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【关注】电子封装可靠性:过去、现在及未来(下)
上传更新:2022-04-26

转自由半导体在线整理自机械工程学报

第 57 卷第 16 期 

2封装胶。在 LED 封装过程中,通常采用环氧树脂或硅胶作为封装胶。但由于环氧树脂容易出现老化变黄,严重影响出光效率[105],而硅胶具有更好的光-热稳定性,透光率也很高,所以在封装过程中常用硅胶作为封装胶体。硅胶对不同颜色的光透光率通常能达到 97%以上。提高 LED 封装胶折射率可有效减少芯片和封装材料界面上的全反射,因此高折射率、高透光率的封装材料对于提高取光效率也很重要。目前主要产品来自美国道康宁公司,其推出的高折射率硅胶比传统的环氧树脂材料具有更好的光-热稳定性,透光率也很高,因而能显著改善 LED 的光学性能。国内外学者通过开发或者改良工艺,也实现了硅胶质量的提升。在封装胶中掺杂高折射率的散射粒子,可以提升封装胶的折射率, 减少界面全反射, 从而提升取光效率。

掺杂的粒子包括纳米 TiO2粒子、 ZnO粒子。WANG 等将二氧化钛纳米颗粒掺杂入硅胶中,如图 8所示。结果表明将蓝光 LED 芯片上硅胶分为两层,接触芯片的一层掺杂二氧化钛颗粒,上层为纯硅胶,在 20 mA 和 80 mA 工作电流时,可以将光通量分别提升 3%和 5%,在老化试验中,发现光通量衰减情况得到一定程度抑制。

3固晶材料。良好的散热对于大功率 LED 封装至关重要, 是保障 LED 能够维持高光学性能的前提条件,是实现 LED 封装高可靠性的重要内容。解决 LED 封装散热的最主要的方法是利用高导热的界面材料和基板材料降低芯片到外部环境的热阻,将芯片的热量快速传导到外部的散热器中。LED 芯片产生的绝大部分热量是通过固晶层向下传导,因此固晶层不仅起到固定 LED 芯片的作用, 而且是热量传递的必经路径,是散热关键,因而需要降低固晶层热阻。目前采用的主流方法为采用高导热率的固晶材料。

由于成本较低、工艺温度较低,绝缘胶为早期应用产品;随着功率的增大, 由于绝缘胶热导率低,己经很少使用。目前主流的固晶材料是导电银胶和共晶焊料。导电银胶主要成份为银粉和树脂,具有一定的导电性,热导率大于 2 W/m·K,但含有一定的有毒物质,比如铅。LED 封装功率越来越大,固晶材料需要更高的热导率,因此人们制造了金锡、锡银铜等共晶焊料,将热导率提升到60 W/m·K 以上,而且共晶焊料已经成为目前市场上大功率 LED 主流固晶材料。为了使得 LED 寿命延长,应用更加广泛,大量学者将研究热点集中于提升材料热导率,主要为掺杂高热导率材料,如掺杂金剛石、 碳纳米管、 纳米银等。

国外学者将银胶、锡银铜焊料及加入碳纳米管的焊料分别进行研究试验,结果证实具有碳纳米管的焊料热导率更高,更能减小固晶层界面热阻。陈明祥老师课题组通过研究发现,当固晶材料热导率提升时, 固晶层界面热阻降低, 使得封装总热阻降低,可以增加 LED 的光输出。

4封装基板。芯片产生的热量主要有三个导热路径,一是通过封装胶向环境散热,二是通过引线和引脚传热,三是通过固晶层和封装基板向下传热。其中绝大部分热量通过固晶层和封装基板传导。封装基板的主要性能围绕可靠性和散热性,就需要考虑热力学性能,因此要有高热导率和适当的热膨胀系数。

金属芯印刷电路板(Metal core PCB, MCPCB)于20 世纪 60 年代在美国研发制造,其中金属基板具有很好的散热性能,但往往热膨胀系数不满足匹配性要求。普通的 MCPCB 由于中间的绝缘层的热导率很低,只有 2~10 W/m·K,因此,尽管基板中金属的热导率很高, 但整体热阻仍高达 50 K/W。中国台湾钻石科技则采用类钻碳涂层取代 MCPCB中的有机绝缘层,大幅提高了热导率和耐热性。韩国研究学者将铝基板进行氧化试验,使得一面产生了氧化铝(Al2O3),从而使基板热阻得到了有效降低。陶瓷材料由于具有良好的绝缘性和热导率,在制造封装基板方面已经有了广泛应用,其热膨胀系数匹配性能也较好。主要有低温共烧陶瓷(Low temperature co-fired ceramic,LTCC)、覆铜陶瓷基板(Direct bonding copper, DBC)、直接镀铜基板(Direct plate copper, DPC)等种类。韩国学者通过在基板上制备银过孔,增强了基板热导率,同时有效减小了热阻。LTCC 基板在 21 世纪初由美国专家制造应用,由于结构简单,热界面少,大大提高了散热性能。美国LORD 公司开发的 Anotherm 阳极氧化铝基板己成功应用于大功率LED 封装。

铝基板与 Al2O3 陶瓷基板、 AlN 陶瓷基板最大的区别在于铝基板中有一层热导率低的绝缘层,严重影响了铝基板的整体导热性能。S.H.Shin 金属铝基板有选择性地进行氧化,并在基板上面封装微米级 的 功 率 型 单 片 微 波 集 成 电 路 芯 片 (Monolithic microwave integrated circuit, MMIC), 不仅具有良好的导热性能,而且还降低了封装成本,简化了基板 制 造 工 艺 。金 属 基 复 合 材 料 (Metal matrix composite, MMC)基板具有更好的热膨胀系数匹配性能。国外学者通过试验制造了在 LED 封装中可实用的 Al-SiC 复合基板,热导率得到提升的同时,热膨胀系数也可以调节。Al-SiC 热膨胀系数与芯片相近,强度和硬度都超过了铜和铝,但离大规模的产业化应用仍有一段距离。

硅材料热导率更高,力学性能更好,中国台湾的 LED 产品中己经将 DPC 工艺技术应用到了硅基板制备中。香港科技大学的研究学者通过刻蚀出硅通孔,提升了硅基板的散热性能,同时与荧光粉涂覆工艺相结合, 使得 LED 热性能得到提升。

 

2.2 功率电子封装可靠性研究

功率模块用于电力控制,对高效的能量转换起着关键作用。近年来,利用宽带隙半导体(如 SiC 和GaN)的功率电子模块得到了关注与发展,其工作温度预计在 200℃以上, 功率模块封装在 200℃以上的高温热—机械疲劳老化挑战极其严峻。因此,研究高可靠性、长寿命的功率模块非常必要。对功率器件的研究从 20 世纪 90 年代就开始了,功率模块结构完整性研究主要集中在功率器件的状态监测和剩余寿命估计。

目前 基 于 计 算 机 辅 助 工 程 (Computer aidedengineering, CAE)的应力分析、断裂力学和材料强度分析已被广泛应用于确保功率电子器件封装结构完整性。例如,以往功率器件封装的结构完整性的关键是芯片和键合线之间的连接(线键合位置)以及芯片和铜基板之间通过封装互连材料实现连接。在功率模块工作时,这些封装互连受到周期性的温度变化作用,由于功率模块的封装材料间 CTE 不匹配,从而导致其承受显著的循环热应力,极易导致热-机械疲劳现象。热-机械疲劳可能导致模块封装引线断裂和封装互连的裂纹产生与扩展。亟须发展功率电子模块中键合引线和连接层的热-机械疲劳寿命的估算方法, 实现功率电子器件的封装结构完整性设计。这就要求我们掌握失效原因,并开发准确的寿命预测方法。

近些年来,研究人员提出了一些基于温度范围的引线寿命预测模型。它们包含引线脱落寿命公式和连接层开裂寿命预测模型。但是该模型为了拟合试验数据,需要确定与物理量有关的常数,而鉴于功率模块复杂的工况,使得这种方法的模型使用仅限于某一功率模块,不同的模块和工况需要进行新的参数拟合和修正。随后有学者就提出了基于非弹性应变范围Δεin 的引线脱落和连接层裂纹的寿命预测模型,以及非线性断裂力学参数 J型积分范围ΔJ [156]和非线性断裂力学参数 T*型积分范围ΔT*的寿命预测模型[157]。由于它们均是直接影响热疲劳的物理参量, 因此均比基于温度范围ΔT 的寿命预测模型更简单。

除寿命预测理论模型外,针对功率器件的封装寿命预测还需要注意:由于引线键合的焊点尺寸非常小,针对引线键合的寿命预测中,其裂纹扩展寿命常常忽略不计,但对于功率模块的连接层十分必要考虑裂纹扩展的寿命。可以考虑采用基于 Paris定律给出的疲劳裂纹扩展速率来准确预测连接层的开裂行为;以 ANSYS 等为代表的商用有限元软件目前不提供标准的基于连续损伤力学和共聚力模型的寿命预测方法函数调用,因此,急切需要在商业有限元软件中增添这些方法函数或开发新的专用有限元软件;机械载荷试验应更多的用于获得Coffin-Manson 定律型的疲劳特性以及 Paris 定律型的疲劳裂纹扩展特性, 而不是耗时且不精确的热循环试验和功率循环试验。这是因为在功率循环试验中,由于从 VCE 获得的温度是半导体芯片的平均温度,而不是失效位置的局部温度,因此使用基于通过集电极-发射极电压 VCE 评估的温度范围ΔT 的故障模型不适合评估局部故障的寿命,而其局部温度才是影响功率电子模块中键合引线脱落失效的关键因素。

 

2.3 微电子芯片封装可靠性研究

微电子封装产品在生产制造、应用使用和存贮运输过程中所承受的外在环境因素(如湿气、温度、振动、粉尘等)都会对影响到封装产品的可靠性,使其遭受各种物理或化学的失效形式,主要失效机理包括:翘曲变形、剥离分层、疲劳断裂、磨损腐蚀等。其中封装中的湿气问题一直是困扰电子封装行业的难题之一,刘胜团队最早开始针对封装中的界面问题开展研究, LIU 等在 1995 年即开始界面湿气问题的测试和建模。

(1) 倒装芯片封装可靠性。倒装芯片(Flip-chip,FC)封装技术最早是由 IBM 公司引入,具体的工艺步骤如图 9 所示。当时,主要的设计目是为了克服手工引线键合成本高、可靠性差和生产效率低的缺点。目前,在计算机、通信等领域,倒装芯片封装技术已经获得了相当程度的应用,并且呈高速增长的趋势。

尽管倒装芯片封装有很多优点(如互连引线短、封装密度高),但倒装芯片封装还有很多可靠性方面的问题待解决,如多种材料和多界面的存在使其更脆弱(界面分层、裂纹扩展等)、无铅焊料的使用使其回流焊所需温度更高而更易导致应力/应变集中以及无铅焊料本构模型的选择和寿命评估等。导致倒装芯片封装结构出现可靠性问题的其中一个主要原因就是:芯片与基板的 CTE 的失配(芯片:2.5~3ppm/K, Al2O3 陶瓷基板:5~6 ppm/K, FR4 电路板:16~20 ppm/K )。1987 年, Nakano 提出,将环氧树脂中掺入 SiO2 颗粒制成的底充胶,填充在芯片与基板之间的空隙,能够使芯片与基板间的热失配得到一定程度的缓解,而且可以大幅度提高焊点的热疲劳寿命(能提高 10~100 倍)。TSUKADA 等使用有机材料印刷电路板作为基板,然后用环氧树脂填充芯片与基板间的间隙,结果显示其性能可以与昂贵的陶瓷基板相媲美。有分析计算指出,焊点间隙充胶后,焊点主要应比没有充胶时要减小 75%到 90%。

底部填充胶的使用对倒装芯片封装可靠性的提高是显而易见的,但是底部填充胶引入的同时又出现了另一个可靠性问题。在很多倒装芯片封装热循环测试过程中,芯片和底部填充胶界面间往往会发生分层,这对倒装芯片封装的可靠性有着巨大的影响。而且有文献已经指出,底部填充胶与芯片间的界面分层成为倒装芯片封装主要失效模式之一。所以,随着倒装焊技术的快速广泛应用,对不同界面分层的萌生及其扩展行为进行深入的研究是有必要的。

多层结构和多个界面是倒装芯片封装乃至高密度封装中普遍存在的现象。界面分层失效得到越来越多的重视并逐渐成为整个产品性能和可靠性方面关心的重要问题之一。刘胜课题组通过三点弯曲试验,测定了倒装芯片封装中底部填充胶和芯片界面间的断裂韧度和相对应的相角,并将高温摩尔纹测试和有限单元法相结合,找到了一种评估电子 封 装 界 面 分 层 长 度 的 新 方 法。1998 年,TSUKADA 等利用光学传感器试验测得热循环加载条件下胶/金属片界面间的热疲劳分层扩展速率。2000 年, LAU 等利用有限元模拟仿真技术,进一步研究了倒装芯片封装中的典型界面分层裂纹的传播方式。芯片与底部填充胶界面间分层扩展机理仍值得做进一步研究。

有文献表明, 在电子封装所有可能的失效式中,焊点失效是其中的一个主要原因,所以焊点的可靠性在整个电子封装可靠性中都占有重要地位。目前,焊点寿命预测模型多种多样,按照焊点变形机制和失效模式的不同,大致可分为四类:基于塑性应变的模型、基于蠕变的模型、基于能量的模型以及基于断裂参量的模型。由于便捷性、易操作性和合理性,以基于塑性变形的 Coffin-Manson 公式为代表的寿命预测模型被广泛使用;之后, Norris 和Landzberg 用热循环加载频率因子 f 和最大温度因子Tmax 对传统的 Coffin-Manson 方程进行了修正, 得到了焊点寿命预测的经验模型。

对于这四种寿命预测模型,到底哪一种模型能更准确地对焊点寿命予以预测,目前为止业内还没有达成一致。因此,针对倒装芯片封装,找到一种能够相对准确预测焊点寿命的模型并揭示电子器件正常工作时焊点的变形机制是十分有意义的。

对于倒装芯片封装, 在底部填充胶填充工艺中,难免会引入杂质或者在芯片与焊点连接的角点处难免出现未填满(空洞)的现象,这会对焊点寿命产生巨大影响,如刘胜的文章指出,空洞的产生会使锡铅焊点的疲劳寿命降低 20%左右。同时,失稳扩展至焊点的芯片/底部填充胶界面分层裂纹对无铅焊点疲劳寿命的影响,以及界面分层和空洞对无铅焊点寿命的影响大小比较都还有待做进一步研究。


(2) 硅通孔可靠性。随着电子封装更高密度、更大集成度的要求的出现,系统级集成封装便应运而生,三维异质集成可以将电子、流体、光学等器件集成在一个模块里,以满足其多功能性。但集成封装技术仍带来一些信号延迟、噪声等问题。利用硅通孔(Through silicon via, TSV)技术实现芯片的三维堆叠,可以避免由于引线键合带来的一系列问题。同时,通过芯片与基板之间的中介层,可以实现三维系统级封装。硅通孔三维封装技术通过在芯片之间制作垂直通孔,实现不同芯片的信号传递,大大改善了芯片的转化速度;减小信号传输过程中的寄生损失,能够实现更低功耗和更短的互连长度,满足电子器件的多功能和小型化要求。如图 10 为所示为 8 层三维闪存芯片堆叠封装结构。

由于硅通孔需要特殊的制造工艺和结构,随之而来也有一系列可靠性问题。比如硅片的减薄技术也尚未完全成熟。在对硅片进行刻蚀通孔之后填充金属,孔的深宽比直接影响着电镀效果,高深宽比会带来一些制造缺陷,如果深孔电镀的工艺参数选择不当,就会导致电镀后的铜柱中存在缺陷。如图 11 所示,硅通孔电镀铜柱的 X 射线图和截面光学图中显示铜柱存在一些裂纹,也有部分空洞散落其中。这些缺陷会对硅通孔的长期可靠性产生直接影响,最终导致硅通孔的性能不能满足工作要求。也有一些工艺过程中导致界面剥离缺陷等,将影响硅通孔结构以及三维封装整体的可靠性。

不仅制作工艺过程中会有一些不利因素,当半导体器件暴露在一定的高温环境下,材料的热失配现象出现,引起热应力分布不均,也影响器件工作的稳定性。在器件工作阶段中,过高的温度差也会引发严重的封装器件可靠性问题。目前,基于三维封装分析以及可靠性试验等仍处于不断摸索的研究阶段,相关的可靠性加速试验方法和可靠性标准尚未完全建立起来。常见的失效模式和失效机制如表2 所示。而失效机制和模式与硅通孔的制作工艺过程也密切相关。在制作 TSV 工艺过程中,如果出现操作不当,则会导致填充金属铜中出现空洞,且在热膨胀系数失配引起的热应力作用下,分层现象很容易出现,甚至会在不同材料的界面上出现裂纹等缺陷,而这些缺陷会影响封装的长期可靠性。

3 展望

随着市场对电子器件更强功能和更小尺寸的不断追求,未来电子制造技术将主要朝着两个方向发展,如图 12 所示。

(1) 深度摩尔定律(More Moore)。在这一技术路线上,电子制造技术将延续 CMOS 器件小型化的发展方向,通过器件结构、沟道材料、互连引线、高介质金属栅、光刻工艺等各方面持续发展,以延续摩尔定律继续发展。但是, 随着特征尺寸的不断下降,栅极氧化层的厚度逼近原子尺度, 器件级的量子效应也愈发明显,漏电更加严重,导致晶体管的特性更加难以控制。因此,业界普遍认为摩尔定律正在接近物理极限,制造工艺进步的代价也越来越高。

(2) 超越摩尔定律(More than Moore)。超越摩尔定律则更加强调功能的多样化,是由应用需求驱动的。深度摩尔定律(More Moore)主要满足了用户对于计算和存储的需求。而超越摩尔定律则更加注重功能的多样化和集成化,如射频电路、 MEMS 传感器、电源管理等功能。因此,超越摩尔定律主要有以下内涵:随着时代的发展,芯片价值的提升除了传统的更高性能以外,新的功能更加重要。用户除了传统的计算和存储需求, 还有传输、 参数感知、智能化等,以满足对物联网、生物医疗电子等多方面的需求;芯片集成度的提高也可以通过封装技术来实现,而不一定需要通过同一种先进制程把更多的模块集成到统一芯片上。如模拟/射频/混合信号等模块并不需要最先进的芯片制程工艺,可通过更加成熟的工艺实现最佳性能。而数字模块则可以应用先进工艺。不同工艺路线制造的模块通过封装技术集成到一起,同样可以实现强大的综合性能和优异的集成度,这种集成方式即异质集成。异质集成技术目前已逐渐成为工业界和学术界的重点发展方向之一。同时其潜在的失效机理和模式也更加复杂,呈现出多尺度、多积累复合失效的特征。为应对这一问题,发展电子器件、模块、系统的在线监测技术显得更加重要。同时,在器件可靠性设计优化过程中,跨阶段协作的、复合场可靠性预测及试验分析也是电子器件未来发展的重要方向。

 

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