PBGA封装的耐湿热可靠性试验研究.docx

          PBGA封装的耐湿热可靠性试验研究                    0 引言塑料固有的多孔性和吸水性的特点，使得水汽对塑料封装器件可靠性的影响越来越大，其主要失效形式为腐蚀和界面开裂大多数湿热条件下的退化现象是直接或间接地由塑封材料吸附水蒸汽和水膜，以及金属和绝缘材料表面变湿而引起的这种现象会产生多种类型的衰变，其中包括金属的腐蚀、材料成分的变化及电特性变差[，这些衰变极易使元件内部界面发生开裂，从而产生可靠性问题本文主要针对在热、湿因素影响下的塑封PBGA电子器件内部界面开裂失效问题，采用耐湿试验的方法进行研究1 试验设计1.1 试验样本的制备在试验中，使用Intel公司生产的型号为RD28F3208C3T70的PBCA封装器件做试件，共有12个试件其封装实物如图l，结构如图2所示为了进一步评估高温和炎热环境对PBCA器件微结构的影响，对经过温度循环的试件进行金相切片观察金相切片依照IPC-TM-650 2.1.1标准来进行，金相样本如图3所示1.2试验方法试验依照CJB 548A-1996-1 1004A标准进行，试验过程中环境湿度保持在90%~100% RH，温度循环在30—80℃，循环周期为8 h/cyc。

每个周期前2.5 h温度从30℃持续上升到80℃(升温速率l℃/3 min)，然后在80℃保温3h，接着2.5 h从80℃下降到20℃（降温速率l℃/3 min），温度循环曲线如图4所示试验采用温度循环的方法，使进入密封外壳内的水汽产生“呼吸”作用在高温下，湿气的影响将更加明显，也能增强试验效果试验的目的是用加速方式评定元器件及其所用材料在高湿和炎热（典型的热带环境）条件下的可靠性试验共进行30个周期的温度循环，每3个周期取出10个试样用电子天平进行称重金相切片和显微镜扫描试验依据IPC-TM-6502.1.1标准进行，制备金相样本后，先使用金相显微镜观察样本的截面结构，对截面情况进行分析，再使用扫描电子显微镜进行扫描分析2试验结果2.1 温度循环称重结果称重试验用来测量PBGA器件在耐湿试验过程中的湿气含量，其湿气含量可以由式(1)计算出，即式中：M是元件吸湿后的质量；Mdry是元件未吸湿时的质量；W是湿气含量占元件质量的百分比，即相对湿度耐湿试验称重结果如表1所示2.2金相显微镜与SEM扫描结果共有35个PBGA器件，分为4组，每组器件在经历不同循环周期后的截面扫描结果如表2所示其金相显微镜与SEM扫描结果如图5~8所示。

其材料间界面清晰，接触良好，没有出现裂纹，在DA材料与芯片接触面的边缘有空洞缺陷，如图5(a)所示图6为经历了10个周期温度循环试验的器件截面照片，其材料间界面没有大的变化，界面接触良好，也没有出现裂纹，同样在DA材料与芯片接触面的边缘有空洞缺陷，如图6 (a)所示图7为经历了20个周期温度循环试验的器件截面照片，可以看到芯片( DIE)周围出现了裂纹，如图7 (a)、(b)所示DA材料与芯片接触面的边缘有空洞，如图7 (c)所示聚合物材料接触面(DA-EMC界面)模糊，且DA- EMC界面出现不同于DA材料和EMC材料的物质，如图7(d)所示，图8[来自www.lW5u.coM]为经历了30个周期温度循环试验的器件截面照片，可以看到芯片( DIE)周围出现了裂纹，如8 (a)所示聚合物材料接触面（DA-EMC和EMC-BT界面）出现了与组成界面的两种聚合物材料不同的物质，如8 (b)、(c)所示DA材料与芯片接触面的边缘有空洞，如图8 (d)所示3 试验结果分析与讨论试验称重结果表明，在前15个周期，器件共增重0.238 4%，后15个周期只增重0.039 7%，且在第18个周期后增重几乎为零。

利用式(1)计算出元件试验过程中湿气的质量分数，计算结果如图9所示在前10个循环周期中器件内部没有出现裂纹，原因是在固化成型过程中，一种材料的熔融液相可以扩展到另一材料表面的坑凹之中，因而两相接触面积大，结合紧密，即浸润浸润是形成界面的基本条件之一，因此在一般的环境中或短期的湿热环境中不易产生界面开裂，如图5、图6所示称重试验结果表面，在耐湿试验进行10个周期后，器件内部的潮湿量逐渐达到饱和，不再吸收湿气且显微镜扫描试验结果表明，耐湿试验后期器件产生的裂纹主要出现在芯片、DA与EMC三种材料交界处的芯片上及芯片与DA材料界面处的芯片上如图7 (d)和图8(c)，在连续的温度循环冲击下，聚合物材料DA和EMC的界面已经不是简单的几何平面，而是生成了包含着两相之间过渡区域的三维界面相，界面相内的化学组成、分子排列、热性能、力学性能呈现连续梯度性变化图10是界面相生成示意图界面相的形变可以起到松弛应力的作用，从而抑制了裂纹的产生芯片与DA材料、芯片与EMC材料间没有能相互发生化学反应的活性基团，因此芯片周围的界面不存在界面相，所以芯片、DA和EMC三种材料交界处的应力得不到松弛，容易产生裂纹。

从图5 (a)可以看出，芯片边缘存在空洞缺陷芯片、BT基板、DA材料与EMC材料具有不同的热膨胀系数，其热膨胀系数值如表3所示当温度循环的幅度增大时，由于膨胀系数不匹配，使得芯片中心位置产生张应力和边缘部位产生剪切力，使已经存在的缺陷可能发展成裂缝有裂缝的器件在工作应力下，裂缝可能达不到临界尺寸，但随着疲劳的不断传播，它将逐渐扩大达到临界尺寸当芯片中心或边缘处的表面裂缝达到临界尺寸或在热循环中扩展到临界裂缝尺寸时，芯片就会在没有任何塑性形变的情况下突然发生脆性破裂，如图7 (a)、(b)和图8(a)所示此外芯片和基板的热膨胀系数不同，它们之间的粘结层（DA层）会发生疲劳失效空洞是粘结层中常见的缺陷，如图5 (a)、图6(a)、图7(c)和图8 (d)所示视空洞形状的不同，空洞附近的应力集中能够使局部应力超过额定应力的3倍…在温度循环过程中，芯片粘结层边缘的空洞会产生很大的纵向应力，这个纵向应力很容易导致芯片裂缝与边缘空洞相反，粘结层中心部位的空洞附近应力的压缩特性大大降低了裂缝扩展的可能性，因此芯片比粘结层容易产生裂纹从试验结果看，芯片是最容易产生裂纹的地方，芯片的裂纹能够导致器件的直接失效。

而湿热环境下芯片与聚合物交界点应力集中，芯片与聚合物材料间不能形成过渡层，使得芯片应力得不到松弛，芯片边缘的空洞缺陷在温度循环下产生的纵向应力，是芯片产生裂纹的主要原因4 结语本文采用耐湿温度循环试验的方法评估了PBGA器件在高湿和炎热（典型的热带环境）条件下的可靠性简单介绍了试验原因，并确立了试验内容、试验研究方法、试验过程，对试验结果做出分析，结果表明，耐湿试验后期器件产生的裂纹主要出现在芯片、DA材料和EMC材料三种材料交界处的芯片上及芯片和DA材料界面处的芯片上；在器件内部两种不同聚合物材料的交界处生成了一个塑性层，塑性层的形变可以起到松弛应力的作用，从而抑制了裂纹的产生；在DA材料与芯片界面的边缘存在空洞缺陷，在温度循环过程中，芯片边缘的空洞会产生很大的纵向应力，这个纵向应力很容易导致芯片裂缝  -全文完-。