藝替代傳統(tǒng)切割方式，降低芯片表面所承受的機械應(yīng)力；在引線鍵合過程中，合理調(diào)整鍵合溫度與鍵合壓力，減少應(yīng)力對芯片的損傷等。

界面開裂

開裂現(xiàn)象不僅會發(fā)生在芯片內(nèi)部，還可能出現(xiàn)在不同封裝材料的交界面處，形成界面開裂。在界面開裂的初期階段，不同材料之間仍能保持良好的電氣連接，不會立即影響器件正常工作，但隨著使用時間的延長，熱應(yīng)力作用以及電化學(xué)腐蝕會不斷加劇界面開裂的程度，進而破壞不同材料之間的電氣連接，嚴重影響集成電路的可靠性。

界面開裂的成因較為復(fù)雜，主要與封裝工藝相關(guān)，其中封裝應(yīng)力過大、封裝材料受到污染是最主要的誘因。界面開裂可能發(fā)生在金線與焊盤的連接處，導(dǎo)致線路斷路；也可能發(fā)生在外部塑料封裝體中，使封裝體失去對芯片的有效保護，進而引發(fā)芯片污染。因此，需通過專業(yè)檢測手段排查潛在的界面開裂缺陷，并針對性調(diào)整封裝工藝，防范故障發(fā)生。

基板裂紋

在倒裝焊工藝過程中，需通過焊球?qū)崿F(xiàn)芯片與基板焊盤的連接，基板裂紋是該焊接過程中易出現(xiàn)的失效形式；同時，在引線鍵合工藝環(huán)節(jié)，也可能引發(fā)基板開裂?；逡坏┏霈F(xiàn)裂紋，會直接影響芯片的電學(xué)性能，導(dǎo)致器件出現(xiàn)斷路、高阻抗等異?，F(xiàn)象，影響器件正常工作。

基板開裂的成因具有多樣性，一方面可能是芯片或基板本身存在制造缺陷，另一方面也可能是焊接過程中工藝參數(shù)不匹配導(dǎo)致的，如鍵合力過大或過小、基板溫度過高或過低、超聲功率異常等，均會引發(fā)基板開裂。

再流焊缺陷

再流焊工藝易引發(fā)晶圓翹曲問題，由于不同封裝材料的熱膨脹系數(shù)存在固有差異，再加上流動應(yīng)力和黏著力的影響，封裝體在封裝過程中會受到外界溫度變化的作用，不同材料之間會通過翹曲變形的方式來釋放溫度變化產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，其中翹曲現(xiàn)象在再流焊接環(huán)節(jié)最為容易發(fā)生。翹曲受多種工藝參數(shù)的影響，因此通過調(diào)整單個或一組工藝參數(shù)，即可實現(xiàn)翹曲現(xiàn)象的減少或消除。

產(chǎn)生翹曲的核心原因是施加在元器件上的作用力不均衡。在預(yù)熱階段，器件一端脫離焊膏的情況可能由多種因素引發(fā)，如不同材料熱膨脹系數(shù)差異、焊膏涂覆不均勻、器件放置位置偏差等，這種情況會直接阻斷熱量的直接傳導(dǎo)。當熱量通過器件本身進行傳導(dǎo)時，一端的熔化焊料會相對于另一端形成新月形，其表面拉力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩大于器件自身重量，進而引發(fā)器件翹曲。

為改善翹曲現(xiàn)象，首先需嚴格控制焊膏印刷精度和器件放置精度。這類參數(shù)與設(shè)備操作密切相關(guān)，在生產(chǎn)全流程中需嚴格遵循生產(chǎn)規(guī)范，做好印刷設(shè)備和安裝設(shè)備的日常維護工作，從而有效減少翹曲現(xiàn)象的發(fā)生。其次，需控制印刷的清晰度和精確度，這類參數(shù)會直接改變襯墊配置，同時可能增加元器件相反端點之間的受力不平衡，進而直接引發(fā)翹曲。

為降低失效風險，需定期檢查印刷配準參數(shù)，發(fā)現(xiàn)配準錯誤及時糾正；定期清洗印刷模板，避免模板開口堵塞；同時檢查焊膏狀態(tài)，確保焊膏未出現(xiàn)過度干燥的情況，且支撐印刷電路板的基板需保持平坦、堅固。此外，需高度重視器件放置精度，放置不當同樣會引發(fā)翹曲，為最大限度減少設(shè)備故障，需定期檢查進料器，確保其基部對準；由于元器件拾取點尺寸較小，該檢查環(huán)節(jié)至關(guān)重要。同時，需保證支撐印刷電路板的平臺平坦堅固，精準控制放置對準精度，降低放置速度，并根據(jù)常用拾取工具的特性，確定合適的噴嘴尺寸。

由于翹曲是由器件兩端受力不平衡引發(fā)的，而器件受力情況取決于焊接材料和襯墊的表面特性，因此焊接材料和印刷電路板均會對翹曲現(xiàn)象產(chǎn)生影響。對于焊接合金而言，合金在熔點時的表面張力越小，翹曲發(fā)生時產(chǎn)生的扭曲力就越小。目前雖尚未形成統(tǒng)一的合金標準評估體系，但部分廠商已嘗試采用Sn/Pb/In合金，實踐表明該合金對翹曲現(xiàn)象有一定影響，但影響程度并不顯著。

不同類型的焊膏對翹曲也會產(chǎn)生不同影響，在其他條件保持一致的情況下，焊膏的活性越強，翹曲現(xiàn)象越容易發(fā)生。印刷電路板和器件表面的光滑度會影響焊膏的潤濕特性，過量使用焊膏會引發(fā)翹曲，減少焊膏使用量可有效減小焊膏熔化時產(chǎn)生的應(yīng)力作用。在再流焊過程中，若器件兩端的熱傳遞速度存在較大差異，會導(dǎo)致一定時間內(nèi)一端受力明顯大于另一端，進而引發(fā)翹曲。

錫珠也是再流焊工藝中常見的缺陷之一，其主要分布在無引腳片式元器件的兩側(cè)。若錫珠未與其他焊點連接，不僅會影響封裝外觀的整潔度，還會對產(chǎn)品的電性能產(chǎn)生不良影響。模板開口不合適、對位不準、錫膏使用不當、預(yù)熱溫度不合理、焊膏殘留等，均是引發(fā)錫珠缺陷的主要原因。

針對模板開口問題，若鋼網(wǎng)開口過大或開口形狀不合理，會導(dǎo)致貼放片式元器件時，焊膏蔓延至焊盤外部，進而形成錫珠。為避免此類情況，通常情況下，片式阻容元器件的模板開口尺寸應(yīng)略小于對應(yīng)的印制板焊盤；考慮到線路板的刻蝕量，焊盤的模板開口尺寸一般為印制板焊盤的90%~95%。此外，需結(jié)合實際生產(chǎn)情況，靈活選擇片式元器件的模板開口形狀，可有效防止因錫膏過量被擠壓而形成錫珠。

模板與印刷電路板的對位需精準無誤，且兩者需固定牢固，對位偏差會導(dǎo)致錫膏蔓延至焊盤外部，引發(fā)錫珠缺陷。錫膏印刷分為手工、半自動和全自動三種方式，即便采用全自動印刷，壓力、速度、間隙等關(guān)鍵參數(shù)仍需人工設(shè)定，因此無論采用哪種印刷方式，都需合理調(diào)整機器、模板、印刷電路板與刮刀之間的配合關(guān)系，確保印刷質(zhì)量達標。

錫膏需在低溫環(huán)境下冷藏保存，從冷藏室取出后，若升溫時間不足、攪拌不均勻，會導(dǎo)致錫膏吸濕，在高溫再流焊過程中，吸濕的水汽會揮發(fā)出來，進而形成錫珠。因此，錫膏使用前需先恢復(fù)至室溫（通常需4小時左右），并充分攪拌均勻后再進行印刷使用。

溫度曲線是再流焊工藝的核心參數(shù)，主要分為預(yù)熱、保溫、回流、冷卻四個階段。其中，預(yù)熱和保溫階段的主要作用是減少元器件和印刷電路板受到的熱沖擊，并將錫膏中的溶劑充分揮發(fā)。若預(yù)熱溫度不足或保溫時間過短，會直接影響最終的焊接質(zhì)量，通常保溫階段的工藝要求為150~160℃、70~90s。

生產(chǎn)過程中，若出現(xiàn)需重新印刷錫膏的情況，需將原有錫膏徹底清理干凈，否則殘留的錫膏會在再流焊過程中形成錫珠。因此，重新印刷前需仔細刮除殘余錫膏，避免錫膏流入插孔堵塞通孔，隨后對印刷區(qū)域進行徹底清理。

除翹曲和錫珠外，空洞也是再流焊工藝中的主要缺陷，空洞指的是分布在焊點表面或內(nèi)部的氣孔或針孔，其形成原因具有多樣性。例如：焊膏中金屬粉末含氧量過高、使用回收焊膏、工藝環(huán)境衛(wèi)生條件較差、焊膏中混入雜質(zhì)等，針對此類情況，需嚴格把控焊膏質(zhì)量，選用合格的焊膏產(chǎn)品；焊膏受潮吸濕，針對此類情況，需待焊膏恢復(fù)至室溫后再打開容器蓋，同時控制生產(chǎn)環(huán)境溫度在20~26℃、相對濕度在40%~70%；元件焊端、引腳、印制電路板焊盤氧化或污染，以及印制板受潮，針對此類情況，需遵循元件“先到先用”原則，避免元件長期存放于潮濕環(huán)境，且不超過規(guī)定的使用期限；升溫速率過快，導(dǎo)致焊膏中溶劑和氣體揮發(fā)不完全，進入焊接區(qū)形成氣泡，針對此類情況，需將160℃前的升溫速率控制在1~2℃·s?1。

再流焊過程中還可能出現(xiàn)其他各類缺陷，具體包括：焊膏熔融不完全，即全部或部分焊點周圍殘留未熔化的焊膏；潤濕不良，即元件焊端、引腳或印刷電路板焊盤出現(xiàn)不沾錫或局部不沾錫的情況；焊料量不足，指焊點高度未達到規(guī)定要求，會影響焊點的機械強度和電氣連接可靠性，嚴重時會引發(fā)虛焊或斷路，如元件斷頭、引腳與焊盤接觸不良或完全未連接；橋連（又稱短路），即元件端頭之間、引腳之間，以及端頭或引腳與鄰近導(dǎo)線等電氣上不應(yīng)連接的部位，被焊錫意外連接；錫點高度接觸或超過元件體，即焊料向焊端或引腳根部流動，導(dǎo)致焊料高度接觸元件或超出元件表面；錫絲，即元件焊端之間、引腳之間，以及焊端或引腳與通孔之間出現(xiàn)細微的錫絲；元件或端頭存在不同程度的裂紋或缺損；元件端頭電極鍍層出現(xiàn)不同程度的剝落，露出元件本體材料；冷焊（又稱焊紊亂），即焊點表面存在焊錫紊亂的痕跡；焊錫表面或內(nèi)部出現(xiàn)裂縫；此外，還有一些肉眼無法直接觀察到的缺陷，如焊點晶粒大小、焊點內(nèi)部應(yīng)力、焊點內(nèi)部裂紋等，這類缺陷需通過X射線檢測、焊點疲勞測試等專業(yè)手段才能排查出來。