電子器件是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，其封裝過(guò)程的缺陷和失效也是非常復(fù)雜的。因此，研究封裝缺陷和失效需要對(duì)封裝過(guò)程有一個(gè)系統(tǒng)性的了解，這樣才能從多個(gè)角度去分析缺陷產(chǎn)生的原因。

1. 封裝缺陷與失效的研究方法論

封裝的失效機(jī)理可以分為兩類(lèi)：過(guò)應(yīng)力和磨損。過(guò)應(yīng)力失效往往是瞬時(shí)的、災(zāi)難性的；磨損失效是長(zhǎng)期的累積損壞，往往首先表示為性能退化，接著才是器件失效。失效的負(fù)載類(lèi)型又可以分為機(jī)械、熱、電氣、輻射和化學(xué)負(fù)載等。

影響封裝缺陷和失效的因素是多種多樣的， 材料成分和屬性、封裝設(shè)計(jì)、環(huán)境條件和工藝參數(shù)等都會(huì)有所影響。確定影響因素和預(yù)防封裝缺陷和失效的基本前提。影響因素可以通過(guò)試驗(yàn)或者模擬仿真的方法來(lái)確定，一般多采用物理模型法和數(shù)值參數(shù)法。對(duì)于更復(fù)雜的缺陷和失效機(jī)理，常常采用試差法確定關(guān)鍵的影響因素，但是這個(gè)方法需要較長(zhǎng)的試驗(yàn)時(shí)間和設(shè)備修正，效率低、花費(fèi)高。

在分析失效機(jī)理的過(guò)程中， 采用魚(yú)骨圖（因果圖）展示影響因素是行業(yè)通用的方法。魚(yú)骨圖可以說(shuō)明復(fù)雜的原因及影響因素和封裝缺陷之間的關(guān)系，也可以區(qū)分多種原因并將其分門(mén)別類(lèi)。生產(chǎn)應(yīng)用中，有一類(lèi)魚(yú)骨圖被稱(chēng)為6Ms：從機(jī)器、方法、材料、量度、人力和自然力等六個(gè)維度分析影響因素。

2. 引發(fā)失效的負(fù)載類(lèi)型

封裝的負(fù)載類(lèi)型可以分為機(jī)械、熱、電氣、輻射和化學(xué)負(fù)載。

失效機(jī)理的分類(lèi)

機(jī)械載荷：包括物理沖擊、振動(dòng)、填充顆粒在硅芯片上施加的應(yīng)力（如收縮應(yīng)力）和慣性力（如宇宙飛船的巨大加速度）等。材料對(duì)這些載荷的響應(yīng)可能表現(xiàn)為彈性形變、塑性形變、翹曲、脆性或柔性斷裂、界面分層、疲勞裂縫產(chǎn)生和擴(kuò)展、蠕變以及蠕變開(kāi)裂等等。

熱載荷：包括芯片黏結(jié)劑固化時(shí)的高溫、引線鍵合前的預(yù)加熱、成型工藝、后固化、鄰近元器件的再加工、浸焊、氣相焊接和回流焊接等等。外部熱載荷會(huì)使材料因熱膨脹而發(fā)生尺寸變化，同時(shí)也會(huì)改變?nèi)渥兯俾实任锢韺傩?。如發(fā)生熱膨脹系數(shù)失配（CTE失配）進(jìn)而引發(fā)局部應(yīng)力，并最終導(dǎo)致封裝結(jié)構(gòu)失效。過(guò)大的熱載荷甚至可能會(huì)導(dǎo)致器件內(nèi)易燃材料發(fā)生燃燒。

電載荷：包括突然的電沖擊、電壓不穩(wěn)或電流傳輸時(shí)突然的振蕩（如接地不良）而引起的電流波動(dòng)、靜電放電、過(guò)電應(yīng)力等。這些外部電載荷可能導(dǎo)致介質(zhì)擊穿、電壓表面擊穿、電能的熱損耗或電遷移。也可能增加電解腐蝕、樹(shù)枝狀結(jié)晶生長(zhǎng)，引起漏電流、熱致退化等。

化學(xué)載荷：包括化學(xué)使用環(huán)境導(dǎo)致的腐蝕、氧化和離子表面枝晶生長(zhǎng)。由于濕氣能通過(guò)塑封料滲透，因此在潮濕環(huán)境下濕氣是影響塑封器件的主要問(wèn)題。被塑封料吸收的濕氣能將塑封料中的催化劑殘留萃取出來(lái)，形成副產(chǎn)物進(jìn)入芯片粘接的金屬底座、半導(dǎo)體材料和各種界面，誘發(fā)導(dǎo)致器件性能退化甚至失效。

例如，組裝后殘留在器件上的助焊劑會(huì)通過(guò)塑封料遷移到芯片表面。在高頻電路中，介質(zhì)屬性的細(xì)微變化（如吸潮后的介電常數(shù)、耗散因子等的變化）都非常關(guān)鍵。在高電壓轉(zhuǎn)換器等器件中，封裝體擊穿電壓的變化非常關(guān)鍵。此外，一些環(huán)氧聚酰胺和聚氨酯如若長(zhǎng)期暴露在高溫高濕環(huán)境中也會(huì)引起降解（有時(shí)也稱(chēng)為“逆轉(zhuǎn)”）。通常采用加速試驗(yàn)來(lái)鑒定塑封料是否易發(fā)生該種失效。

需要注意的是，當(dāng)施加不同類(lèi)型載荷的時(shí)候，各種失效機(jī)理可能同時(shí)在塑封器件上產(chǎn)生交互作用。例如，熱載荷會(huì)使封裝體結(jié)構(gòu)內(nèi)相鄰材料間發(fā)生熱膨脹系數(shù)失配，從而引起機(jī)械失效。其他的交互作用，包括應(yīng)力輔助腐蝕、應(yīng)力腐蝕裂紋、場(chǎng)致金屬遷移、鈍化層和電解質(zhì)層裂縫、濕熱導(dǎo)致的封裝體開(kāi)裂以及溫度導(dǎo)致的化學(xué)反應(yīng)加速等等。在這些情況下，失效機(jī)理的綜合影響并不一定等于個(gè)體影響的總和。

3. 封裝缺陷的分類(lèi)

封裝缺陷主要包括引線變形、底座偏移、翹曲、芯片破裂、分層、空洞、不均勻封裝、毛邊、外來(lái)顆粒和不完全固化等。

3.1 引線變形

引線變形通常指塑封料流動(dòng)過(guò)程中引起的引線位移或者變形，通常采用引線最大橫向位移x與引線長(zhǎng)度L之間的比值x/L來(lái)表示。引線彎曲可能會(huì)導(dǎo)致電器短路（特別是在高密度I/O器件封裝中）。有時(shí)，彎曲產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鍵合點(diǎn)開(kāi)裂或鍵合強(qiáng)度下降。

影響引線鍵合的因素包括封裝設(shè)計(jì)、引線布局、引線材料與尺寸、模塑料屬性、引線鍵合工藝和封裝工藝等。影響引線彎曲的引線參數(shù)包括引線直徑、引線長(zhǎng)度、引線斷裂載荷和引線密度等等。

3.2 底座偏移

底座偏移指的是支撐芯片的載體（芯片底座）出現(xiàn)變形和偏移。

影響底座偏移的因素包括塑封料的流動(dòng)性、引線框架的組裝設(shè)計(jì)以及塑封料和引線框架的材料屬性。薄型小尺寸封裝（TSOP）和薄型方形扁平封裝（TQFP）等封裝器件由于引線框架較薄，容易發(fā)生底座偏移和引腳變形。

3.3 翹曲

翹曲是指封裝器件在平面外的彎曲和變形。因塑封工藝而引起的翹曲會(huì)導(dǎo)致如分層和芯片開(kāi)裂等一系列的可靠性問(wèn)題。

翹曲也會(huì)導(dǎo)致一系列的制造問(wèn)題，如在塑封球柵陣列（PBGA）器件中，翹曲會(huì)導(dǎo)致焊料球共面性差，使器件在組裝到印刷電路板的回流焊過(guò)程中發(fā)生貼裝問(wèn)題。

翹曲模式包括內(nèi)凹、外凸和組合模式三種。在半導(dǎo)體公司中，有時(shí)候會(huì)把內(nèi)凹稱(chēng)為“笑臉”，外凸稱(chēng)為“哭臉”。導(dǎo)致翹曲的原因主要包括CTE失配和固化/壓縮收縮。后者一開(kāi)始并沒(méi)有受到太多的關(guān)注，深入研究發(fā)現(xiàn)，模塑料的化學(xué)收縮在IC器件的翹曲中也扮演著重要角色，尤其是在芯片上下兩側(cè)厚度不同的封裝器件上。

在固化和后固化的過(guò)程中，塑封料在高固化溫度下將發(fā)生化學(xué)收縮，被稱(chēng)為“熱化學(xué)收縮”。通過(guò)提高玻璃化轉(zhuǎn)變溫度和降低Tg附近的熱膨脹系數(shù)變化，可以減小固化過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)收縮。

導(dǎo)致翹曲的因素還包括諸如塑封料成分、模塑料濕氣、封裝的幾何結(jié)構(gòu)等。通過(guò)對(duì)塑封材料和成分、工藝參數(shù)、封裝結(jié)構(gòu)和封裝前環(huán)境的把控，可以將封裝翹曲降低到最小。在某些情況下，可以通過(guò)封裝電子組件的背面來(lái)進(jìn)行翹曲的補(bǔ)償。例如，大陶瓷電路板或多層板的外部連接位于同一側(cè)，對(duì)他們進(jìn)行背面封裝可以減小翹曲。

3.4 芯片破裂

封裝工藝中產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致芯片破裂。封裝工藝通常會(huì)加重前道組裝工藝中形成的微裂縫。晶圓或芯片減薄、背面研磨以及芯片粘結(jié)都是可能導(dǎo)致芯片裂縫萌生的步驟。

破裂的、機(jī)械失效的芯片不一定會(huì)發(fā)生電氣失效。芯片破裂是否會(huì)導(dǎo)致器件的瞬間電氣失效還取決于裂縫的生長(zhǎng)路徑。例如，若裂縫出現(xiàn)在芯片的背面，可能不會(huì)影響到任何敏感結(jié)構(gòu)。

因?yàn)楣杈A比較薄且脆，晶圓級(jí)封裝更容易發(fā)生芯片破裂。因此，必須嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)移成型工藝中的夾持壓力和成型轉(zhuǎn)換壓力等工藝參數(shù)，以防止芯片破裂。3D堆疊封裝中因疊層工藝而容易出現(xiàn)芯片破裂。在3D封裝中影響芯片破裂的設(shè)計(jì)因素包括芯片疊層結(jié)構(gòu)、基板厚度、模塑體積和模套厚度等。

3.5 分層

分層或粘結(jié)不牢指的是在塑封料和其相鄰材料界面之間的分離。分層位置可能發(fā)生在塑封微電子器件中的任何區(qū)域；同時(shí)也可能發(fā)生在封裝工藝、后封裝制造階段或者器件使用階段。

封裝工藝導(dǎo)致的不良粘接界面是引起分層的主要因素。界面空洞、封裝時(shí)的表面污染和固化不完全都會(huì)導(dǎo)致粘接不良。其他影響因素還包括固化和冷卻時(shí)收縮應(yīng)力與翹曲。在冷卻過(guò)程中，塑封料和相鄰材料之間的CTE不匹配也會(huì)導(dǎo)致熱-機(jī)械應(yīng)力，從而導(dǎo)致分層。