集成电路封装用绝缘胶漏电失效分析

黄炜 付晓君 徐青

(中国电子科技集团公司第二十四研究所)

摘要:

在电子元器件封装领域中，塑封器件正逐步替代气密性封装器件。目前工业级塑封器件已不能满足器件的高可靠性要求，工业级塑封器件在严酷的环境应力试验中经常出现失效。研究

了工业级塑封器件在可靠性筛选试验中出现失效的问题，通过X射线观察和芯片切面分析等方法，查明了造成器件失效的原因，并提出了优化改进措施。

0引言

塑封器件具有体积小、重量轻、成本低、电学性能优良等特点，在电子元器件封装领域应用日益广泛。随着塑封器件的应用范围逐渐扩大，对于要求严苛的应用领域，工业级塑封原材料及技术已不能满足高可靠性的要求。在塑封器件失效案例中，因绝缘胶异常导致的失效问题较隐蔽，不易被发现，主要表现为失效情况不稳定、受环境应力的影响较大、失效器件数量多和不易筛选剔除等现象。

本文选取一种典型的塑封器件绝缘胶失效案例，对塑封器件的失效进行分析，并提出了改进措施以及在设计时的注意事项。

1失效现象

本文的器件样品是一种非门塑封器件，该器件经历了老炼(125℃，96h)，温度冲击(－55℃～70℃、10次循环)，高低温存储(－40℃～60℃)，温度循环(－40℃～60℃，5次5h)等试验后，器件的性能合格。但是，在交变湿热试验(30℃～60℃，85%ＲH、10次24h)后，器件的输入端与地之间出现漏电，导致短路。

对失效器件样品进行了多次测试。第1次测试的结果是输入端对地短路。将样品在常温环境下放置约48h后，进行第2次测试，结果是输入端对地的阻抗恢复正常(MΩ级)。对样品进行温度循环试验(标准GJB548B中的方法1010/实验条件B:－55℃～125℃，20次循环)，第3次测试结果为合格，未出现失效。对样品进行－50℃，12h的低温存储后，进行第4次测试，结果是电路输入端对地之间出现漏电，其阻值约40kΩ(正常值＞20MΩ)。这表明失效样品的2个引脚之间的阻抗不稳定，间歇性出现小于MΩ级的阻抗值，器件性能受到影响。

2失效原因分析

根据该样品塑封结构和内部电连接情况判断，造成输入端对地之间的漏电失效原因如图1所示。原因可能有芯片内部异常、芯片玷污或变形、键合丝异常、塑封应力较大、绝缘胶异常等。

2.1芯片问题

芯片在制造工艺中存在异常或遭受外部异常应力的情况下，可能会导致芯片自身的功能异常。对某批次芯片本身是否存在异常进行了验证，采用化学方法去除芯片周围的塑封料和基板，对芯片引脚进行扎针测试，发现芯片输入端与地的阻抗为正常值，芯片表面无异常。

2.2封装问题

在样品封装过程中，键合丝存在错误键合或交线等异常情况，可能导致输入端对地短路。失效样品的X射线形貌如图2所示。将失效样品与良品电路的X射线形貌进行对比，可以看出，失效样品的键合情况与良品电路的键合情况是一致的，无异常形态，因此排除了键合丝异常导致失效的原因。

塑封器件的芯片表面覆盖着塑封料，塑封料对芯片施加一定的应力，可能导致器件失效。采用机械方法去除芯片表面的塑封料，对引脚间的阻抗进行测试，发现失效样品的输入端与地之间有漏电，即塑封应力消除后失效问题并未消失，因此排除了芯片表面塑封料应力导致失效的原因。

芯片表面有玷污或芯片变形也可能导致芯片短路。在高倍显微镜下观察芯片表面，未发现失效芯片表面有玷污或变形的现象，因此排除了芯片玷污或变形导致电路短路的原因。

器件塑封结构示意图如图3所示。可以看出，芯片衬底电位为地，塑封载体连接输入端电位，芯片底部与塑封载体之间通过绝缘胶隔离。一般情况下，绝缘胶能有效地隔离电位，即输入端与地之间无电流通路，但如果绝缘胶存在异常，其绝缘性能下降，会导致输入端与地之间产生漏电，从而影响器件的性能。采用机械方法去除失效样品的塑封基板，测试其输入端与地之间的I-V特性，发现漏电现象消失。因此，可定位漏电通路位于衬底和基板之间的绝缘胶部位。

综上分析，确定失效样品输入端与地之间的漏电故障是芯片与基板之间的绝缘胶异常所致。

3失效机理分析

失效样品的芯片与基板之间采用绝缘胶，绝缘胶的作用是隔离输入端与地之间的电位。绝缘胶粘接的厚度及质量将影响器件的输入端与地之间的绝缘效果，即影响输入与地之间的阻抗值。

对失效样品和良品电路进行剖面分析，并对器件中的绝缘胶对比检查，发现失效样品比良品电路的芯片粘胶即绝缘胶的空洞更大，如图4所示。潮湿环境下，绝缘胶空洞所在位置容易发生爬电现象，使绝缘胶的绝缘强度进一步下降，最终导致输入端和地之间的绝缘胶产生漏电。

对失效样品进行纵向切面分析，如图5所示。可以看出，芯片背部背金层存在脱落情况。因为绝缘胶中掺杂的脱落背金层导电，所以会降低绝缘胶的绝缘性能。

通过解剖失效样品结构并结合电路故障现象进行分析可知，该样品的输入端与地之间的短路失效的原因是，绝缘胶中的空洞使得绝缘胶的有效厚度变薄。同时，绝缘胶中掺杂有脱落的镀金层，这种绝缘胶容易出现击穿和漏电，在绝缘胶异常与湿热环境的共同作用下，导致芯片与基板之间短路。

4改进措施

目前，工业级塑封无法完全消除绝缘胶产生空洞的情况。为避免绝缘胶中产生空洞、芯片背金层脱落混入绝缘胶等引起器件失效的问题，可从器件结构设计方面采取相应措施，以提升器件的可靠性。结合器件的失效分析情况，本文提出以下器件结构设计的建议。

准确定义器件各引脚之间的电位关系，尽量避免使用绝缘胶隔离不同的电位。当绝缘胶粘结两端(如芯片背部与塑封载体)的电位相同时，绝缘胶仅起粘结作用，即使出现轻微的绝缘胶漏电，对器件的可靠性也不会产生影响。这种方法可从源头上避免缘胶异常导致的器件失效。

对于芯片背面的背金层无明确用途的器件，在需使用绝缘胶粘结的情况下，尽量去除背金层后再使用。这种方法可以避免粘结过程中背金层脱落混入绝缘胶，从而引起绝缘胶绝缘性能下降。

在使用绝缘胶粘结器件时，可根据实际情况适当增加绝缘胶的厚度，同时在绝缘胶中加入绝缘颗粒，从而精确控制胶层的厚度均匀性。这种方法能有效避免绝缘胶厚度不均而导致的漏电问题。

5结论

在部分工业级塑封器件中，绝缘胶产生空洞、掺有金属杂质等异常情况会导致绝缘胶异常，使得器件在温度和湿度应力下产生漏电，甚至导致器件功能失效。在器件高可靠性设计时，需要着重考虑绝缘胶不是理想绝缘的情况。