高可靠封装技术解析

来源：芯禾叶带你看芯片

一、概述

塑封器件在尺寸微型化、重量轻量化、成本效益和电气性能方面较陶瓷封装与金属封装具有显著优势，成为消费电子、工业控制等领域的主流选择。然而，在航空航天、深海探测、车载电子等恶劣应用环境中，塑封器件面临严峻挑战。高温高湿、低气压、强振动及剧烈温差变化等极端条件，会显著加剧因环氧模塑料自身吸湿特性、以及塑封体与芯片、引线框架、基板等多种材料间热膨胀系数不匹配所引发的可靠性问题，进而诱发器件内部腐蚀、塑封体开裂、界面分层等多种缺陷，限制了其在高可靠性要求场景中的广泛应用。

二、失效模式

由于塑封材料的固有特性及其与内部组件在物理、化学性能上的差异，塑封器件在经受机械、热、湿气、化学或电应力时，容易出现多种物理失效，其中最常见的包括分层、断裂和腐蚀。

1.分层

分层是塑封器件中最普遍的失效模式之一，指封装体内相邻材料界面的分离。主要类型包括：模塑料与芯片表面分层、模塑料与引线框架/基板分层、芯片与贴片胶分层，以及贴片胶与框架/基板分层等。引发分层的主要因素包括外界湿气侵入、温度循环、环境湿度变化及工艺残留应力等。尤其在芯片贴片区、键合点等关键区域发生分层时，可能导致芯片背部电势异常、键合点脱开或导线断裂，进而引起电性能失效。

2.腐蚀

模塑料具有一定的吸湿性，环境中潮气可透过塑封体或沿其与框架/基板的界面渗透至器件内部，并在芯片表面、键合点及金属互连处积聚。在电场或离子污染作用下，可能引发电化学腐蚀，导致金属导线、焊盘或键合点腐蚀。腐蚀会进一步造成器件电参数漂移、漏电流增大，甚至引起开路或短路等致命失效。

3.断裂

由于模塑料、框架/基板与硅芯片之间存在显著的热膨胀系数差异，在温度剧烈变化或多次温度循环中，各材料因热胀冷缩不协调而产生较大内应力。当该应力超过材料本身的强度极限时，即可能引发断裂。最常见的断裂形式是硅芯片的脆性断裂，此外模塑料本体或界面处也可能发生开裂。

4.其他

电迁移：在大电流密度作用下，金属互连（如键合线、铜柱）内的原子发生定向迁移，形成空洞或晶须，导致电阻升高或断路。

热载流子注入：在高电场下，载流子获得足够能量注入栅氧层，引起器件阈值电压漂移、跨导退化，影响长期可靠性。

界面退化：在高温、高湿或偏压条件下，塑封体与芯片钝化层、金属层之间的粘接界面可能发生化学降解或离子污染，导致绝缘性能下降或漏电。

气密性失效：塑封体本身不具备气密性，在高压、高湿或腐蚀性气氛中，外部污染物更易侵入，加速内部腐蚀、枝晶生长等失效进程。

三、可靠塑封技术

1）材料体系创新：提升“体质”

1.低应力/低CTE模塑料：通过添加无机填料（如二氧化硅）或采用新型树脂基体，降低模塑料的热膨胀系数（CTE），使其与芯片、基板更匹配，减少热应力导致的翘曲和开裂。

2.低吸湿性材料：开发疏水性更强的树脂体系，或采用表面改性技术，降低材料的吸湿率，从源头上减少水汽侵入导致的腐蚀和“爆米花”效应。

3.耐高温材料：针对高温应用（如汽车引擎舱），使用高玻璃化转变温度（Tg）的环氧树脂或特种工程塑料（如PEEK、LCP），确保在高温下仍能保持结构稳定。

4.框架/基板

塑封器件的框架材料主要为铜和4J42合金。QFN和QFP类器件通常采用铜框架。研究表明，铜框架表面经棕化处理后与模塑料的结合强度优于镀层框架。为满足贴片与键合工艺要求，常在贴片区和键合点位置进行局部镀银。另有研究指出，银镀层与未经棕化处理的铜框架相比，结合强度更高，这得益于银层较软，在模压过程中模塑料中的二氧化硅填料可嵌入银层，形成机械互锁，增强结合。

QFN类框架：多采用半刻蚀结构，在贴片区周围设计环形或“X”型半刻蚀图形，模塑后与模塑料形成机械互锁，提高结合强度，如图所示。

QFP类框架：通常在贴片区周围设置贯通孔，既能实现机械互锁，又能在热应变时释放芯片与框架间的应力，提升可靠性。

高可靠QFN框架设计示例

2）封装工艺

1.模塑工艺

模塑工艺主要包括传递模塑和压缩模塑。传递模塑因成本低、产量高而为主流；压缩模塑则适用于薄芯片、多芯片及晶圆级封装，其模具可小范围调整模塑高度。在传递模塑中，需优化模具温度、合模压力与时间等关键参数，以防止冲丝、气孔等缺陷。

塑封料在模塑中受热熔融，流动并填充框架表面经棕化处理形成的微蚀坑，通过机械互锁增强结合。为提升界面粘接强度，可在模塑前于器件表面涂覆附着力促进剂（如硅烷偶联剂）。

模塑后常需进行数小时后固化，其温度低于模塑温度。后固化时通常在器件上方施加配重，以抑制模塑料固化收缩导致的框架/基板翘曲。

2. 贴片工艺

芯片与框架/基板之间存在明显的热膨胀系数差异，芯片厚度越大，在温度变化时产生的热应力也越大。综合考虑薄芯片在柔韧性、散热性能及成本方面的优势，通常建议将芯片厚度控制在150–200μm范围内。

根据芯片背面电位的要求，通常采用导电胶或绝缘胶对芯片进行固定。贴片胶的固化温度与时间不仅影响粘接强度，若固化不充分，胶内残留的水汽在器件后续回流焊过程中易引发“爆米花”现象。研究表明，贴片胶的杨氏模量越大，在热应变作用下芯片与基板的翘曲变形及芯片内部的最大等效应力也越大。因此，为减少贴片工艺中的翘曲变形并降低芯片应力，应在允许范围内尽量选用杨氏模量较低的贴片胶。塑封器件在回流过程中贴片胶界面可能出现分层现象，其典型形貌如图所示。

塑封器件回流过程中贴片胶界面出现分层

3）工艺与后处理技术：构筑“屏障”

高可靠塑封的实现不仅依赖于材料与结构，更需借助精密可控的制造工艺与针对性的后处理技术，在关键界面和整体封装体外构筑多重防护“屏障”，以抵御外界严苛环境的侵蚀与内部应力的破坏。

等离子体清洗：在塑封工序前，采用氧气、氩气或混合气体等离子体对芯片表面、基板焊盘及引线框架进行轰击清洗。此过程能高效去除有机污染物、氧化物及微量杂质，显著活化和清洁界面，使后续模塑料或贴片胶能与基底形成更强、更稳定的物理与化学结合，从根本上降低因界面污染导致的分层风险。

界面增粘技术：在清洗后的洁净表面，通过旋涂、喷涂或气相沉积等方法施加硅烷偶联剂等界面处理剂。这类分子一端可与无机表面（如SiO₂、SiN钝化层、金属）形成化学键，另一端则与有机的模塑料树脂发生反应或纠缠，从而在两种性质迥异的材料间建立起牢固的、持久的化学桥接，极大增强界面粘附强度和抗水解能力，其效果远优于仅依靠粗糙度形成的物理互锁。

三防漆：为塑封体提供额外的外防护层。常用的聚对二甲苯等材料可通过气相沉积工艺形成几微米至数十微米厚、无针孔、保形性极佳的均匀薄膜。该薄膜具有极低的水汽渗透率和优异的介电性能，能有效阻隔外界湿气、盐雾、酸碱气氛及污染物离子的侵入，显著延缓内部金属线路的电化学腐蚀和绝缘性能退化，是提升塑封器件在潮湿、污染环境中长期可靠性的关键后处理步骤。

预成型料与转移模塑工艺优化：采用固态片状或饼状预成型料，而非传统粉末或颗粒料进行转移模塑。预成型料在模具中受热熔融后，其流动性更均匀、粘度更稳定，可减少因熔体前沿紊流对细金线造成的冲击，有效抑制“冲丝”现象。同时，固态进料方式减少了模腔内挥发性气体的产生，有利于降低空洞缺陷，并能实现更精准的计量与更一致的填充，从而整体提升成型质量与可靠性。