來源：芯禾葉帶你看芯片

一、概述

塑封器件在尺寸微型化、重量輕量化、成本效益和電氣性能方面較陶瓷封裝與金屬封裝具有顯著優(yōu)勢，成為消費電子、工業(yè)控制等領域的主流選擇。然而，在航空航天、深海探測、車載電子等惡劣應用環(huán)境中，塑封器件面臨嚴峻挑戰(zhàn)。高溫高濕、低氣壓、強振動及劇烈溫差變化等極端條件，會顯著加劇因環(huán)氧模塑料自身吸濕特性、以及塑封體與芯片、引線框架、基板等多種材料間熱膨脹系數不匹配所引發(fā)的可靠性問題，進而誘發(fā)器件內部腐蝕、塑封體開裂、界面分層等多種缺陷，限制了其在高可靠性要求場景中的廣泛應用。

二、失效模式

由于塑封材料的固有特性及其與內部組件在物理、化學性能上的差異，塑封器件在經受機械、熱、濕氣、化學或電應力時，容易出現(xiàn)多種物理失效，其中最常見的包括分層、斷裂和腐蝕。

1.分層

分層是塑封器件中最普遍的失效模式之一，指封裝體內相鄰材料界面的分離。主要類型包括：模塑料與芯片表面分層、模塑料與引線框架/基板分層、芯片與貼片膠分層，以及貼片膠與框架/基板分層等。引發(fā)分層的主要因素包括外界濕氣侵入、溫度循環(huán)、環(huán)境濕度變化及工藝殘留應力等。尤其在芯片貼片區(qū)、鍵合點等關鍵區(qū)域發(fā)生分層時，可能導致芯片背部電勢異常、鍵合點脫開或導線斷裂，進而引起電性能失效。

2.腐蝕

模塑料具有一定的吸濕性，環(huán)境中潮氣可透過塑封體或沿其與框架/基板的界面滲透至器件內部，并在芯片表面、鍵合點及金屬互連處積聚。在電場或離子污染作用下，可能引發(fā)電化學腐蝕，導致金屬導線、焊盤或鍵合點腐蝕。腐蝕會進一步造成器件電參數漂移、漏電流增大，甚至引起開路或短路等致命失效。

3.斷裂

由于模塑料、框架/基板與硅芯片之間存在顯著的熱膨脹系數差異，在溫度劇烈變化或多次溫度循環(huán)中，各材料因熱脹冷縮不協(xié)調而產生較大內應力。當該應力超過材料本身的強度極限時，即可能引發(fā)斷裂。最常見的斷裂形式是硅芯片的脆性斷裂，此外模塑料本體或界面處也可能發(fā)生開裂。

4.其他

電遷移：在大電流密度作用下，金屬互連（如鍵合線、銅柱）內的原子發(fā)生定向遷移，形成空洞或晶須，導致電阻升高或斷路。

熱載流子注入：在高電場下，載流子獲得足夠能量注入柵氧層，引起器件閾值電壓漂移、跨導退化，影響長期可靠性。

界面退化：在高溫、高濕或偏壓條件下，塑封體與芯片鈍化層、金屬層之間的粘接界面可能發(fā)生化學降解或離子污染，導致絕緣性能下降或漏電。

氣密性失效：塑封體本身不具備氣密性，在高壓、高濕或腐蝕性氣氛中，外部污染物更易侵入，加速內部腐蝕、枝晶生長等失效進程。

三、可靠塑封技術

1）材料體系創(chuàng)新：提升“體質”

1.低應力/低CTE模塑料：通過添加無機填料（如二氧化硅）或采用新型樹脂基體，降低模塑料的熱膨脹系數（CTE），使其與芯片、基板更匹配，減少熱應力導致的翹曲和開裂。

2.低吸濕性材料：開發(fā)疏水性更強的樹脂體系，或采用表面改性技術，降低材料的吸濕率，從源頭上減少水汽侵入導致的腐蝕和“爆米花”效應。

3.耐高溫材料：針對高溫應用（如汽車引擎艙），使用高玻璃化轉變溫度（Tg）的環(huán)氧樹脂或特種工程塑料（如PEEK、LCP），確保在高溫下仍能保持結構穩(wěn)定。

4.框架/基板

塑封器件的框架材料主要為銅和4J42合金。QFN和QFP類器件通常采用銅框架。研究表明，銅框架表面經棕化處理后與模塑料的結合強度優(yōu)于鍍層框架。為滿足貼片與鍵合工藝要求，常在貼片區(qū)和鍵合點位置進行局部鍍銀。另有研究指出，銀鍍層與未經棕化處理的銅框架相比，結合強度更高，這得益于銀層較軟，在模壓過程中模塑料中的二氧化硅填料可嵌入銀層，形成機械互鎖，增強結合。

QFN類框架：多采用半刻蝕結構，在貼片區(qū)周圍設計環(huán)形或“X”型半刻蝕圖形，模塑后與模塑料形成機械互鎖，提高結合強度，如圖所示。

QFP類框架：通常在貼片區(qū)周圍設置貫通孔，既能實現(xiàn)機械互鎖，又能在熱應變時釋放芯片與框架間的應力，提升可靠性。

高可靠QFN框架設計示例

2）封裝工藝

1.模塑工藝

模塑工藝主要包括傳遞模塑和壓縮模塑。傳遞模塑因成本低、產量高而為主流；壓縮模塑則適用于薄芯片、多芯片及晶圓級封裝，其模具可小范圍調整模塑高度。在傳遞模塑中，需優(yōu)化模具溫度、合模壓力與時間等關鍵參數，以防止沖絲、氣孔等缺陷。

塑封料在模塑中受熱熔融，流動并填充框架表面經棕化處理形成的微蝕坑，通過機械互鎖增強結合。為提升界面粘接強度，可在模塑前于器件表面涂覆附著力促進劑（如硅烷偶聯(lián)劑）。

模塑后常需進行數小時后固化，其溫度低于模塑溫度。后固化時通常在器件上方施加配重，以抑制模塑料固化收縮導致的框架/基板翹曲。

2. 貼片工藝

芯片與框架/基板之間存在明顯的熱膨脹系數差異，芯片厚度越大，在溫度變化時產生的熱應力也越大。綜合考慮薄芯片在柔韌性、散熱性能及成本方面的優(yōu)勢，通常建議將芯片厚度控制在150–200μm范圍內。

根據芯片背面電位的要求，通常采用導電膠或絕緣膠對芯片進行固定。貼片膠的固化溫度與時間不僅影響粘接強度，若固化不充分，膠內殘留的水汽在器件后續(xù)回流焊過程中易引發(fā)“爆米花”現(xiàn)象。研究表明，貼片膠的楊氏模量越大，在熱應變作用下芯片與基板的翹曲變形及芯片內部的最大等效應力也越大。因此，為減少貼片工藝中的翹曲變形并降低芯片應力，應在允許范圍內盡量選用楊氏模量較低的貼片膠。塑封器件在回流過程中貼片膠界面可能出現(xiàn)分層現(xiàn)象，其典型形貌如圖所示。

塑封器件回流過程中貼片膠界面出現(xiàn)分層

3）工藝與后處理技術：構筑“屏障”

高可靠塑封的實現(xiàn)不僅依賴于材料與結構，更需借助精密可控的制造工藝與針對性的后處理技術，在關鍵界面和整體封裝體外構筑多重防護“屏障”，以抵御外界嚴苛環(huán)境的侵蝕與內部應力的破壞。

等離子體清洗：在塑封工序前，采用氧氣、氬氣或混合氣體等離子體對芯片表面、基板焊盤及引線框架進行轟擊清洗。此過程能高效去除有機污染物、氧化物及微量雜質，顯著活化和清潔界面，使后續(xù)模塑料或貼片膠能與基底形成更強、更穩(wěn)定的物理與化學結合，從根本上降低因界面污染導致的分層風險。

界面增粘技術：在清洗后的潔凈表面，通過旋涂、噴涂或氣相沉積等方法施加硅烷偶聯(lián)劑等界面處理劑。這類分子一端可與無機表面（如SiO?、SiN鈍化層、金屬）形成化學鍵，另一端則與有機的模塑料樹脂發(fā)生反應或糾纏，從而在兩種性質迥異的材料間建立起牢固的、持久的化學橋接，極大增強界面粘附強度和抗水解能力，其效果遠優(yōu)于僅依靠粗糙度形成的物理互鎖。

三防漆：為塑封體提供額外的外防護層。常用的聚對二甲苯等材料可通過氣相沉積工藝形成幾微米至數十微米厚、無針孔、保形性極佳的均勻薄膜。該薄膜具有極低的水汽滲透率和優(yōu)異的介電性能，能有效阻隔外界濕氣、鹽霧、酸堿氣氛及污染物離子的侵入，顯著延緩內部金屬線路的電化學腐蝕和絕緣性能退化，是提升塑封器件在潮濕、污染環(huán)境中長期可靠性的關鍵后處理步驟。

預成型料與轉移模塑工藝優(yōu)化：采用固態(tài)片狀或餅狀預成型料，而非傳統(tǒng)粉末或顆粒料進行轉移模塑。預成型料在模具中受熱熔融后，其流動性更均勻、粘度更穩(wěn)定，可減少因熔體前沿紊流對細金線造成的沖擊，有效抑制“沖絲”現(xiàn)象。同時，固態(tài)進料方式減少了模腔內揮發(fā)性氣體的產生，有利于降低空洞缺陷，并能實現(xiàn)更精準的計量與更一致的填充，從而整體提升成型質量與可靠性。