文章來(lái)源：學(xué)習(xí)那些事

原文作者：前路漫漫

本文介紹了芯片封裝失效的典型現(xiàn)象：金線(xiàn)偏移、芯片開(kāi)裂、界面開(kāi)裂、基板裂紋和再流焊缺陷。

金線(xiàn)偏移

在封裝過(guò)程中，金線(xiàn)偏移是較為常見(jiàn)的失效類(lèi)型。對(duì)于 IC 元器件而言，金線(xiàn)偏移量過(guò)大可能致使相鄰金線(xiàn)相互接觸，進(jìn)而引發(fā)短路故障；極端情況下，金線(xiàn)甚至?xí)粵_斷，造成斷路，使元器件出現(xiàn)缺陷。引發(fā)金線(xiàn)偏移的原因復(fù)雜多樣，具體如下：

樹(shù)脂流動(dòng)拖曳力：在填充階段，若樹(shù)脂黏性過(guò)高、流速過(guò)快，產(chǎn)生的拖曳力會(huì)作用于金線(xiàn)，導(dǎo)致其偏移量增大，這是金線(xiàn)偏移失效的常見(jiàn)誘因 。

導(dǎo)線(xiàn)架變形：上下模穴中樹(shù)脂流動(dòng)波前失衡，會(huì)在模流間形成壓力差。導(dǎo)線(xiàn)架受此壓力差產(chǎn)生彎矩發(fā)生變形，由于金線(xiàn)連接于導(dǎo)線(xiàn)架的芯片焊墊與內(nèi)引腳，導(dǎo)線(xiàn)架變形便會(huì)引發(fā)金線(xiàn)偏移。

氣泡移動(dòng)影響：填充過(guò)程中，空氣進(jìn)入模穴形成小氣泡，氣泡在模穴內(nèi)移動(dòng)時(shí)碰撞金線(xiàn)，也會(huì)造成金線(xiàn)一定程度的偏移。

保壓異常：過(guò)保壓會(huì)使模穴內(nèi)壓力過(guò)高，導(dǎo)致偏移的金線(xiàn)無(wú)法彈性恢復(fù)；遲滯保壓則會(huì)引起溫度上升，對(duì)于添加催化劑后反應(yīng)活躍的樹(shù)脂，高溫使其黏性進(jìn)一步增加，同樣阻礙金線(xiàn)恢復(fù)原狀。

填充物碰撞：封裝材料中添加的填充物，若顆粒尺寸較大（如 2.5 - 250μm），在封裝過(guò)程中與精細(xì)的金線(xiàn)（如 25μm）碰撞，也可能致使金線(xiàn)偏移 。

此外，隨著多引腳集成電路的發(fā)展，封裝內(nèi)金線(xiàn)數(shù)量與引腳數(shù)目不斷增加，金線(xiàn)密度隨之提升，這也使得金線(xiàn)偏移現(xiàn)象更為顯著。為有效減少金線(xiàn)偏移，防范短路或斷路問(wèn)題，封裝工程師需審慎選擇封裝材料，精準(zhǔn)調(diào)控工藝參數(shù)，降低模穴內(nèi)金線(xiàn)所受應(yīng)力，避免出現(xiàn)過(guò)大的偏移量。

芯片開(kāi)裂

IC 裸芯片的制造原料通常為單晶硅，這種材料雖具備高強(qiáng)度，卻因脆性大的特性，在遭受外力作用或表面存在瑕疵時(shí)，極容易出現(xiàn)破裂情況。在晶圓減薄、晶圓切割、芯片貼裝和引線(xiàn)鍵合等一系列需要施加應(yīng)力的工藝操作過(guò)程中，芯片開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)大幅增加，這一問(wèn)題已成為致使 IC 封裝失效的重要因素之一。若芯片裂紋未蔓延至引線(xiàn)區(qū)域，通過(guò)常規(guī)手段很難發(fā)現(xiàn)；更有部分存在裂紋的芯片，在常規(guī)工藝檢查與電學(xué)性能檢測(cè)時(shí)，其性能表現(xiàn)與正常芯片并無(wú)明顯差異，使得裂紋問(wèn)題極易被忽略。然而，這些隱藏的裂紋會(huì)對(duì)封裝后器件的穩(wěn)定性與使用壽命造成嚴(yán)重威脅。由于常規(guī)電學(xué)性能測(cè)試無(wú)法有效識(shí)別芯片開(kāi)裂，因此需要借助高低溫?zé)嵫h(huán)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)。該實(shí)驗(yàn)利用不同材料熱膨脹系數(shù)的差異，在加熱和冷卻交替過(guò)程中，材料間產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)促使裂紋逐步擴(kuò)展，直至芯片徹底破裂，最終在電學(xué)性能上呈現(xiàn)出異常狀態(tài)。

鑒于外部應(yīng)力是引發(fā)芯片開(kāi)裂的主因，一旦檢測(cè)到芯片存在裂紋，就必須立即對(duì)芯片封裝的工藝流程和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最大程度減少工藝環(huán)節(jié)對(duì)芯片產(chǎn)生的應(yīng)力影響。例如，在晶圓減薄工序中，采用更為精細(xì)的加工方式，提高芯片表面的平整度，以此消除潛在應(yīng)力；晶圓切割時(shí)，運(yùn)用激光切割技術(shù)替代傳統(tǒng)方法，降低切割過(guò)程對(duì)芯片表面造成的應(yīng)力損傷；在引線(xiàn)鍵合環(huán)節(jié)，精準(zhǔn)調(diào)控鍵合溫度和壓力參數(shù)，確保鍵合過(guò)程平穩(wěn)安全。

界面開(kāi)裂

開(kāi)裂問(wèn)題不僅存在于芯片內(nèi)部，在不同材料的交界位置同樣會(huì)出現(xiàn)，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為界面開(kāi)裂。在界面開(kāi)裂的初始階段，各部件之間的電氣連接尚能維持正常，但隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，熱應(yīng)力的持續(xù)作用以及電化學(xué)腐蝕的影響，會(huì)導(dǎo)致界面開(kāi)裂程度不斷加劇，最終破壞部件間的電氣連通性，對(duì)集成電路的可靠性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。封裝過(guò)程中應(yīng)力過(guò)大、封裝材料受到污染等工藝缺陷，是引發(fā)界面開(kāi)裂的主要根源。界面開(kāi)裂可能出現(xiàn)在金線(xiàn)與焊盤(pán)的連接部位，造成電路斷路故障；也可能發(fā)生在外部塑料封裝體中，降低封裝對(duì)芯片的防護(hù)性能，導(dǎo)致芯片受到污染。因此，必須采用專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)方法對(duì)潛在的界面開(kāi)裂問(wèn)題進(jìn)行全面排查，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果對(duì)工藝方案進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整 。

基板裂紋

在倒裝焊工藝?yán)?，通過(guò)焊球?qū)崿F(xiàn)芯片與基板焊盤(pán)的電氣連接，而在此過(guò)程中，基板開(kāi)裂是較為常見(jiàn)的失效模式，在引線(xiàn)鍵合環(huán)節(jié)同樣可能出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題?；逡坏╅_(kāi)裂，會(huì)嚴(yán)重干擾芯片正常的電學(xué)性能，引發(fā)斷路、高阻抗等故障，影響集成電路的整體功能。

基板開(kāi)裂的成因較為復(fù)雜，一方面，芯片或基板本身若存在材料缺陷、內(nèi)部應(yīng)力集中等問(wèn)題，會(huì)降低其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；另一方面，焊接過(guò)程中的工藝參數(shù)匹配不當(dāng)也是關(guān)鍵因素。例如，鍵合力過(guò)大、基板溫度控制不合理、超聲功率設(shè)置不精準(zhǔn)等，都會(huì)使基板承受額外應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生 。

再流焊缺陷

晶圓翹曲

再流焊工藝容易引發(fā)晶圓翹曲問(wèn)題。由于封裝體由多種材料構(gòu)成，各材料熱膨脹系數(shù)存在差異，同時(shí)還受流動(dòng)應(yīng)力和黏著力影響，在封裝過(guò)程中外界溫度變化時(shí)，封裝體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，而翹曲變形便是材料釋放內(nèi)應(yīng)力的一種表現(xiàn)形式，這種現(xiàn)象在再流焊接階段尤為突出。翹曲受多個(gè)工藝參數(shù)協(xié)同作用，通過(guò)針對(duì)性調(diào)整部分參數(shù)，能夠有效緩解或消除這一問(wèn)題。

器件受力不均衡是導(dǎo)致翹曲的主要根源。在預(yù)熱階段，因材料熱膨脹系數(shù)不匹配、焊膏涂覆不均或器件放置偏差等原因，器件一端可能脫離焊膏，阻礙熱量正常傳導(dǎo)。當(dāng)熱量經(jīng)器件傳導(dǎo)時(shí)，一端先熔化的焊料會(huì)形成新月形，其表面張力產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩大于器件自身重力，從而致使器件發(fā)生翹曲變形。

為改善晶圓翹曲狀況，可從多方面著手優(yōu)化工藝：首先，要嚴(yán)格把控焊膏印刷與器件放置精度，規(guī)范設(shè)備操作流程，定期維護(hù)印刷和安裝設(shè)備，確保生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定；其次，重視印刷清晰度與精確度控制，這直接關(guān)系到襯墊配置，若控制不當(dāng)會(huì)加劇器件兩端受力失衡，需定期檢查印刷配準(zhǔn)參數(shù)，及時(shí)修正偏差，清潔印刷模板防止堵塞，同時(shí)保證焊膏濕度適宜，支撐基板平整堅(jiān)固；最后，關(guān)注器件放置環(huán)節(jié)，定期校準(zhǔn)進(jìn)料器位置，精準(zhǔn)控制放置對(duì)準(zhǔn)，降低放置速度，合理選擇拾取工具噴嘴尺寸，并確保支撐平臺(tái)平穩(wěn)可靠。

此外，焊接材料和印刷電路板特性也會(huì)對(duì)翹曲產(chǎn)生影響。焊接合金熔點(diǎn)時(shí)的表面張力大小，與翹曲時(shí)的扭曲力呈正相關(guān)，雖目前尚無(wú)統(tǒng)一的合金標(biāo)準(zhǔn)評(píng)估體系，但部分廠商嘗試使用 Sn/Pb/In 合金，發(fā)現(xiàn)對(duì)翹曲有一定抑制作用，但效果有限。不同類(lèi)型焊膏的特性差異，會(huì)改變其對(duì)器件的作用效果，焊膏活性越強(qiáng)，越易引發(fā)翹曲；印刷電路板和器件表面的光潔度，會(huì)影響焊膏濕潤(rùn)性能，過(guò)量使用焊膏會(huì)增加熔化時(shí)的應(yīng)力，適當(dāng)減少用量有助于降低翹曲風(fēng)險(xiǎn)。在再流焊過(guò)程中，若器件兩端熱傳遞速率差異顯著，也會(huì)因受力不均導(dǎo)致翹曲現(xiàn)象發(fā)生 。

錫珠

在再流焊工藝中，錫珠是一種常見(jiàn)的缺陷類(lèi)型，多聚集于無(wú)引腳片式元器件兩側(cè)。若錫珠未與其他焊點(diǎn)相連，不僅會(huì)影響封裝外觀，還可能干擾產(chǎn)品電性能。錫珠產(chǎn)生的原因涵蓋多個(gè)方面，涉及模板設(shè)計(jì)、印刷操作、錫膏使用及工藝參數(shù)設(shè)置等環(huán)節(jié)。

從模板開(kāi)口角度來(lái)看，若鋼網(wǎng)開(kāi)口尺寸過(guò)大，或開(kāi)口形狀與元器件、焊盤(pán)不匹配，在貼裝片式元器件時(shí)，焊膏易溢出焊盤(pán)范圍，進(jìn)而形成錫珠。為規(guī)避此問(wèn)題，片式阻容元器件的模板開(kāi)口尺寸通常應(yīng)略小于印制板焊盤(pán)?？紤]到線(xiàn)路板刻蝕因素，一般將焊盤(pán)的模板開(kāi)口設(shè)置為印制板焊盤(pán)尺寸的 90% - 95%，同時(shí)還需依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況靈活選擇合適的開(kāi)口形狀，以此減少焊膏過(guò)量擠出的風(fēng)險(xiǎn)。

模板與印刷電路板的精準(zhǔn)對(duì)位及穩(wěn)固固定同樣關(guān)鍵。對(duì)位偏差會(huì)致使焊膏蔓延至焊盤(pán)外，增加錫珠產(chǎn)生幾率。印刷錫膏的方式包括手工、半自動(dòng)和全自動(dòng)，即便在全自動(dòng)印刷模式下，壓力、速度、間隙等參數(shù)仍依賴(lài)人工設(shè)定。因此，無(wú)論采用何種印刷方式，都需協(xié)調(diào)好機(jī)器、模板、印刷電路板和刮刀之間的關(guān)系，確保印刷質(zhì)量穩(wěn)定。在錫膏使用方面，從冷藏室取出的錫膏若升溫時(shí)間不足、攪拌不均勻，容易吸濕。在高溫再流焊過(guò)程中，錫膏內(nèi)水汽揮發(fā)，就會(huì)形成錫珠。所以，使用前應(yīng)將錫膏在室溫下放置約 4 小時(shí)恢復(fù)溫度，并充分?jǐn)嚢杈鶆?。

溫度曲線(xiàn)作為再流焊工藝的核心參數(shù)，包含預(yù)熱、保溫、回流、冷卻四個(gè)階段。預(yù)熱和保溫環(huán)節(jié)能夠降低元器件與印刷電路板所受熱沖擊，促使錫膏中溶劑充分揮發(fā)。若預(yù)熱溫度不足或保溫時(shí)間過(guò)短，將直接影響焊接質(zhì)量，通常建議保溫階段控制在 150 - 160℃、持續(xù) 70 - 90 秒。此外，生產(chǎn)中若需重新印刷錫膏，務(wù)必徹底清理殘留錫膏，防止其形成錫珠，清理時(shí)應(yīng)避免錫膏流入插孔造成通孔堵塞 。

空洞

空洞也是再流焊的主要缺陷之一，表現(xiàn)為焊點(diǎn)表面或內(nèi)部存在氣孔、針孔。其形成原因多樣：焊膏中金屬粉末含氧量過(guò)高、使用回收焊膏、工藝環(huán)境差混入雜質(zhì)等，需嚴(yán)格把控焊膏質(zhì)量；焊膏受潮吸收水汽，可通過(guò)控制環(huán)境溫度在 20 - 26℃、相對(duì)濕度 40% - 70%，且待焊膏達(dá)室溫后再開(kāi)蓋使用來(lái)解決；元件焊端、引腳、印制電路板焊盤(pán)氧化污染或印制板受潮，應(yīng)遵循元件先進(jìn)先出原則，避免在潮濕環(huán)境存放并注意使用期限；升溫速率過(guò)快導(dǎo)致焊膏中溶劑和氣體未充分揮發(fā)，可將 160℃前的升溫速率控制在 1 - 2℃/s。

再流焊過(guò)程中還存在多種其他缺陷。例如，焊膏熔融不完全，表現(xiàn)為焊點(diǎn)周?chē)糠只蛉亢父辔慈刍?；濕?rùn)不良，即元件焊端、引腳或焊盤(pán)出現(xiàn)不沾錫或局部不沾錫現(xiàn)象；焊料量不足，焊點(diǎn)高度未達(dá)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，影響焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度與電氣連接可靠性，甚至引發(fā)虛焊、斷路；橋連（短路），元件端頭、引腳或與鄰近導(dǎo)線(xiàn)間出現(xiàn)不應(yīng)有的焊錫連接；錫點(diǎn)高度異常，焊料向焊端或引腳根部遷移，高度觸及或超過(guò)元件體；錫絲，元件焊端、引腳間或與通孔間存在細(xì)微錫絲；元件或端頭出現(xiàn)裂紋、缺損；元件端頭電極鍍層剝落；冷焊（焊錫紊亂），焊點(diǎn)表面有焊錫紊亂痕跡；焊點(diǎn)表面或內(nèi)部出現(xiàn)裂縫等。還有一些肉眼難以察覺(jué)的缺陷，如焊點(diǎn)晶粒大小、內(nèi)部應(yīng)力、內(nèi)部裂紋等，需借助 X 射線(xiàn)檢測(cè)、焊點(diǎn)疲勞測(cè)試等手段才能發(fā)現(xiàn) 。