半導體封裝材料和可靠性的測試

作者：朱素山(朱池山) (缅甸华人, 在半導體工作42年)

目前全球通訊，網路，電腦，人工智慧，手機，元宇宙，伺服器，汽車內控制器，音響等等都是電子產品，（硬體），用半導體組合成的，所以，在選擇半導體的封裝材料上都要考慮到，高溫，低溫，濕度，等情況下，半導體的工能可以繼續運作。選擇合適的材料是必須的過程。

目前大多數半导体都是用塑膠材料，包住積成電路的硅片，由金線連接到銅花架，或是用銅材質的電路連結到封裝的錫球。

本文是分享封裝塑料的選擇和可靠性的測試。封裝過程是壓模式封装，使用热固性（交联）环氧树脂，將塑膠在高溫模器內，壓模，塑膠變成液體流入模器內的引线框架-芯片组件將它們包住，或將基板-芯片组件包住，泠𨚫後，塑膠變成固體，積成電路芯片就不會被破壞。

模塑料包括

1.环氧树脂（epoxy resin ) 有機化學的氫，氧，碳的組合, 乙醛Aldehyde 或是,酮ketone形成的

2.酚醛树脂（phenolic resin)

3.Filler填料（结晶二氧化硅）( silicon dioxide SiO2)( 元料=沙）

4.阻燃剂（防火）（antimony oxide and bromide),

5.黑炭粉（黑色封裝，可以防止光，對積成電路的影響, Balck Carbon)

6.蜡（潤滑）(Wax)

模塑料预期应用的要求

1填料 (玻璃纤维,结晶二氧化硅） (Filler= Silicon dioxide) 大大提高树脂的机械强度，降低其膨胀系数，因而减少其成型后的收缩率，也是低成本材料。

2. 环氧树脂(Epoxy Resin)是由碳，氧，氫組合的，基本組合是乙醛Aldehyde 或是酮Ketone. 最常用于半导体塑料封装的聚合物。（化學系，有機化學教科書中基礎課程）

3. 酚醛树脂（Phenolic resin) 是由环氧氯丙烷与酚醛清漆树脂反应制成的，它可以赋予耐热性，因为每个重复基团都含有环氧基团。它还使包装变得更硬，增加了强度模块。

4. 树脂的合成会产生副产品氯化钠 NaCl。钠离子和氯离子都会损害器件的可靠性，因此，在将这些副产物混合成有用的模塑料之前，必须小心地从树脂中清洗掉这些副产物。

在半导体制造中，模塑料是指用于封装和保护封装内的半导体芯片（集成电路或IC）的材料。模塑料通常是一种环氧树脂，被浇注或注入到半导体芯片和引线键合周围，以提供机械支撑，保护芯片免受湿气和污染物等环境因素的影响，并增强其可靠性。

模塑料固化后在芯片周围形成坚硬、耐用的外壳，这也有助于散发半导体器件工作过程中产生的热量。这种封装工艺对于确保半导体器件（尤其是用于各种电子应用的半导体器件）的长期性能和可靠性至关重要。

模塑料通常由树脂、填料和添加剂等材料组成。具体的组合物可以根据最终模制产品的预期应用和所需性能而变化。树脂提供主要粘合剂，而填料可以包括玻璃纤维、碳纤维或矿物质等材料，以增强强度、刚度或其他特性。可以添加添加剂来改变颜色、阻燃性或抗紫外线等性能。模塑料的精确配方是为了满足预期应用的要求而定制的，无论是汽车零部件、电子产品、消费品还是其他用途。

验证半导体模塑料的质量

成型性测试：

1、检查螺旋流(Spiral Flow Test)并用螺旋流长度进行测试。对于传递模来说，确保模塑料液体能够流到每个型腔非常重要。

2. Scan Test 将材料在生产模具中运行150次，检查扫描测试，确保包装表面光滑，表面扫描无渗色。這樣保證在生產過程中不需常常洗模具，外表光鮮，蓋印和油墨也清楚。

3.Thermal Mechanical Analysis 检查热膨胀Tg（玻璃化转变温度）、α1和α2数据，制作小片运行TMA（热机械分析）检查数据。 （普通模塑料 Tg = 160C，但对于薄封装模塑料 Tg 130C）α 1 数据约为 12×10-6/度，α 2 数据约为 50×10-6/度。如果 alpha 1 数据较低会更好，因为芯片表面受到的应力（壓力和抓力）较小，当环境温度变化时，模塑料的应力不会干扰芯片內的集成電路的运行。

材料分析

1. Cat ion and an ion  analysis 检查钠、钾阳离子和氯、溴阴离子等杂质。因為鈉，鉀，氯會產生腐蝕，將芯片上的鋁，腐蝕掉。要求在10ppm 以下。另外測試陰離子雜質測試，Chloride and Bromide test (Used Atomic absorption analysis and Ion chromatography analysis)
2. 檢察环氧树脂的分子量（molecular weight) 如果小型分子量（small molecular weight)太多，在生產過程中會出現膠質溢出，所以大型分子量(large molecular weight)和小型分子量要控制在適當的參數內。

可靠性的測試

可靠性测试; 稳定性测试, Reliability test)可靠性测试：通过测试和建模来评估半導體模塑膠的可靠性的过程。

  1. Operating life test, 使用壽命測試。(125C 高溫，加電壓，1千小時）

         2. Pre-conditioning test,半導體元件表面電焊(Surface mounted processing)， 預先條件測試，

• Temperature cycle test, 高低溫循環測試 或是Thermal shock test. 
•  壓蒸快速測試Autoclave test, （測試半導體在高溫和高濕中的腐蝕產生，如果塑膠原料內有鈉和氯離子的污染，很容易產生鋁的腐蝕。
• 85% 濕度/85攝氏環境測試85/85 temperatures and Humidity test, （可以了解半導體在濕和高溫下的長期運作狀況）
• 高溫150C. 環境測試High Temperature Storage test,(可以測出金和鋁的合金分離模式)

.

.

.

转载请注明：《半導體封裝材料和可靠性的測試》
复制链接