水汽或结构对塑封电子器件可靠性的影响研究

张延赤

（退休高级传塑封装工程师，湖北 武汉 430060）

1 引言

传塑封装微电子器件在回流焊时的可靠性是微电子行业内最关心的问题之一。当一个具有不良可靠性的微电子器件通过红外回流焊接炉（IR）最终被焊接在印刷线路板（PCB）上时，就会发生裂纹、脱层和鼓胀等致命的缺陷。这不仅导致器件本身的损坏，而且使表面安装技术（SMT）的效率大大降低。从事电子器件研究和生产的工程师们为了改进电子器件的可靠性已经做了大量的工作。究竟什么是决定电子器件可靠性的首要因素呢？众所周知，作为塑封材料的聚合物，例如：当环氧树脂模制化合物暴露在潮湿的环境下时，就具有很强的水汽吸收性[1-4]。因此，多年以来盛行的 “水汽作用”理论认为，那些致命缺陷的形成是由于传塑封装工艺中已经固化的聚合物（塑封体）从空气中吸收了水汽；当其在IR炉内快速加热时，就会导致水汽膨胀而引起塑封体内致命的缺陷。因此，过IR炉前的长期预烘干（一般是24 h）就成了保证器件可靠性的主要方法。为了烘干，我们必须延长生产周期，开动大量的烘干设备和消耗大量的电能和人力。即使如此，这种方法在生产中仍然常常遇到难以克服的困难，上述的致命缺陷随时可能发生。因此，这种改进器件回流焊可靠性的 “水汽作用”理论本身就是不可靠的。

本文作者是一位多年从事微电子器件传塑封装工艺研究的高级工程师。在从业的初期，我也相信“水汽作用”理论，并在操作中严格执行预烘干程序。但是，后来由于生产中的几个失效并成功改进的案例使我改变了原来的观点，并树立了一个新的观点，即 “结构强度”是决定电子器件可靠性的首要因素。这些产品失效以及运用 “结构强度”的方法而成功改进可靠性的案例如下所述。

2 产品失效以及运用 “结构强度”方法成功改进可靠性的案例

2.1 案例I：塑封体的厚度（也即强度）必须被保证

a）产品型号

ST1818。

b）结构和制造过程

它是一种非常普通的微电子器件。把8个磁芯线圈分成两排，每排4只，位于器件的中央。它们的线端分别同引脚架上相应的引脚垂直部分相连，使用手工焊锡工具和焊锡将线端与引脚焊起；使用粘结剂将线圈和引脚的垂直部分固定成为一个整体，并烘干；然后，传塑成形、冲裁引脚架和弯曲引脚，一个完整的器件就制成了。

c）失效现象

该产品是一个已经正常生产多年的老产品。回流焊之前预烘干24 h。但是在近期过IR炉时约有10%器件的塑封体上发现严重开裂或脱层，即有人称之为 “爆米花”的现象[3]。多数裂纹或脱层发生在塑封体较薄的地方或者引脚水平部分排成一排的分型面处。

d）原因分析

1）过量使用的粘结剂占据了本应该属于塑封体的空间（由新手操作者的错误操作引起），这将导致此处的塑封体变薄和器件结构强度降低。在因红外回流焊炉的快速加热而引起的热应力的作用下，就发生了裂纹或脱层。

2）分型面上的引脚水平部分被粘结剂污染，这样此处的塑封体上下两部分将处于不连续状态。在因红外回流焊炉的快速加热而引起的热应力的作用下，器件就会非常容易地被对分。

e）结构改进

在粘结剂的固定效果被保证的条件下，应该严格控制粘结剂的用量，并且应防止分型面上的引脚水平部分被粘结剂污染。

f）结果

没有再次发生裂纹或分层。器件的生产又恢复正常。

g）结论

对于器件的可靠性而言，器件塑封体的力学结构（塑封体厚度或器件强度）和水汽作用相比是更重要的因素。

2.2 案例II：消除应力集中

a）产品型号

D3247。

b）结构和制造过程

除了多了一个线圈槽以外，该产品和案例I中的产品一样，也是一种非常普通的微电子器件。设计者采用线圈槽的目的是为了便于器件内部磁芯线圈的装配以及引脚垂直部分和线圈线端的连接和机械浸锡。把8个磁芯线圈分成两排，每排4只，被粘结剂固定于一个线圈槽内，并烘干；将线圈槽倒放于器件的中央，引脚架上的引脚垂直部分和线圈上的线端分别嵌入线圈槽两侧的相应矩形波式凹槽内，靠引脚垂直部分的弹性将线圈槽锁住。然后将引脚垂直部分浸入锡浴机内，相应的线圈线端和引脚垂直部分就被焊在一起；然后传塑成形、冲裁引脚架和弯曲引脚，一个完整的器件就制成了。

c）失效现象

回流焊之前烘干24 h，但是在过IR炉时大约2%器件的塑封体上发现裂纹。多数裂纹发生在器件顶部引脚垂直部分尖端的塑封体处。

d）原因分析

为了便于机械浸锡，设计者选择了过长的引脚垂直部分的长度，致使两排引脚垂直部分的尖端深深地插入到器件顶部的塑封体内。当在红外回流焊炉的快速加热下就可能成为热应力集中源。

e）结构改进

在保证机械浸锡效果的前提下，应尽量地减少器件顶部引脚垂直部分的长度。

f）结果

没有再次发生裂纹。

g）结论

对于器件的可靠性而言，消除器件力学结构（塑封体）中的应力集中源非常重要。这是一种用“水汽作用”理论无法解释和预烘干也无法从根本上避免的失效现象。

2.3 案例III：塑封体的结构增强措施

a）产品型号

H1150。

b）结构和制造过程

该产品的结构和制造过程与案例II中的D3243基本相同，但是其外型尺寸要大得多，值得欣慰的是，这次设计者所选择的器件内部引脚垂直部分的长度是合适的。

c）失效现象

该产品是一个新试制的产品。回流焊之前烘干24 h，但是在过IR炉时，大约10%器件的塑封体上发现裂纹或分层。由于可靠性很差，长期不能投产。

d）原因分析

和产品型号D3247一样，设计者采用线圈槽的目的是为了便于磁芯线圈装配和机械锡浴钎焊，但是却给器件的结构强度带来不利的影响。它的封闭的底面与器件顶部塑封体的结合非常薄弱。特别是当器件外形尺寸（跨度）较大而顶部塑封体的厚度又不够大时，顶部塑封体的结构强度和刚度将会十分脆弱。在回流焊快速加热的热应力的作用下将产生过度的弯曲变形，开裂或脱层就是理所当然的了。

e）结构改进

在线圈槽封闭底面的中心开一个大约φ2的孔，在用粘结剂装配线圈时不得将孔堵住。其它有关结构和制造过程不变。在传塑封装时，器件上下两部分的塑封体是相通的，并沿着孔形成一根在结构力学上称之为增强拉杆的封装料，器件整个塑封体的结构强度和刚度将大大增加。

f）结果

没有再次发生裂纹和分层。

g）结论

很多结构力学上的增强措施都可用于微电子器件的结构设计，以提高其可靠性。

2.4 案例IV：超负荷试验

a）无预烘干样品的回流焊试验

上述3种产品（ST1818、D3247和H1150）的非改进型和改进型样品在过回流焊之前不给予预烘干，直接进行回流焊可靠性试验。试验结果是，非改进型样品的失效比例分别大约是0%、10%和30%；但是改进型样品的试验惊人地表明没有发现任何开裂或分层现象。

b）无预烘干样品在高温度峰值下的回流焊试验

上述3种产品（ST1818、D3247和H1150）的改进型样品在过回流焊之前不予预烘干，而且回流焊的温度峰值由正常的230℃提高到260℃。试验结果惊人地表明没有发现任何开裂或分层现象。

c）水中浸泡和高温度峰值下的回流焊试验

上述3种产品（ST1818、D3247和H1150）的改进型样品在回流焊试验前在水中浸泡2 h，然后在空气中晾干24 h，回流焊的温度峰值由正常的230℃提高到260℃。试验结果惊人地表明没有发现任何开裂或分层现象。

3 结论和讨论

3种产品（ST1818、D3247和 H1150）的失效、结构改进和IR结果如表1所示。

表1 产品失效、结构改进和IR结果

a）由上述产品失效及其结构改进案例可以得出的结论是：决定器件回流焊可靠性的首要因素不是水汽，而是器件本身的力学结构。具有合理力学结构的电子器件将具有优异的回流焊可靠性。当它们通过IR炉时，所有的致命缺陷均可避免，且无须预烘干。笔者暂时把这一新 “思维”称为 “结构强度理论”。

b）“水汽作用理论”也有一定的道理。对于那些力学结构不太合理（例如D3247）或不合理（H1150）的器件而言，预烘干对可靠性有一定的贡献。然而数十年来人们在这方面的研究花费了过多的精力，每年在杂志上公开发表的论文都多不胜数。

c）按照 “结构强度理论”和 “水汽作用理论”的逻辑关系，认为前者包容了后者，是更普遍的真理，正像相对论力学包容了牛顿力学一样。

d）唯物辩证法认为 “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。作者认为 “水汽作用理论”仅述及了器件失效的外因，而真正的内因应该是其 “结构强度”。摩天大楼经受强烈的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？

e）已经具有合理力学结构的产品（例如ST1818，应该说工业中能大量、顺利生产的产品都属于这种类型）无须预烘干就具有了足够的可靠性。预烘干是多余的。

f）所有力学结构不太合理（例如D3247）或不合理（H1150）的器件都可以通过结构改进成为合理力学结构的器件。它们都具有足够的可靠性，无须预烘干。这对于节能、减少设备投资和缩短生产周期将具有何等重要的意义！

g）如果在设计器件时就能通过一定的设计规则来考虑和审查其结构强度，将会避免众多的失效现象和经济损失。等到器件设计已经定型，传塑模具已经制造好后才发现可靠性问题已经为时已晚，经济损失已经无法避免。

h）有人按照 “对水汽的敏感性”把微电子器件可靠性划分为三级[5]：敏感的、不太敏感的和不敏感的。本文作者认为这样的划分是不科学的。真正的划分依据应该是它们的力学结构：合理结构（ST1818）、不太合理结构（D3247）和不合理机构（H1150）。而且通过结构改进，不太合理结构和不合理结构都能成为合理结构。

i）目前传塑封装的微电子器件在要求 “绝对可靠”的军事工业领域还没有得到广泛的应用。据说这是因为它的可靠性问题。如果使用 “结构强度”理论从根本上解决了可靠性问题，离它们在军事工业领域内的广泛应用也就不远了。

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