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选自《微电子器件封装-封装材料与封装本领》第十章牢固性策画

当一个电子产物劳动抵达它所策画的请求时，就称这个产物是牢固的。反之，称之为弗成靠。当一个电子产物劳动长达二十多年时，就觉得它具备永久的牢固性。

电子产物牢固性的界说是在限定的前提下、在给定的工夫内电子产物劳动（不生效）的几率。相近似的目标是电子产物的平衡操纵寿命，它或许是几小时，也或许抵达几十年。

很领会，从经济上来讲，咱们弗成能测试这些产物那末多年，尔后才把它发送给主顾。为了保证这些电子产物封装能够牢固地劳动很长的工夫，咱们要做两件办事：第一，策画这个产物的封装时，预先思虑它的牢固性；第二，在产物策画制作和安装此后，对全面系统实行封装的牢固性加快测试。

从事产物搜检和产物原料保证的本领治理人员要做的和要理解的事是电子产物劳动多万古间会生效、是甚么缘由产生电子产物生效、何如能够防备电子产物的生效，并且制订电子产物牢固性的准则。

首先，务必当时决议各样可乃至使产物生效的紧要机理，理解这些生效机理，就能够制作性地策画和取舍材料以及制作工艺，使之能够削减或许是束缚生效的或许性。这类在系统制作和测试畴昔的预先策画，称之牢固性策画。

其次，在系统被制作和安装此后，这个系统该当在加快的前提下，做牢固性测试。比如热轮回测试、温度和湿度测试、短期的通电开机轮回，并在高温、高湿、高压的前提下加快产物的生效历程。这就叫做牢固性搜检。

保守的产业尝试是，在ＩＣ和系统水准的封装制作和安装此后实行牢固性测试，即便在牢固性测试中发掘了题目，那末这个ＩＣ和系统水准的封装就要从头策画、从头制作、从头安装、从头测试。如许的从头制作从头测试的历程，是特别昂贵的并且斲丧工夫。于是，牢固性策画要先于其余策画历程，并且在ＩＣ和系统水准的封装制作前，要理解并能够收拾牢固性的题目。

10.1微电子器件生效机理

电子产物生效和其余产物同样，从统计的角度来讲，产物有三个生效阶段，也就有三种

生效：即初期生效、实质生效和老化生效。

初期生效是由于电子产物的制作毛病产生的，也能够说是临盆原料题目产生的。在临盆电子产物时要首先制订一系列电子产物的原料准则，并依据这些原料准则来搜检和操纵产物临盆。而初期生效的产物根本上都是那些漏检的电子产物，这些产物会在有用期内提早生效。

实质生效是属于电子产物准则除外的成分产生的，比如不测猛烈冲锋、外电压摇动产生的电子产物电压击穿等，通太当心严谨地操纵电子产物能够防备这些实质生效。

老化生效是电子产物永久渐渐地斲丧老化产生的，包罗大气处境对电子产物的混浊伤害、金属器件的侵蚀、电子产物内部的电子迁徙、热轮回产生的材料伤害等。

牢固性是电子产物依据策画请求劳动的几率，而生效率是电子产物不能依据策画请求工

做的几率。

一组平常的电子产物，好比说１０００个电子产物，放到高温高湿测试箱里，做加快老化测验。每隔一守工夫搜检生效的数量，直到结尾一批电子产物生效为止。经落后间ｔ后，生效的数量对全组数量的比为生效率，它是工夫的函数，称做积聚生效函数Ｆ（ｔ）。图10-1给出了生效率做为工夫的函数弧线，即积聚生效率。

将积聚生效率对工夫求导数，就能够获得生效速度。将生效速度对工夫做弧线图，就能够获得生效速度弧线，如图10-2所示，习惯上叫做浴盆弧线，由于它的形态像浴盆。在这边的生效速度不是指每一个器件的生效速度，而是指全组器件生效的速度，即单元工夫里生效的器件个数。也能够叫做生效密度。

从浴盆弧线能够看出不同工夫里的电子产物生效速度的变动，在初始阶段，初期生效的数量很大，申明生效速度快，到了实质生效阶段，生效的速度根本上恒定稳固，即每隔肯定的工夫生效的电子产物的数量根本上同样。到了老化生效阶段，生效速度赶紧上涨，申明电子产物根本上到了操纵寿命，很快都生效了。本领治理的方针是要增加或泯灭初期生效，发奋伸长电子产物的操纵寿命。

产物的生效是产生在最低的硬件水准，但是，影响倒是在系统的水准上。比如，一台筹划机或许在通电后不能启动，尽管它是一个高水准局势，本质上很或许是由于由于热应力产生的一个芯片的粉碎，或许由于侵蚀产生的电路断路，或许是由于湿润及静电放电产生的短路。不论潜藏的生效机理是甚么，本质后果是这个器件是弗成靠的或许是无用的。

总共的生效都是电气上的，不过引发生效的缘由或许是热力上的、板滞上的、电气上的、化学上的或许是它们的组合。生效的机理能够分为两大类：超负荷机理和老化机理。超负荷机理是一次高出了器件的强度和才力而引发器件生效。而老化机理是渐渐地陆续地，也或许是在很低的负荷下产生，万古间地反复地施加较低的负荷而致使器件积聚性的伤害，及至于结尾生效。

10.2牢固性策画的底子

牢固性策画不论生效机理是超负荷依旧老化，紧要的是知道生效的缘由，策画时防备这些生效。不同的运用是由不同的生效机理主导的，是以弗成能策画防备总共的生效机理。要看到在策画防备一个生效机理时，或许产生另一个生效机理。是以，策画该当很当心以便抵达器件的最大水准的牢固性。

通常来讲，策画防备生效可经过上面两种法子。

①低落产生生效的负荷。

②升高器件的强度。

低落负荷或许升高强度能够经过变换材料、变动封装的多少形态和尺寸，或许引用新的守护或许封装。

10.3热板滞性的生效

热板滞生效是由于电子器件封装内部产生的应力和应变产生的，处境或许内部过热会产生应力和应变。由于材料之间的热膨胀系数不同（不般配）、器件中的热梯度、多少形态上的束缚等，热力激发的应力和应变或许会产生在器件的不同部份。热板滞性应力的产生能够经过一个容易的例子来申明：一个倒装的芯片经过锡凸焊球与基板相接，当温度由处境温度升高到一个较高温度时，由于基板和芯片之间的热膨胀系数的不同，基板膨胀大，基板上的焊点向外移，就产生了在锡凸焊球上的剪切应力，芯片右半边的焊球蒙受反时针方位的剪切应力，芯片左半边的焊球蒙受顺时针的剪切应力；反过来，即便温度由处境温度低落到一个较低温度时，由于基板和芯片之间的热膨胀系数的不同，基板萎缩多，基板上的焊点向内移，芯片右半边的凸焊球蒙受顺时针的剪切应力，芯片左半边的焊球蒙受反时针的剪切应力。

在总共的热板滞生效机理之中，疲惫粉碎、脆性裂缝、蠕变、层间剥离、弹性变形等是最罕见的。

10.3.1防备疲惫生效

疲惫是最罕见的生效机理，通常觉得９０％以上的生效是由疲惫产生的。不论是金属、齐集物或许陶瓷都市产生疲惫局势。此中陶瓷是最阻挡易疲惫的，这类局势能够用一个容易的测验来申明：拿一个金属别针，向一个方位蜿蜒，直到产生一个犀利的回弯，这个体针在回弯处蒙受着弹性变形，不过并没有疲惫，目前即便反过来将其恢还原状，如许屡屡畴昔的蜿蜒历程，屡次此后这个体针就会疲惫。在这类轮回做使劲的效用下，别针就会在小的做使劲下断裂，低于这个金属别针在容易的做使劲下断裂所需求的负载。初时的负载引发别针应变和强硬，屡屡地施加做使劲，就会产生内部疲惫损伤。把这一历程简化，加以申明即是塑性变形引发材料构造位错的挪动并相互交差。这些位错的相互交差就会使位错挪动性升高，并使其持续疲惫变形而产生更多的位错。位错密度的增多，低落了材料的晶格完好性及至于产生微裂纹，当这些微裂纹长到充分大的功夫，就致使了疲惫的产生。

10.3.2疲惫断裂的界说

有两种法子来肯定疲惫生效的轮回数量。第一种法子叫做高轮回疲惫，基于应力逆转的次数来肯定疲惫生效的轮回数量，这个以应力为底子的法子，主如果用在器件的应力处于弹性应变区并没有高出屈就点的情形。第二种法子叫做低轮回疲惫，它是依照应变的逆转，用在材料具备塑性或许永远性变形的情形下。

图10-3示意高轮回疲惫的负载轮回，是变动的应力做为工夫的函数。应力疲惫轮回界说为胜利地蒙受了最大的负载或许应力，一个疲惫轮回是指挨次地抵达负载或许应力的最大值。许多罕用的材料包罗根本材料以及齐集物、树脂等，体现出有限的抗应力强度，叫做持久极限。低于这个极限，不论做几多次轮回都不会产生疲惫生效。

10.3.3低落初期疲惫的策画法子

为了低落在焊锡接点处的引发应变，改革焊接点的疲惫寿命，上面的策画法子能够采纳。

①芯片的载体和基板之间的ＣＴＥ不般配，会增多应变，因此用ＣＴＥ濒临于有用芯片载体ＣＴＥ的材料来接替基板材料。在倒装芯片的安装中，即是采纳这类法子的。

②应变会跟着与中点间隔的增多而增多，是以在策画功夫只管削减这一间隔。即便弗成能，也要努力将总共的关键的互联结放到濒临焦点的地方，将过剩的互联结放到遥远。

③焊锡接点的应变是跟着温度和操纵的温度梯度的增多而增多的，于是在策画时要制作一个好的传热途径，使热量很容易疏散，因此就不会产生大的温度梯度。

④在电路板安装上的倒装芯片的焊锡接点的应变，能够经过在芯片和基板之间填充齐集物材料的法子来低落。下填充会低落焊接点处的应变，进而升高焊接点的疲惫寿命。

10.3.4防备脆性疲惫

脆性疲惫是一种超应力生效机理，它的产生特别快捷而没有一点忠告，当器件中的引发应力高出了材料疲惫强度的功夫，就产生了脆性断裂。它产生在脆性材料之中，如陶瓷玻璃、硅，它们险些都没有塑性变形的才力以及相对地惟独很少的能量吸取。陶瓷的基板和硅ＩＣ的聚集就容易产生脆性疲惫。

大大都齐集物封装材料的玻璃化温度Ｔｇ都比其余材料低，当齐集物从高于Ｔｇ温度，便可塑状况降到室温的固化状况时，并没有抵达它们的热力学上的均衡状况。它们偏向于渐渐地抵达均衡状况，在这一历程中，齐集物材料自己性质会变脆，这即是齐集物的老化，进而齐集物化合物的抗疲惫强度也就下落了。

当施加应力和功大到充分毁坏原子间键力的功夫，材料就产生断裂。键强是材估华夏子间相吸引的力，从这一原子的断裂的意见能够获得，材料断裂的应力为

式中σｃ———断裂强度；Ｅ———材料的弹性模量。

但是，测验获得的脆性材料的断裂强度要比上头的理论强度低３～４个数量级。早在１９２０年人们就理解到脆性材料的表面存在有微裂纹，这些个微裂纹大地面低落了材料的断

裂强度，依照这一理论，咱们能够瞻望微裂纹疾速地分散以及致使材料毁坏的前提。

关于硅晶片而言，断裂时常产生在早已存在缺欠的部位，好比划痕处或许裂缝，当硅晶片接受热处置、切割或许切割操纵时，裂缝会在硅晶片的表面呈现。在肯定的应力存在的前提下，当晶片表面上的裂缝的尺寸高出了一个临界值的功夫，这个晶片就会断裂。

为了低落脆性粉碎的或许性，可用上面的策画法子。

①脆性断裂是受应力操纵的，是以在取舍材料和加工前提时，该当只管使脆性材料产生较小的应力。

②脆性材料的断裂强度跟着表面的微裂纹或许缺欠的存在而低落。因此，在安装或许操纵前脆性材料该当抛光来除去表面的微裂纹和缺欠，来升高它的牢固性。

10.3.5策画防备蠕变产生的生效

蠕变是一个在负荷前提下与工夫相关的变形历程。它是一个热活化的历程，这就象征着，关于一个给定的应力水准来讲，变形的速度跟着温度的抬高而赶紧地增多。这即是说材料的变形不只单取决于施加的负荷，也取决于负荷的工夫黑白和温度的凹凸。换句话说，负荷施加工夫越长，变形就会持续增多，及至于致使产物生效，这就叫做蠕变生效。

蠕变能够产生在职何应力水准，能够低于或许高于屈就强度。蠕变在高温或许同系温度（ｈｏｍｏｌｏｇｏｕｓｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）不低于0.5的情形下是特别紧要的。同系温度是指操纵温度（Ｋ）对材料的熔点温度（Ｋ）的比。铅锡共熔体焊料即便在室温下，由于同系温度高于0.5它也会蠕变。

为了增加蠕变引发的生效能够用上面的法子。

①具备较低熔点的材料，即便在室温的前提下也容易产生蠕变。于是，即便产物运用于高温或许是卑劣的处境下，比如汽车或许是国防运用的产物，应只管操纵熔点较高的材料。

②蠕变变形除了取决于操纵温度外，也取决于所施加的应力。于是，增加板滞应力就会低落蠕变变形。

③蠕变是受工夫操纵的。器件泄漏在高温高应力下的工夫越长，就会产生更多的蠕变变形。是以，关于运用于汽车和空间的器件，防备蠕变是特别关键的。但是，关于那些运用于可挪动产物的电子器件，处境前提或许会相对的仁慈，并且器件的预期操纵寿命也不过两三年时，蠕变不会是关键成分。

.6防备剥离引发的生效

大都的电子产物封装含有不近似的材料，这些材料粘接在一同，供给非常的机能。剥离是邻近的相互粘接的材料层间的离开。剥离的存在会影响封装的牢固性，比如：在多层构造的芯片贴装中，金属线与电介质层的剥离、顺着通道墙的裂纹或许产生电的断路。在边际的剥离会低落晶片和基板之间的板滞耦合，致使加快焊接点的疲惫生效。同时，当芯片键合材料剥离时，就会影响到晶片的散热途径，致使半导体器件温度的抬高。

为了低落剥离的产生和分散的机遇，上面的策画法子是可用的。

①大都剥离题目是由于加工历程产生的，当心肠取舍加工前提有助于低落剥离的生成。比如：有用的加工工艺，防备不适当的密封胶的分派、电介质的填充，同时也能够防备清闲仁慈泡的生成。在焊接工艺前，烘烤有机物基板会有助于铲除吸附潮气，进而防备产生蒸气。蒸气的产生是剥离生效的致命成分。

②低落邻近材料间的工程性质上的不般配，能够增加剥离生成和进展的机遇。

③改革不同材料层间的粘接性质，能够增加剥离的生成和分散。比如：取舍具备较高的学亲和力的材料，对相互粘接的层做表面处置，就会改革粘接强度。

④封装的多少形态该当增加犀利的角，犀利的角是最容易剥离的点。

10.3.7防备塑性变形

当所施加的板滞应力高出材料的弹性线或许屈就点时的变形叫做塑性变形。塑性变形是永远性的变形，也即是说取缔负载，材料的变形仍旧存在。从弹性塑性材料的应力应变弧线能够看出，在屈就点如下，材料是在线性的弹性区，在屈就点以上，应力应变的相干是一个非线性的函数。

太过的塑性变形以及由于屡屡轮回的负载，所产生的塑性应变的陆续累加，就有或许终究致使器件的断裂。

为了低落塑性变形的机遇，上面几点是能够采纳的。

①当封装构造的某一点施加的应力高出了响应材料的屈就应力，就会产生塑性变形。一个容易的规矩是，在策画时束缚封装构造的策画应力，使其不高出所用材料的屈就强度，即便或许只管使器具备较高的屈就强度的材料。

②由于应力集合在多少不连结的地域，或许在不同材料的界面上，于是在策画时要操纵这一个别地域的塑性变形。比如：在策画锡焊接点的功夫，意见操纵塑性变形局限不大于１％。

10.4电气方面引发的生效

由电直接激发的生效，每每是由于太高的电流、太高的电压、未看来的放电或许是电介质的击穿所引发的。

10.4.1防备静电放电

静电放电（ＥＳＤ）是指两个不同物体间由于电势的不同，而引发的静电核的变化。它或许经过直接来往或许是经过电场的引引产生。最罕见的局势是两绝缘体的争持产生争持静电效应。静电电流也能够产生在当两个相来往的物体倏地离开的功夫。人体在地板上行走或许是倏地从椅子上站起来，以及将集成电路块倏地从插座上拔起，都有或许产生静电放电，静电放电能够高达２０００～３０００Ｖ，而比拟之下ＭＯＳＦＥＴ器件的击穿电压惟独５Ｖ，即便如许的静电经过ＩＣ，而静电电流又不能经过合适的守护法子将其散开或许消逝，这一静电放电就会使器件内部的半导体结点上的温度升高到熔点以上，如许的高温将产生结点或许互联结线的伤害，致使器件的生效。

有两种生效大局。

①当场生效在器件制作时便可看到这个后果。

②推迟生效被损伤的器件有或许经过原料操纵测试，但很快就会提早老化。能够用上面的法子低落ＥＳＤ。

①操纵台能够用导电台罩笼罩，操纵员戴手腕导电带，铺设导电地板等，这些能够用来防备人体的静电对器件的伤害。

②空气离子化器能够放在ＥＳＤ守护区，这是由于离子化器归纳了非导电材料的静电电核。

③总共的测试和焊接配置都该当供给接地设备。

④在积存和输送历程中该当操纵反静电泡沫塑料包装材料。

⑤能够用看守配置来衡量和操纵材料的静电电荷。比如：静电报警器、静电伏特表或静电电场表等。

要防备栅极氧化层的击穿，这一氧化层将ＭＯＳＦＥＴ三极管的半导体和金属层隔开，叫做栅氧化层。在这一金属层和半导体间的短路叫栅氧化层击穿。这一击穿大都是工艺致使的缺欠或许是颗粒所产生的。比如：硅半导体表面的点缺欠致使这一氧化层的变薄，进而会引发个别的高电场，即便这一个别的高电场高到高出电介质的击穿强度，就会引发器件操纵寿命的削减。在往昔的几年中，栅氧化层的厚度曾经过１００ｎｍ低落到５０ｎｍ，大地面增加了开关的推迟工夫。由于电介质的厚度变小，其介电强度就要变大，曾经从１０ＭＶ／ｃｍ左右升高到２０ＭＶ／ｃｍ左右，同时供电电源的电压也被低落了。但是，间或的ＥＳＤ静电放电仍旧会致使这一氧化层的击穿，乃至产物生效。

10.4.2防备电迁徙

电迁徙是指由于金属传输线内部高电流致使的，联结ＩＣ和封装的金属原子的原子流迁徙。比如，（在倒装和封装中的焊锡）在高电流的电子风的影响下，它们蒙受了一个板滞力并由它正本的地方迁徙，这就或许产生金属导体中的空洞，这个历程即便持续下去，导体的电阻就会增高，乃至于致使电开路。这一局势多呈目前薄膜金属之中，电的板滞力和热力能够被觉得是影响薄膜中的电迁徙的紧要成分。电迁徙自己或许会产生外部的离子迁徙，这一历程偏向于伤害晶格的点阵。内部产生的离子流是由于各样物理机理偏向于解脱各样不均衡状况，包罗浓度梯度的释放和板滞应力的释放。

策画防备电迁徙的法子如下。

①电迁徙常呈目前铝和银的金属导体中，而采纳铜导线会改革这一题目。

②只管削减导线长度是有辅助的，但也或许是以需求加更多的层和繁杂的制作历程。

③依照电迁徙数据，策画时严厉操纵电流密度。

10.5化学致使的生效

化学历程，如电化学反映、材料的分散以及枝蔓晶体的成长都市致使通道导线以及互联结的断裂，进而致使电生效。温度的抬高、电压的抬高以及应力的增多都市加快化学反映，是以化学生效能够觉得是热、电和板滞的配合效用。

在电解质存在的情形下，电化学反映会引发金属的斲丧侵蚀。为理说明电化学反映引发的侵蚀，就务必理解电化学电池反映。金属Ｍ在存在电解质的情形下，会被氧化而得到电子，这是一个电池反映中的阳极反映，能够写成如下反映式。

阳极反映：

式中，Ｍ２＋是正离子；ｅ－是电子。这一正离子就会熔解到液态的溶液之中。如许一个金属离子的熔解历程就会渐渐地斲丧金属，释放出的电子就会与液态溶液之中的阳离子，如氢离子相聚集。

阴极反映：

基于上头的说明，看来金属的侵蚀是由于电化学反映，而这边务必有电解质的存在，本领辅助阳极反映，进而致使金属的斲丧。

10.5.1防备侵蚀的法子

①具备较高氧化势的金属，偏向于高速侵蚀，换句话说，金属以离子大局存在于一个溶液之中要比做为固体的金属更平稳，因此更容易被侵蚀。

Ａｌ、Ｔｉ和Ｎｉ等金属由于它们具备较高的氧化势而很容易被侵蚀，惰性的金属如Ａｕ和Ｐｔ做为金属要比做为离子态更平稳，因此侵蚀特别慢。在罕用的微电子封装中的金属，按其平稳水准做如下的布列。

Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｗ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ａｌ。

②侵蚀的产生务必有潮气。因此，全密封的封装是为了防备潮气的吸取，尽管塑料封装或许是模塑器件不能够反对潮气的吸取，但它们仍旧能够防备化学反映物的混浊。紧要的是保证在封装历程和安装历程中，没有潮气和化学混浊物被留在包装内。为此能够在无尘室中实行包装、在车间内实行须要的混浊监测以及在安装前对器件实行去离子水洗刷。

10.5.2金属间的分散

在引线键合和焊接点处的互联结中，金属间的分散是很广大的致使生效的局势。在引线键合以及焊锡重熔历程中，每每会产生不同的金属层，它们是联结历程中的副产物，并且这些金属层对一个优秀的互联结是须要的，不过太多的金属层的产生会致使个别的变脆，并低落金属的强度。比如，在焊锡的重熔历程中，在铜和锡之间就会产生分散，在铜片和锡焊料的界面上产生铜锡化合物（ＩＭＣ）。在热轮回测试历程中，固态的ＩＭＣ层的长大，会引发个别的材料变脆以及过量的微构造拐角。

策画防备金属间的分散的法子如下。

①金属间化合物（ＩＭＣ）层的产生，能够经过上面的法子来操纵。即操纵工艺温度以及在互联结的历程中，操纵好高温泄漏的工夫。

②ＩＭＣ层的成长属于固态分散，在热轮回测试中能够用分散的模子来形容。

③ＩＭＣ层的成长速度，能够经过操纵温度局限、轮回次数和在高温下停顿的工夫来操纵。

④在铜焊片表面镀镍合金层，能够推迟ＩＭＣ成长。

10.6归纳和来日趋向

总共的微电子系统正在变得越来越繁杂，由于人们请求器件具备更多的机能。这就请求下一代的电子产物具备更高的牢固性。它们的劳动处境或许更严峻，没有策画牢固性的保证是弗成以想像的。

①电生效是由热、板滞、热板滞、电或许化学机理产生的。一个牢固器件的封装，在它的有用期内不该该由于上述加快成分而生效。

②不同的器件每每会有不同的生效机理，比如：在卑劣的高温处境下，很或许会发掘是由于热板滞疲惫而生效，而在一个湿润的处境之中，此间又没有防水的密封和封装，就很或许会呈现侵蚀引发的生效。于是，策画防备总共的生效机理，那或许是特别昂贵的，不倘有针对性地依照器件的运用和响应的生效机理来做防备策画。

目前，电子产物的搜检请求做许多牢固性搜检，包罗热冲锋测验、热轮回测验、高温高湿加快老化测验等，有的测验要几十天本领实现。于是，牢固性搜检也是很费工夫费款子的劳动。开拓新的有用而又低成本的牢固性搜检法子也是事不宜迟。

在产物的开拓中，务必预先做牢固性策画，包罗封装的多少形态、材料取舍等；并找出更有用地猜测电子产物有用寿命的测验法子和电子产物搜检规矩；欺诈详细的测验数据，策画出电子产物牢固性搜检的模仿测验，更详细地猜测电子产物的牢固性。

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