浅谈常见的封装失效现象

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要讲述常见的封装失效现象。

金线偏移

金线偏移是封装环节中最为常见的失效形式之一，IC元器件往往因金线偏移量超出合理范围，导致相邻金线相互接触，进而引发短路（Short Shot），严重时还会造成金线断裂形成断路，最终导致元器件出现功能性缺陷。引发金线偏移的具体原因主要有以下几类：

（1）树脂流动产生的拖曳力。这是导致金线偏移失效的最主要诱因，在封装填充阶段，若树脂黏性过高、流动速度过快，会对金线产生持续的拖拽作用，进而使金线的偏移量随之增大，破坏金线原有的排布状态。

（2）导线架的变形。导线架发生变形的主要原因是上下模穴内的树脂流动波前不均衡，这种不均衡会导致上下模穴的模流之间产生压力差，导线架在该压力差的作用下会承受一定的弯矩，进而发生形变。由于金线连接在导线架的芯片焊垫与内引脚之间，导线架的形变会直接带动金线发生位移，最终引发金线偏移。

（3）气泡的移动。在树脂填充过程中，空气可能会渗入模穴内部，形成微小气泡，这些气泡在模穴内随树脂流动而移动，当气泡碰撞到纤细的金线时，会对金线产生冲击力，导致金线出现不同程度的偏移。

（4）过保压/迟滞保压。过保压会使模穴内部产生过高的压力，即便金线发生轻微偏移，也无法依靠自身弹性恢复到原始位置；迟滞保压则会导致作业温度升高，对于添加催化剂后反应速率较快的树脂而言，温度升高会使树脂黏性进一步增大，同样会阻碍偏移金线的弹性复位，导致偏移状态固定。

（5）填充物的碰撞。封装材料中通常会添加一定量的填充物，当填充物颗粒尺寸较大时（如2.5~250μm），这些硬质颗粒在树脂流动过程中会碰撞到精细的金线（如25μm），进而对金线产生冲击，引发金线偏移。

除上述几类主要原因外，随着多引脚集成电路技术的不断发展，封装结构中的金线数量和引脚数量持续增加，金线排布密度也随之提升，更高的金线密度会进一步放大金线偏移的影响，使偏移问题更为显著。为有效降低金线偏移量，防范短路、断路等故障的发生，封装技术人员需合理选用封装材料，精准控制各项工艺参数，减少模穴内金线所承受的应力，确保金线偏移量控制在合理范围内。

芯片开裂

IC裸芯片通常以单晶硅为原材料制成，而单晶硅晶体具有硬度高、脆性强的特点，硅片在受到外力应力作用或表面存在微小缺陷时，极易发生开裂。在晶圆减薄、晶圆切割、芯片贴装、引线键合等需要施加应力的封装工艺过程中，均有可能出现芯片开裂现象，这也是引发IC封装失效的重要原因之一。

若芯片的裂纹未延伸至引线区域，其隐蔽性较强，不易被发现。在更为严重的情况下，常规工艺过程中无法观察到芯片裂纹，即便通过芯片电学性能测试，含裂纹芯片与无裂纹芯片的电学性能指标也几乎一致，容易让人忽视裂纹的存在，但这些潜在的裂纹会严重影响封装完成后器件的可靠性和使用寿命。由于常规电学性能测试无法检测出芯片开裂缺陷，因此芯片开裂失效需通过高低温热循环实验进行排查，避免裂纹进一步扩展影响芯片的长期可靠性。

高低温热循环实验的核心原理是：不同材料的热膨胀系数存在差异，在加热与冷却的循环过程中，不同材料之间会因热胀冷缩差异产生热应力，该热应力会促使芯片内部已有的裂纹不断扩展，最终导致芯片破裂，其损伤会直观体现在芯片电学性能的异常变化上。

由上述分析可知，芯片开裂通常是由外界应力作用引发的，因此在检测出芯片存在开裂缺陷后，需及时调整芯片封装的工艺流程与工艺参数，最大限度减小各工艺环节对芯片的应力作用。例如：在晶圆减薄过程中，优化加工工艺使芯片表面更加平滑，从而达到消除表面应力的效果；在晶圆切割过程中，采用激光切割工艺替代传统切割方式，降低芯片表面所承受的机械应力；在引线键合过程中，合理调整键合温度与键合压力，减少应力对芯片的损伤等。

界面开裂

开裂现象不仅会发生在芯片内部，还可能出现在不同封装材料的交界面处，形成界面开裂。在界面开裂的初期阶段，不同材料之间仍能保持良好的电气连接，不会立即影响器件正常工作，但随着使用时间的延长，热应力作用以及电化学腐蚀会不断加剧界面开裂的程度，进而破坏不同材料之间的电气连接，严重影响集成电路的可靠性。

界面开裂的成因较为复杂，主要与封装工艺相关，其中封装应力过大、封装材料受到污染是最主要的诱因。界面开裂可能发生在金线与焊盘的连接处，导致线路断路；也可能发生在外部塑料封装体中，使封装体失去对芯片的有效保护，进而引发芯片污染。因此，需通过专业检测手段排查潜在的界面开裂缺陷，并针对性调整封装工艺，防范故障发生。

基板裂纹

在倒装焊工艺过程中，需通过焊球实现芯片与基板焊盘的连接，基板裂纹是该焊接过程中易出现的失效形式；同时，在引线键合工艺环节，也可能引发基板开裂。基板一旦出现裂纹，会直接影响芯片的电学性能，导致器件出现断路、高阻抗等异常现象，影响器件正常工作。

基板开裂的成因具有多样性，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过程中工艺参数不匹配导致的，如键合力过大或过小、基板温度过高或过低、超声功率异常等，均会引发基板开裂。

再流焊缺陷

再流焊工艺易引发晶圆翘曲问题，由于不同封装材料的热膨胀系数存在固有差异，再加上流动应力和黏着力的影响，封装体在封装过程中会受到外界温度变化的作用，不同材料之间会通过翘曲变形的方式来释放温度变化产生的内应力，其中翘曲现象在再流焊接环节最为容易发生。翘曲受多种工艺参数的影响，因此通过调整单个或一组工艺参数，即可实现翘曲现象的减少或消除。

产生翘曲的核心原因是施加在元器件上的作用力不均衡。在预热阶段，器件一端脱离焊膏的情况可能由多种因素引发，如不同材料热膨胀系数差异、焊膏涂覆不均匀、器件放置位置偏差等，这种情况会直接阻断热量的直接传导。当热量通过器件本身进行传导时，一端的熔化焊料会相对于另一端形成新月形，其表面拉力产生的扭转力矩大于器件自身重量，进而引发器件翘曲。

为改善翘曲现象，首先需严格控制焊膏印刷精度和器件放置精度。这类参数与设备操作密切相关，在生产全流程中需严格遵循生产规范，做好印刷设备和安装设备的日常维护工作，从而有效减少翘曲现象的发生。其次，需控制印刷的清晰度和精确度，这类参数会直接改变衬垫配置，同时可能增加元器件相反端点之间的受力不平衡，进而直接引发翘曲。

为降低失效风险，需定期检查印刷配准参数，发现配准错误及时纠正；定期清洗印刷模板，避免模板开口堵塞；同时检查焊膏状态，确保焊膏未出现过度干燥的情况，且支撑印刷电路板的基板需保持平坦、坚固。此外，需高度重视器件放置精度，放置不当同样会引发翘曲，为最大限度减少设备故障，需定期检查进料器，确保其基部对准；由于元器件拾取点尺寸较小，该检查环节至关重要。同时，需保证支撑印刷电路板的平台平坦坚固，精准控制放置对准精度，降低放置速度，并根据常用拾取工具的特性，确定合适的喷嘴尺寸。

由于翘曲是由器件两端受力不平衡引发的，而器件受力情况取决于焊接材料和衬垫的表面特性，因此焊接材料和印刷电路板均会对翘曲现象产生影响。对于焊接合金而言，合金在熔点时的表面张力越小，翘曲发生时产生的扭曲力就越小。目前虽尚未形成统一的合金标准评估体系，但部分厂商已尝试采用Sn/Pb/In合金，实践表明该合金对翘曲现象有一定影响，但影响程度并不显著。

不同类型的焊膏对翘曲也会产生不同影响，在其他条件保持一致的情况下，焊膏的活性越强，翘曲现象越容易发生。印刷电路板和器件表面的光滑度会影响焊膏的润湿特性，过量使用焊膏会引发翘曲，减少焊膏使用量可有效减小焊膏熔化时产生的应力作用。在再流焊过程中，若器件两端的热传递速度存在较大差异，会导致一定时间内一端受力明显大于另一端，进而引发翘曲。

锡珠也是再流焊工艺中常见的缺陷之一，其主要分布在无引脚片式元器件的两侧。若锡珠未与其他焊点连接，不仅会影响封装外观的整洁度，还会对产品的电性能产生不良影响。模板开口不合适、对位不准、锡膏使用不当、预热温度不合理、焊膏残留等，均是引发锡珠缺陷的主要原因。

针对模板开口问题，若钢网开口过大或开口形状不合理，会导致贴放片式元器件时，焊膏蔓延至焊盘外部，进而形成锡珠。为避免此类情况，通常情况下，片式阻容元器件的模板开口尺寸应略小于对应的印制板焊盘；考虑到线路板的刻蚀量，焊盘的模板开口尺寸一般为印制板焊盘的90%~95%。此外，需结合实际生产情况，灵活选择片式元器件的模板开口形状，可有效防止因锡膏过量被挤压而形成锡珠。

模板与印刷电路板的对位需精准无误，且两者需固定牢固，对位偏差会导致锡膏蔓延至焊盘外部，引发锡珠缺陷。锡膏印刷分为手工、半自动和全自动三种方式，即便采用全自动印刷，压力、速度、间隙等关键参数仍需人工设定，因此无论采用哪种印刷方式，都需合理调整机器、模板、印刷电路板与刮刀之间的配合关系，确保印刷质量达标。

锡膏需在低温环境下冷藏保存，从冷藏室取出后，若升温时间不足、搅拌不均匀，会导致锡膏吸湿，在高温再流焊过程中，吸湿的水汽会挥发出来，进而形成锡珠。因此，锡膏使用前需先恢复至室温（通常需4小时左右），并充分搅拌均匀后再进行印刷使用。

温度曲线是再流焊工艺的核心参数，主要分为预热、保温、回流、冷却四个阶段。其中，预热和保温阶段的主要作用是减少元器件和印刷电路板受到的热冲击，并将锡膏中的溶剂充分挥发。若预热温度不足或保温时间过短，会直接影响最终的焊接质量，通常保温阶段的工艺要求为150~160℃、70~90s。

生产过程中，若出现需重新印刷锡膏的情况，需将原有锡膏彻底清理干净，否则残留的锡膏会在再流焊过程中形成锡珠。因此，重新印刷前需仔细刮除残余锡膏，避免锡膏流入插孔堵塞通孔，随后对印刷区域进行彻底清理。

除翘曲和锡珠外，空洞也是再流焊工艺中的主要缺陷，空洞指的是分布在焊点表面或内部的气孔或针孔，其形成原因具有多样性。例如：焊膏中金属粉末含氧量过高、使用回收焊膏、工艺环境卫生条件较差、焊膏中混入杂质等，针对此类情况，需严格把控焊膏质量，选用合格的焊膏产品；焊膏受潮吸湿，针对此类情况，需待焊膏恢复至室温后再打开容器盖，同时控制生产环境温度在20~26℃、相对湿度在40%~70%；元件焊端、引脚、印制电路板焊盘氧化或污染，以及印制板受潮，针对此类情况，需遵循元件“先到先用”原则，避免元件长期存放于潮湿环境，且不超过规定的使用期限；升温速率过快，导致焊膏中溶剂和气体挥发不完全，进入焊接区形成气泡，针对此类情况，需将160℃前的升温速率控制在1~2℃·s⁻¹。

再流焊过程中还可能出现其他各类缺陷，具体包括：焊膏熔融不完全，即全部或部分焊点周围残留未熔化的焊膏；润湿不良，即元件焊端、引脚或印刷电路板焊盘出现不沾锡或局部不沾锡的情况；焊料量不足，指焊点高度未达到规定要求，会影响焊点的机械强度和电气连接可靠性，严重时会引发虚焊或断路，如元件断头、引脚与焊盘接触不良或完全未连接；桥连（又称短路），即元件端头之间、引脚之间，以及端头或引脚与邻近导线等电气上不应连接的部位，被焊锡意外连接；锡点高度接触或超过元件体，即焊料向焊端或引脚根部流动，导致焊料高度接触元件或超出元件表面；锡丝，即元件焊端之间、引脚之间，以及焊端或引脚与通孔之间出现细微的锡丝；元件或端头存在不同程度的裂纹或缺损；元件端头电极镀层出现不同程度的剥落，露出元件本体材料；冷焊（又称焊紊乱），即焊点表面存在焊锡紊乱的痕迹；焊锡表面或内部出现裂缝；此外，还有一些肉眼无法直接观察到的缺陷，如焊点晶粒大小、焊点内部应力、焊点内部裂纹等，这类缺陷需通过X射线检测、焊点疲劳测试等专业手段才能排查出来。