芯片封装工艺与芯片封装失效典型现象全解析

一、芯片封装工艺概述

芯片封装是将制造完成的晶圆上的裸芯片通过一系列工艺处理，使其成为具有机械支撑、电气连接、物理保护和良好散热性能的独立电子器件的过程。封装不仅保护芯片免受外界环境的影响，还为芯片提供了一个与外部电路连接的接口。

1. 芯片封装的目的

• 防护：防止芯片受到物理损伤、化学腐蚀、湿气侵入等不良影响。

• 支撑：确保芯片在安装和使用过程中保持稳定，不易损坏。

• 连接：实现芯片内部电路与外部世界的电气连接。

• 可靠性：提高芯片在各种工作条件下的稳定性和寿命。

2. 芯片封装的基本流程

根据不同的封装技术，具体的工艺步骤可能有所不同，但一般包括以下几个主要环节：

2.1 硅片减薄

通过物理或化学方法减少芯片厚度，以利于散热和减小封装体积。

2.2 硅片切割

使用多线切割机或激光设备将大尺寸的晶圆分割成单个芯片。

2.3 芯片贴装

将芯片固定在引线框架或基板上，通常使用银胶或其他粘合剂。

2.4 芯片互联

采用打线键合、载带自动键合（TAB）或倒装芯片键合等方式连接芯片焊区与基板上的金属布线。

2.5 包封固化

用树脂等材料包裹芯片，形成保护层，并进行固化处理。

2.6 电镀

在引脚上镀锡或其他金属，增强焊接性能和抗氧化能力。

2.7 打印

在封装体表面打印产品型号、制造商信息等标识。

2.8 切脚成型

修剪多余的引线，形成标准的引脚形状。

2.9 测试

对封装后的芯片进行全面的功能测试，确保其符合质量要求。

2.10 包装入库

合格的芯片按照规定进行包装，准备出厂销售。

二、芯片封装失效的典型现象

芯片封装失效是指在封装过程中或封装完成后，由于各种原因导致芯片无法正常工作或性能下降的现象。常见的失效模式及其成因如下：

1. 物理损坏

• 裂纹或破损：在封装过程中，如果操作不当或设备故障，可能导致芯片表面出现裂纹或破损。

• 引线断裂：在打线键合过程中，金线可能因张力过大或焊接不良而断裂。

• 封装体开裂：封装材料收缩不均或外部冲击可能导致封装体开裂。

2. 电气故障

• 短路：封装过程中残留的金属颗粒或焊料可能造成不同引脚之间的短路。

• 开路：焊点不良、引线断裂或接触不良可能导致电路开路。

• 漏电流：封装材料绝缘性能不佳或污染可能导致漏电流增加。

3. 热失效

• 过热：封装材料导热性能差或散热设计不合理，可能导致芯片在工作时温度过高，进而引发性能下降或永久性损坏。

• 热应力：封装材料与芯片的热膨胀系数差异较大，可能导致在温度变化时产生热应力，进而引发裂纹或分层。

4. 化学腐蚀

• 氧化：封装材料或引线暴露在潮湿环境中，可能导致氧化，影响导电性和可靠性。

• 腐蚀性物质残留：清洗不彻底可能导致助焊剂残留，长期积累可能腐蚀芯片内部结构。

5. 环境因素

• 湿度：高湿度环境下，封装材料可能吸湿，导致芯片内部受潮，影响电气性能。

• 静电放电（ESD）：封装过程中未采取有效防静电措施，可能导致芯片内部电路被静电击穿。

6. 材料老化

• 封装材料老化：随着时间推移，封装材料可能逐渐失去原有的物理和化学性能，导致芯片性能下降。

• 焊料疲劳：长期使用过程中，焊料可能因温度循环而发生疲劳，导致连接可靠性降低。

三、芯片封装失效的检测与分析方法

为了准确判断芯片封装失效的原因，通常采用以下几种检测与分析方法：

1. 外部目检

通过肉眼或显微镜检查芯片外观，判断是否有裂纹、破损、引线断裂等明显缺陷。

2. X-RAY检测

利用X射线透视芯片内部结构，检测是否存在分层、空洞、引线错位等问题。

3. 声学扫描

通过超声波反射与传输特性，检测芯片内部是否存在杂质、空洞、裂纹等缺陷。

4. 开封后SEM检测

对芯片进行开封处理后，使用扫描电子显微镜（SEM）观察内部微观结构，分析缺陷位置和形态。

5. 电气测试

通过对芯片进行电压、电流、频率等参数的测量，判断是否存在电路异常。

6. 比较分析

将失效芯片与正常工作的芯片进行对比分析，找出差异并推断故障原因。

四、小结论

芯片封装工艺是确保芯片性能和可靠性的重要环节。封装过程中需要注意每一个细节，避免因工艺不当导致芯片失效。同时，针对封装失效的现象，应采用科学的检测与分析方法，及时找出原因并采取相应的改进措施，以提高芯片的整体质量和使用寿命。

五、芯片封装清洗剂选择：

水基清洗的工艺和设备配置选择对清洗精密器件尤其重要，一旦选定，就会作为一个长期的使用和运行方式。水基清洗剂必须满足清洗、漂洗、干燥的全工艺流程。

污染物有多种，可归纳为离子型和非离子型两大类。离子型污染物接触到环境中的湿气，通电后发生电化学迁移，形成树枝状结构体，造成低电阻通路，破坏了电路板功能。非离子型污染物可穿透PC B 的绝缘层，在PCB板表层下生长枝晶。除了离子型和非离子型污染物，还有粒状污染物，例如焊料球、焊料槽内的浮点、灰尘、尘埃等，这些污染物会导致焊点质量降低、焊接时焊点拉尖、产生气孔、短路等等多种不良现象。

这么多污染物，到底哪些才是最备受关注的呢？助焊剂或锡膏普遍应用于回流焊和波峰焊工艺中，它们主要由溶剂、润湿剂、树脂、缓蚀剂和活化剂等多种成分，焊后必然存在热改性生成物，这些物质在所有污染物中的占据主导，从产品失效情况来而言，焊后残余物是影响产品质量最主要的影响因素，离子型残留物易引起电迁移使绝缘电阻下降，松香树脂残留物易吸附灰尘或杂质引发接触电阻增大，严重者导致开路失效，因此焊后必须进行严格的清洗，才能保障电路板的质量。

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