文章來源：學習那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要講述常見的封裝失效現象。

金線偏移

金線偏移是封裝環(huán)節(jié)中最為常見的失效形式之一，IC元器件往往因金線偏移量超出合理范圍，導致相鄰金線相互接觸，進而引發(fā)短路（Short Shot），嚴重時還會造成金線斷裂形成斷路，最終導致元器件出現功能性缺陷。引發(fā)金線偏移的具體原因主要有以下幾類：

（1）樹脂流動產生的拖曳力。這是導致金線偏移失效的最主要誘因，在封裝填充階段，若樹脂黏性過高、流動速度過快，會對金線產生持續(xù)的拖拽作用，進而使金線的偏移量隨之增大，破壞金線原有的排布狀態(tài)。

（2）導線架的變形。導線架發(fā)生變形的主要原因是上下模穴內的樹脂流動波前不均衡，這種不均衡會導致上下模穴的模流之間產生壓力差，導線架在該壓力差的作用下會承受一定的彎矩，進而發(fā)生形變。由于金線連接在導線架的芯片焊墊與內引腳之間，導線架的形變會直接帶動金線發(fā)生位移，最終引發(fā)金線偏移。

（3）氣泡的移動。在樹脂填充過程中，空氣可能會滲入模穴內部，形成微小氣泡，這些氣泡在模穴內隨樹脂流動而移動，當氣泡碰撞到纖細的金線時，會對金線產生沖擊力，導致金線出現不同程度的偏移。

（4）過保壓/遲滯保壓。過保壓會使模穴內部產生過高的壓力，即便金線發(fā)生輕微偏移，也無法依靠自身彈性恢復到原始位置；遲滯保壓則會導致作業(yè)溫度升高，對于添加催化劑后反應速率較快的樹脂而言，溫度升高會使樹脂黏性進一步增大，同樣會阻礙偏移金線的彈性復位，導致偏移狀態(tài)固定。

（5）填充物的碰撞。封裝材料中通常會添加一定量的填充物，當填充物顆粒尺寸較大時（如2.5~250μm），這些硬質顆粒在樹脂流動過程中會碰撞到精細的金線（如25μm），進而對金線產生沖擊，引發(fā)金線偏移。

除上述幾類主要原因外，隨著多引腳集成電路技術的不斷發(fā)展，封裝結構中的金線數量和引腳數量持續(xù)增加，金線排布密度也隨之提升，更高的金線密度會進一步放大金線偏移的影響，使偏移問題更為顯著。為有效降低金線偏移量，防范短路、斷路等故障的發(fā)生，封裝技術人員需合理選用封裝材料，精準控制各項工藝參數，減少模穴內金線所承受的應力，確保金線偏移量控制在合理范圍內。

芯片開裂

IC裸芯片通常以單晶硅為原材料制成，而單晶硅晶體具有硬度高、脆性強的特點，硅片在受到外力應力作用或表面存在微小缺陷時，極易發(fā)生開裂。在晶圓減薄、晶圓切割、芯片貼裝、引線鍵合等需要施加應力的封裝工藝過程中，均有可能出現芯片開裂現象，這也是引發(fā)IC封裝失效的重要原因之一。

若芯片的裂紋未延伸至引線區(qū)域，其隱蔽性較強，不易被發(fā)現。在更為嚴重的情況下，常規(guī)工藝過程中無法觀察到芯片裂紋，即便通過芯片電學性能測試，含裂紋芯片與無裂紋芯片的電學性能指標也幾乎一致，容易讓人忽視裂紋的存在，但這些潛在的裂紋會嚴重影響封裝完成后器件的可靠性和使用壽命。由于常規(guī)電學性能測試無法檢測出芯片開裂缺陷，因此芯片開裂失效需通過高低溫熱循環(huán)實驗進行排查，避免裂紋進一步擴展影響芯片的長期可靠性。

高低溫熱循環(huán)實驗的核心原理是：不同材料的熱膨脹系數存在差異，在加熱與冷卻的循環(huán)過程中，不同材料之間會因熱脹冷縮差異產生熱應力，該熱應力會促使芯片內部已有的裂紋不斷擴展，最終導致芯片破裂，其損傷會直觀體現在芯片電學性能的異常變化上。

由上述分析可知，芯片開裂通常是由外界應力作用引發(fā)的，因此在檢測出芯片存在開裂缺陷后，需及時調整芯片封裝的工藝流程與工藝參數，最大限度減小各工藝環(huán)節(jié)對芯片的應力作用。例如：在晶圓減薄過程中，優(yōu)化加工工藝使芯片表面更加平滑，從而達到消除表面應力的效果；在晶圓切割過程中，采用激光切割工藝替代傳統切割方式，降低芯片表面所承受的機械應力；在引線鍵合過程中，合理調整鍵合溫度與鍵合壓力，減少應力對芯片的損傷等。

界面開裂

開裂現象不僅會發(fā)生在芯片內部，還可能出現在不同封裝材料的交界面處，形成界面開裂。在界面開裂的初期階段，不同材料之間仍能保持良好的電氣連接，不會立即影響器件正常工作，但隨著使用時間的延長，熱應力作用以及電化學腐蝕會不斷加劇界面開裂的程度，進而破壞不同材料之間的電氣連接，嚴重影響集成電路的可靠性。

界面開裂的成因較為復雜，主要與封裝工藝相關，其中封裝應力過大、封裝材料受到污染是最主要的誘因。界面開裂可能發(fā)生在金線與焊盤的連接處，導致線路斷路；也可能發(fā)生在外部塑料封裝體中，使封裝體失去對芯片的有效保護，進而引發(fā)芯片污染。因此，需通過專業(yè)檢測手段排查潛在的界面開裂缺陷，并針對性調整封裝工藝，防范故障發(fā)生。

基板裂紋

在倒裝焊工藝過程中，需通過焊球實現芯片與基板焊盤的連接，基板裂紋是該焊接過程中易出現的失效形式；同時，在引線鍵合工藝環(huán)節(jié)，也可能引發(fā)基板開裂。基板一旦出現裂紋，會直接影響芯片的電學性能，導致器件出現斷路、高阻抗等異?，F象，影響器件正常工作。

基板開裂的成因具有多樣性，一方面可能是芯片或基板本身存在制造缺陷，另一方面也可能是焊接過程中工藝參數不匹配導致的，如鍵合力過大或過小、基板溫度過高或過低、超聲功率異常等，均會引發(fā)基板開裂。

再流焊缺陷

再流焊工藝易引發(fā)晶圓翹曲問題，由于不同封裝材料的熱膨脹系數存在固有差異，再加上流動應力和黏著力的影響，封裝體在封裝過程中會受到外界溫度變化的作用，不同材料之間會通過翹曲變形的方式來釋放溫度變化產生的內應力，其中翹曲現象在再流焊接環(huán)節(jié)最為容易發(fā)生。翹曲受多種工藝參數的影響，因此通過調整單個或一組工藝參數，即可實現翹曲現象的減少或消除。

產生翹曲的核心原因是施加在元器件上的作用力不均衡。在預熱階段，器件一端脫離焊膏的情況可能由多種因素引發(fā)，如不同材料熱膨脹系數差異、焊膏涂覆不均勻、器件放置位置偏差等，這種情況會直接阻斷熱量的直接傳導。當熱量通過器件本身進行傳導時，一端的熔化焊料會相對于另一端形成新月形，其表面拉力產生的扭轉力矩大于器件自身重量，進而引發(fā)器件翹曲。

為改善翹曲現象，首先需嚴格控制焊膏印刷精度和器件放置精度。這類參數與設備操作密切相關，在生產全流程中需嚴格遵循生產規(guī)范，做好印刷設備和安裝設備的日常維護工作，從而有效減少翹曲現象的發(fā)生。其次，需控制印刷的清晰度和精確度，這類參數會直接改變襯墊配置，同時可能增加元器件相反端點之間的受力不平衡，進而直接引發(fā)翹曲。

為降低失效風險，需定期檢查印刷配準參數，發(fā)現配準錯誤及時糾正；定期清洗印刷模板，避免模板開口堵塞；同時檢查焊膏狀態(tài)，確保焊膏未出現過度干燥的情況，且支撐印刷電路板的基板需保持平坦、堅固。此外，需高度重視器件放置精度，放置不當同樣會引發(fā)翹曲，為最大限度減少設備故障，需定期檢查進料器，確保其基部對準；由于元器件拾取點尺寸較小，該檢查環(huán)節(jié)至關重要。同時，需保證支撐印刷電路板的平臺平坦堅固，精準控制放置對準精度，降低放置速度，并根據常用拾取工具的特性，確定合適的噴嘴尺寸。

由于翹曲是由器件兩端受力不平衡引發(fā)的，而器件受力情況取決于焊接材料和襯墊的表面特性，因此焊接材料和印刷電路板均會對翹曲現象產生影響。對于焊接合金而言，合金在熔點時的表面張力越小，翹曲發(fā)生時產生的扭曲力就越小。目前雖尚未形成統一的合金標準評估體系，但部分廠商已嘗試采用Sn/Pb/In合金，實踐表明該合金對翹曲現象有一定影響，但影響程度并不顯著。

不同類型的焊膏對翹曲也會產生不同影響，在其他條件保持一致的情況下，焊膏的活性越強，翹曲現象越容易發(fā)生。印刷電路板和器件表面的光滑度會影響焊膏的潤濕特性，過量使用焊膏會引發(fā)翹曲，減少焊膏使用量可有效減小焊膏熔化時產生的應力作用。在再流焊過程中，若器件兩端的熱傳遞速度存在較大差異，會導致一定時間內一端受力明顯大于另一端，進而引發(fā)翹曲。

錫珠也是再流焊工藝中常見的缺陷之一，其主要分布在無引腳片式元器件的兩側。若錫珠未與其他焊點連接，不僅會影響封裝外觀的整潔度，還會對產品的電性能產生不良影響。模板開口不合適、對位不準、錫膏使用不當、預熱溫度不合理、焊膏殘留等，均是引發(fā)錫珠缺陷的主要原因。

針對模板開口問題，若鋼網開口過大或開口形狀不合理，會導致貼放片式元器件時，焊膏蔓延至焊盤外部，進而形成錫珠。為避免此類情況，通常情況下，片式阻容元器件的模板開口尺寸應略小于對應的印制板焊盤；考慮到線路板的刻蝕量，焊盤的模板開口尺寸一般為印制板焊盤的90%~95%。此外，需結合實際生產情況，靈活選擇片式元器件的模板開口形狀，可有效防止因錫膏過量被擠壓而形成錫珠。

模板與印刷電路板的對位需精準無誤，且兩者需固定牢固，對位偏差會導致錫膏蔓延至焊盤外部，引發(fā)錫珠缺陷。錫膏印刷分為手工、半自動和全自動三種方式，即便采用全自動印刷，壓力、速度、間隙等關鍵參數仍需人工設定，因此無論采用哪種印刷方式，都需合理調整機器、模板、印刷電路板與刮刀之間的配合關系，確保印刷質量達標。

錫膏需在低溫環(huán)境下冷藏保存，從冷藏室取出后，若升溫時間不足、攪拌不均勻，會導致錫膏吸濕，在高溫再流焊過程中，吸濕的水汽會揮發(fā)出來，進而形成錫珠。因此，錫膏使用前需先恢復至室溫（通常需4小時左右），并充分攪拌均勻后再進行印刷使用。

溫度曲線是再流焊工藝的核心參數，主要分為預熱、保溫、回流、冷卻四個階段。其中，預熱和保溫階段的主要作用是減少元器件和印刷電路板受到的熱沖擊，并將錫膏中的溶劑充分揮發(fā)。若預熱溫度不足或保溫時間過短，會直接影響最終的焊接質量，通常保溫階段的工藝要求為150~160℃、70~90s。

生產過程中，若出現需重新印刷錫膏的情況，需將原有錫膏徹底清理干凈，否則殘留的錫膏會在再流焊過程中形成錫珠。因此，重新印刷前需仔細刮除殘余錫膏，避免錫膏流入插孔堵塞通孔，隨后對印刷區(qū)域進行徹底清理。

除翹曲和錫珠外，空洞也是再流焊工藝中的主要缺陷，空洞指的是分布在焊點表面或內部的氣孔或針孔，其形成原因具有多樣性。例如：焊膏中金屬粉末含氧量過高、使用回收焊膏、工藝環(huán)境衛(wèi)生條件較差、焊膏中混入雜質等，針對此類情況，需嚴格把控焊膏質量，選用合格的焊膏產品；焊膏受潮吸濕，針對此類情況，需待焊膏恢復至室溫后再打開容器蓋，同時控制生產環(huán)境溫度在20~26℃、相對濕度在40%~70%；元件焊端、引腳、印制電路板焊盤氧化或污染，以及印制板受潮，針對此類情況，需遵循元件“先到先用”原則，避免元件長期存放于潮濕環(huán)境，且不超過規(guī)定的使用期限；升溫速率過快，導致焊膏中溶劑和氣體揮發(fā)不完全，進入焊接區(qū)形成氣泡，針對此類情況，需將160℃前的升溫速率控制在1~2℃·s?1。

再流焊過程中還可能出現其他各類缺陷，具體包括：焊膏熔融不完全，即全部或部分焊點周圍殘留未熔化的焊膏；潤濕不良，即元件焊端、引腳或印刷電路板焊盤出現不沾錫或局部不沾錫的情況；焊料量不足，指焊點高度未達到規(guī)定要求，會影響焊點的機械強度和電氣連接可靠性，嚴重時會引發(fā)虛焊或斷路，如元件斷頭、引腳與焊盤接觸不良或完全未連接；橋連（又稱短路），即元件端頭之間、引腳之間，以及端頭或引腳與鄰近導線等電氣上不應連接的部位，被焊錫意外連接；錫點高度接觸或超過元件體，即焊料向焊端或引腳根部流動，導致焊料高度接觸元件或超出元件表面；錫絲，即元件焊端之間、引腳之間，以及焊端或引腳與通孔之間出現細微的錫絲；元件或端頭存在不同程度的裂紋或缺損；元件端頭電極鍍層出現不同程度的剝落，露出元件本體材料；冷焊（又稱焊紊亂），即焊點表面存在焊錫紊亂的痕跡；焊錫表面或內部出現裂縫；此外，還有一些肉眼無法直接觀察到的缺陷，如焊點晶粒大小、焊點內部應力、焊點內部裂紋等，這類缺陷需通過X射線檢測、焊點疲勞測試等專業(yè)手段才能排查出來。