3.3 塑料封装的检测分析

3.3.1 模塑料的检测分析

表3-1汇总了塑料封装集成电路中模塑料（Molding Compounds，MC）的材料成分。从表3-1中可见，在模塑料中有9种或更多的化学物质，且其成分因制造商不同而不同。塑料封装中最常见的环氧树脂固化系统为甲酚、苯酚、酚醛环氧树脂配方。环氧树脂通过添加固化剂相互连接起来。超过100多种化学物质可用于环氧树脂的固化，模塑料固化的化学性质与所用环氧树脂的类型有密切关系。尽管环氧树脂与固化剂的反应会产生热固化聚合物，但必须在配方中添加其他物质到环氧树脂固化系统中，以获得在特殊应用情况下想得到的特定性能。添加加速剂是为了获得制造过程中理想的固化率，卤素环氧树脂可以用作阻燃剂。

模塑料配方中添加填充料是为了减少水汽渗透，增加强度，增大热导率和热膨胀系数。添加耦合剂是为了增加填充料与树脂之间的粘接强度，并减少水汽渗透。配方中的无机阻燃剂用于降低卤化树脂的浓度，而卤化树脂是腐蚀性卤素离子的来源。为了改善模塑料从塑模中分离的过程，在模塑料配方中添加了脱模剂。

随着封装的小型化和高密度化，要求模塑料具有更低的水汽渗透性、更小的应力和更强的抗“爆米花”效应的能力 ^[27] 。为响应这些要求，模塑料制造商已开发特殊封装类型的模塑料配方。例如，为了减少表面贴装封装的水汽吸收，树脂材料已改良为联苯环氧树脂和甲酚环氧树脂的混合物；为减小在大尺寸封装中的应力，可将环氧硅树脂和聚丁二烯添加到模塑料配方中，尽管这可能会增加水汽吸收；人造橡胶可作为一种单相物质加到模塑料配方中，以增加裂纹的韧度和减少封装的“爆米花”裂纹；包覆了硅树脂的氮化硅填充料可添加到模塑料配方中，以增加热导率。

（1）模塑料的材料特性参数。

模塑料制造商通常为每一批模塑料提供分析证明。典型的模塑料采购规范见表3-2。基于采购规范，可通过化学和物理特性分析来选择模塑料，而它们可影响器件性能和可靠性。这种分析包括玻璃化转变温度（ T _g ）、热膨胀系数（CTE）、填充料、水汽吸收和离子浓度。

（2）热膨胀系数。

材料的热膨胀系数（CTE）反映了材料体积变化与温度的关系。模塑料热膨胀系数最主要的影响因素是填充料。材料的 T _g 会随固化剖面的变化而变化，测量表明，材料的热膨胀系数在 T _g 之上和之下都有相对稳定的特性。

热膨胀系数在 T _g 之下的温度范围内定义为CTE1（ α ₁ ），在 T _g 之上的温度范围内定义为CTE2（ α ₂ ）。 α ₂ 的值通常是 α ₁ 的2～3倍。为最小化机械应力，模塑料的热膨胀系数应与封装的其他材料相匹配。塑料封装结构中常见材料的热膨胀系数见表3-3。

集成电路中的封装应力可用应力指数来估算，应力指数是热膨胀系数和模塑料弯曲模量的乘积：应力指数=CTE（ α ₁ ）×弯曲模量。若模塑料的应力指数小于35，则将其视为低应力模塑料。低应力模塑料配方通常包含应力缓解材料（如硅树脂油或丁二烯橡胶），它们降低了模塑料的弯曲模量，因此具有更低的应力指数。

模塑料可调配出特定的 T _g 和热膨胀系数，它们与模塑料的固化剖面有关，并可在通过铸模固化循环后进行适当修改。模塑料的热膨胀系数和 T _g 是影响塑料封装中应力的首要因素。监测模塑料的 T _g 和热膨胀系数对于塑料封装（塑封）微电路可靠性的构建非常重要。

（3）填充料。

填充料可加固模塑料，提供强度和硬度，降低成本和改进热导率。塑封微电路中最常用的填充料是熔融后的石英砂。填充料帮助减小模塑料的热膨胀系数，但往往会增大模塑料的弯曲模量，潜在地引入更大应力。填充料的数量、分布、粒子尺寸和形状最终将决定塑封微电路的应力和工作寿命。

（4）水汽吸收。

模塑料中的水汽吸收范围可达0.1%～0.5%质量百分比，它与温度、湿度及模塑料配方有关。模塑料的水汽吸收应尽可能地少，以控制塑封表面贴装器件回流焊的“爆米花”效应。最小化水汽吸收可减少水汽中离子的扩散，以及芯片焊盘和金属化的腐蚀。增加填充料和模塑料的后固化可减少水汽吸收。联苯类模塑料在部分高填充水平时吸收水汽较少（0.1%～0.2%质量百分比），是大面积表面贴装器件的首选。

（5）离子浓度。

杂质离子浓度的减小对塑封电路的可靠性提高起到了重要作用。随着树脂提纯、填充料及其他组分的技术进步，碱性和卤素离子的水平降低了（它们产生化学腐蚀和原电池腐蚀）。

模塑料并不能很好地阻挡水汽，随着时间增加，它会逐步吸收水汽和离子。如果由于裂纹或分层而存在通路，则水汽可沿器件引脚扩散到模塑料内、芯片表面和焊盘上。阴离子（如Cl ^- 、Br ^- ）、阳离子（如Na ⁺ 、K ⁺ 和Sb ⁺ ）是模塑料中的杂质离子，这些杂质离子可随着水汽在模塑料内渗透，扩散和溶解到芯片表面或与合金接触。含有杂质离子的水汽会加速芯片表面金属或互连结构的化学腐蚀。

3.3.2 封装界面分层的检测方法

塑封电路的界面分层是其主要失效模式，为了保证塑封电路应用的可靠性，开展塑封电路界面的C-SAM分层检测是非常必要的。在相关标准中，常用的C-SAM分层检测方法有如下7种。

（1）IPC/JEDEC J-STD-035《非气密封装电子元器件超声波扫描显微镜观察》（IPC/JEDEC J-STD-035 Acoustic Microscopy for Nonhermetic Encapsulated Electronic Components）。

（2）GJB 4027A—2006《军用电子元器件破坏性物理分析方法》工作项目1103塑封半导体集成电路2.4超声波扫描显微镜观察。

（3）MIL-STD-1580B《电子、电磁、电机元件破坏性物理分析》要求16.5.1.3超声波扫描显微镜观察（MIL-STD-1580B Destructive Physical Analysis for Electronic，Electromagnetic，and Electromechanically Parts，Requirement 16.5.1.3 Acoustic Microscopy）。

（4）GJB 548B—2005《微电子器件试验方法和程序》方法2030芯片粘接的超声波检测。

（5）MIL-STD-883G《微电路试验方法标准》方法2030芯片粘接的超声波检测（MIL-STD-883G Test Method Standard for Microcircuits，Method 2030，Ultrasonic Inspection of Die Attach）。

（6）PEM-INST-001《塑封微电路选择、筛选和鉴定指南》方法5.3.3超声扫描显微镜观察[PEM-INST-001：Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit（PEM）Selection，Screening，and Qualification，5.3.3 Acoustic Microscopy（C-SAM）]。

（7）IPC/JEDEC J-STD-020D.1《非气密固态表面贴装器件的潮湿/回流焊敏感度分类》（IPC/JEDEC J-STD-020D.1 Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Nonhermetic Solid State Surface Mount Devices）。

在上述标准中，IPC/JEDEC J-STD-035是用于塑封电子元器件超声波扫描显微镜观察的一般性规定，该标准中无明确的缺陷判据，根据此标准检测时应该同时引用其他相关标准中的缺陷判据。GJB 4027A—2006中的工作项目1103塑封半导体集成电路2.4超声波扫描显微镜观察与MIL-STD-1580B中的要求16.5.1.3超声波扫描显微镜观察对应，在这两个标准中，C-SAM检测是塑封电路破坏性物理分析中的一项重要内容。GJB 548B—2005中的方法2030芯片粘接的超声波检测与MIL-STD-883G中的方法2030芯片粘接的超声波检测对应，这两个标准是芯片粘接界面的超声波检测方法的具体规定。PEM-INST-001是美国国家航空航天局（NASA）提出的关于塑封微电路的选择、筛选和鉴定的规定，其中方法5.3.3超声波扫描显微镜观察规定了使用C-SAM对塑封微电路进行检查或筛选的方法。

C-SAM技术主要关注同一材料的不均匀性（孔洞、裂纹、夹杂等），以及不同材料间的界面情况。具体到电子元器件封装可靠性检测领域，C-SAM技术用于检测两类缺陷：一类是模塑料内裂纹和孔洞；另一类是各界面的分层。在各相关检测标准中，除GJB 548B—2005和MIL-STD-883G外，均涉及模塑料中裂纹和孔洞的检测，其标准判据见表3-4。

C-SAM技术主要用于检测表3-5中的7类分层缺陷。其中，芯片粘接界面的“分层”一般描述为粘接孔洞，而使用的检测手段与其他界面相同，故在此统一归纳。

各标准中界面分层判据见表3-6，由于IPC/JEDEC J-STD-020D.1中的标准判据体例与其他标准不同，故并没有按照界面归纳，而是单独列出的（见表3-7）。

参照上述表3-6～表3-7的封装界面分层的C-SAM检测方法和合格判据，表3-8给出了界面分层的典型缺陷和图例。

塑封电路的界面分层预防控制方法主要有两方面：一是加强组装前的C-SAM筛选，防止有界面分层缺陷产品的使用；二是在组装前按相关标准进行烘烤预处理，防止回流焊过程中的“爆米花”效应和键合微开路。主要的措施如下。

（1）塑封电路装机前应经过破坏性物理分析（DPA）批检验，并开展100%的C-SAM检验筛选。

（2）塑封电路装机前应开展烘烤预处理，驱除芯片内湿气。对于潮湿敏感度等级小于2级（按IPC/JEDEC J-STD-003）的塑封电路应采取保守的方法，当作2a～5a级器件处理（典型要求：对厚度小于或等于2.5mm的器件，进行125℃/24小时的烘烤；对厚度为2.5～4.5mm的器件，进行125℃/48小时的烘烤）。

3.3.3 封装界面热阻及芯片红外热成像检测方法

塑料功率器件的封装界面热阻及芯片温度分布特性很关键，本节简要介绍封装界面的电学法热阻测试方法，以及芯片表面热分布的红外热成像显微分析技术，详细的测试原理及方法见第6章。

电学法是唯一能够采用无损测试方法对封装器件进行直接测量的方法，但这种方法不能得到器件峰值温度和温度分布图，只能得到芯片结区的平均温度。采用非破坏性的实时静态电学法，可以测量几乎所有的半导体器件的热学性能。

（1）各类半导体分立器件。

（2）各类复杂集成电路、多芯片模块（MCM）、系统级封装（SiP）及系统级芯片（SoC）等新型结构。

（3）各类复杂散热模组（如热管、风扇等）的热特性测试。

红外热成像仪可用于电路中芯片热点探测、热分布或热设计验证、热耗损、可靠性研究和热失效定位，瞬态温度测试器能进行红外热成像快速测试，当被测试器件在脉冲信号或瞬态信号作用下时，能够测得对应某一点温度与时间变化的分布图形。

3.3.4 封装微变形检测技术

对于封装微变形的检测，主要参照国际标准，如JEDEC（JESD22-B112A）、JEITA（ED-7306）。在检测方法方面，JEDEC（JESD22-B112A）提到了影子云纹法、3D DIC法、激光反射法及反射云纹法等4种方法，JEITA（ED-7306）则提到了影子云纹法及激光反射法两种方法。一般认为，影子云纹法检测封装微变形是业界最认可和常用的方法。

1.激光反射法

激光反射法属于非接触式测量方法，测量精度很高，原理如下。测量激光束照射试样表面每一点，根据反射光和参考点的夹角还原试样的表面形貌，其缺点是通过大面积的逐点扫描才可以获得试样的表面全貌，难以进行实时测量。激光反射法微变形检测原理如图3-10所示。

2.影子云纹法

影子云纹法（Shadow Moire Method）凭借明暗相间的光栅相互重叠干涉来产生摩尔条纹，第一组光栅是试样光栅（影子光栅），可以用印刷、粘贴或蚀刻的手段附着于试样表面；第二组光栅是参考光栅，位于光源与试样中间。当试样发生变形时，参考光栅也会发生变形，与参考光栅之间产生相互重叠干涉，生成摩尔条纹。条纹的影像可通过计算机实时分析，极大地消除了人为操作误差的可能性，同时能更方便地处理数据，结果更准确。

（1）影子云纹法检测原理。

入射光（白光）通过特定的入射角打到试样上，那么参考光栅的阴影区会映射到下部试样表面，由参考光栅和影子光栅的干涉作用产生摩尔条纹。影子云纹法检测原理如图3-11所示，参考光栅和影子光栅投影结果如图3-12所示。

摩尔条纹的每个条纹包含了不同高度的信息，因此完整的摩尔条纹包含了整个试样表面的高度信息，与等高图含义类似，如图3-13所示。

把全场影子云纹干涉图样变换为3D封装体表面形貌图应凭借精准标定的条纹常数。条纹常数由离面变形决定，条纹常数校准公式如下。

式中， N 表示条纹级数； p 表示光栅节距； α 表示照射角； β 表示观测角； W 表示变形或翘曲量。利用相移技术将全场干涉条纹转化成3D封装体表面形貌，如图3-14所示。

在实际测量中，由计算机精准调控步进电机以调节载物台和光栅之间的间距，即可得到一系列离散的相移干涉条纹。一般需要4组干涉条纹才能重现试样的3D表面形貌，相移干涉条纹及重构而成的3D表面形貌如图3-15所示。

在测试过程中，通过调节光栅和试样间的距离即可得到干涉条纹。从式（3-1）可以看出：通过细节距光栅可获得更高的测量精度，但光栅和试样间的物理间距也应该相应减小。值得注意的一点是，需要防止测试过程中试样表面接触到参考光栅。

（2）影子云纹法检测设备组成。

影子云纹法测试将Ronchi光栅和试样同时放入热绝缘加热箱内，采用在试样底部设置热源的方式模拟回流焊。影子云纹法微变形检测设备如图3-16所示，主要由以下部分组成（有的未在图3-16中画出）。

a.用于捕捉影子摩尔条纹的摄像头。

b.用低热膨胀系数玻璃制成的Ronchi光栅。

c.投射白光的光源。

d. Z 向步进试样台。

e.计算机控制的图像系统。

f.试样夹，用于抓取和对齐试样。

g.使用步进高度变化的NIST可追踪标定块。

h.标准弯曲玻璃。

i.加热单元。

j.热电偶。

（3）影子云纹法检测流程。

影子云纹法BGA封装微变形检测流程如图3-17所示，可简单总结如下。

a.预处理：主要包括BGA基板面焊球去除、喷漆处理和样品烘烤（去除湿气）。

b.加热：按照典型表面贴装工艺设定模拟回流温度曲线，并利用影子云纹法检测设备对完整的基板面微变形数据进行测量。

c.数据处理：通过软件对BGA微变形测量数据进行处理，包括定义参考平面、对信号进行去噪降噪，并获得BGA基板面3D重构形貌等检测结果。

（4）影子云纹法检测结果。

影子云纹法检测结果应该具有下列参数。

a.指定不同温度下的封装体翘曲量，翘曲量可用以下两种方式表示：3D表面形貌图和对角线扫描图。某温度下封装体翘曲量如图3-18所示。

b.升降温过程中翘曲量随温度变化的关系，其中纵坐标翘曲量的单位是mil（1mil=25.4μm），横坐标温度则包括了整个升降温的过程，如图3-19所示。