短评：什么是影响传塑封装微电子器件可靠性的决定因素？

摘要：本文对当前国内外传塑封装微电子器件可靠性研究中流行的“水汽作用”、“热膨胀系数不匹配”和“热应力”等观点进行了分析和评论，认为这些观点仅只是影响可靠性的“外部条件”，而其决定因素，即“内因”，应该是器件本身的“力学结构”。合理的“力学结构”不仅能从根本上解决器件的可靠性问题，而且还能影响在传塑封装时模制化合物的均衡流动，有助于空洞和充不满等缺陷的消除。“力学结构”的观点将为可靠性研究和提高器件生产率开辟一个崭新的领域。

关键词：传塑封装微电子器件；可靠性；水汽作用；力学结构

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

当一个可靠性差的塑封微电子器件接受“回流焊接（IR炉）试验”， “高低温循环试验”或在恶劣环境中应用时会发生开裂、分层和腐蚀等缺陷。从传塑封装工艺应用于工业起到现在已经将近半个世纪了。国内外的传塑封装工艺工作者为克服这些缺陷和提高器件的可靠性做了大量的工作，致使传塑封装微电子器件全球中一个中等传塑封装企业每年的产量都是以亿计算，并在工业中得到了非常广泛的应用，为人类的电子和信息事业的发展做出了巨大的贡献。

就目前而言，严重影响传塑封装微电子器件发展的可靠性问题尚未根本解决。业界普遍认为其主要的影响因素是：

1. “水汽作用”：空气中的水汽通过塑封体或其与引脚的界面侵入器件内部。当温度急剧变化时（特别是通过IR炉时）水汽膨胀导致开裂或分层[1-4]；

2. “膨胀系数不匹配”：塑封体与引脚、引线或粘结料等的膨胀系数相差较大，当温度急剧变化时界面间产生的膨胀应力导致分层[5]；

3. 热应力。这是不言而喻的，温度急剧变化必然产生热应力，并可能导致器件失效。

笔者曾在一家美资集成电路公司担任高级传塑封装工程师数年，亲身经历了大量的器件生产过程和失效对策。发现有些品种的产品能够顺利的大批量生产，没有什么可靠性问题；有些品种的产品有些问题，在过IR炉前需要烘干，甚至是长期的烘烤（24小时，甚至更长），即使如此，也如履薄冰，随时可能开裂；有些品种的产品问题重重，无可靠性可言，甚至无法成型，不得不最后放弃。因此“水汽作用”论者按照产品对水汽的敏感性将其划分为三个等级：敏感、较敏感和不敏感。试想：

1. 如果“水汽作用”决定可靠性，为什么它只“光顾” 那些“犟驴式”的产品品种，而远离那些“熊猫式”的产品品种。如果两种产品都被“水汽”平等对待，当今的企业还有什么大量成批生产可言；“对水汽的敏感性”的说法是牵强附会的。

2. 构成塑封体的模制化合物和内部粘结料（多数是加有其他成份例如硬化剂等的环氧树脂）的膨胀系数与引脚和引线（多数是铜或其合金）的膨胀系数肯定有很大的差别。无论如何调节或选材，也难以完全匹配。但是在一个企业内各种产品中用的大致都是同一品种的物料，为什么这些“不匹配”只偏爱那些“犟驴式”的产品品种，而与那些“熊猫式”的品种无缘？笔者还没有看到用调节膨胀系数匹配能根本改善可靠性的报导。看来这种说法可能是人们的善意想象罢了；

3. 当然这些影响可靠性的缺陷都是由热应力造成的，但是为什么它只“光顾” 那些“犟驴式”的产品品种呢？

唯物辩证法的原理之一就是：“内因”是事物变化发展的根据, “外因”是事物变化发展的条件, “外因”通过“内因”而起作用。笔者认为上述这些因素都是“外部条件”，而其决定因素则应该是塑封器件本身的“内因”---“力学结构”。摩天大楼经受强烈地震后而仍然巍然屹立，万吨巨轮在飓风狂浪中仍然能荡漾于海洋，靠的是什么？靠的就是它们坚固的能抗御任何恶劣环境的内部结构。难道我们在研究塑封器件可靠性时不应先从器件本身查找原因和考虑问题吗？

在多年的实际工作中笔者发现，凡是那些能大批量生产，可靠性有保证的产品都有合理的力学结构；而那些大批量生产困难重重，可靠性差，甚至无可靠性而言的产品都有不合理的力学结构。如果后者的力学结构经过改进，使其变得合理，其可靠性将重新“焕发青春”，由“犟驴式”变成温顺的“熊猫式”。据报导，有人用增加塑封器件容易开裂处的塑封体的厚度来防止开裂就与笔者的观点是一致的，只是这种观点尚处于朦胧阶段而已。这是因为厚度与结构强度密切相关。

要成就完美无缺和高可靠性的塑封器件是集力学结构、塑封材料、工艺和设备以及模具设计和制造于一体的一项综合工程。但是，首要因素是“力学结构”。应该说，目前能在企业大批量顺利生产的产品都具有合理的力学结构，而那些不能大批量顺利生产靠长期烘烤才能勉强过关的产品都具有不合理或较不合理的力学结构，虽然器件设计工程师们还没有自觉的认识到这一点。笔者的试验表明，具有合理力学结构的器件在过IR炉前无需预烘干（而目前这种费时、费能和无效率的工序却被普遍采用），这将对节能和缩短生产周期具有何等的重要意义！这同时说明水汽的作用是有限的。而那些“犟驴式”的产品品种为什么有差的可靠性，设计工程师们目前还没有认识到其真正的原因是器件本身的结构设计有问题。那种将产品依“水汽的敏感性”将产品的可靠性划分为三个等级的分类法应该更合理地被按照“力学结构”把它们划分为合理的，不太合理的或不合理的三类所取代。

笔者发现，“力学结构”不仅决定可靠性，而且决定模制化合物在塑封过程中的流动。很多外观缺陷例如空洞和充不满等都是模制化合物的不均衡流动引起的。合理的 “力学结构”将使传塑封装参数的选择变得非常容易。

“力学结构”如此重要，为了防患于未然就应该按照一定的原理在器件设计阶段进行审核去实现合理的力学结构才对。等到模具已经设计制造好并进入试生产后再发现问题，重大损失已经无法避免。

笔者认为，目前我国对传塑封装微电子器件可靠性的研究仍然沿袭着国外的道路，还没有自己的创意。当前我国科技界（当然其它国家也一样）特别提倡和重视原创性的研究，笔者认为这非常重要。我国改革开放总设计师邓小平先生的“发展才是硬道理”的思想应该成为中华民族精神的精髓。在传塑封装器件可靠性的研究领域内，我们也应该有我们自己的独创精神，向一切传塑封装难题挑战，大力支持并开创新的历史篇章。等到塑封器件可靠性问题根本解决之时，离它们在国防和军事高端领域中的应用也就不远了。

主要参考文献：
[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] 张鹏，陈亿裕，刘建，热膨胀系数不匹配导致的塑封器件失效[J],电子与封装，2007，7[4]；37-39

[6]李新等；塑封微电子器件失效机理研究进展【J】, 半导体技术，2008，02，P98-101

作者资料：张延赤，1938年生，男，河南偃师人，现住武汉市武昌区起义后街75号。1962年毕业于西安交通大学金属材料专业，1968年又毕业于上海交通大学金属材料研究生班。长期从事金属材料试验研究、焊接工艺。塑料模具设计和制造工作，高级工程师。1996-2001年在深圳一家美资微电子器件公司担任高级传塑封装工程师。目前退休在家，从事英文兼职翻译。希望在有生之年能与高等院校、研究机关或集成电路企业合作从事传塑封装工艺和可靠性的研究和应用。

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