低功耗IC封装用绝缘胶漏电问题及解决办法

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邱焕枢

(佛山市蓝箭电子股份有限公司)

 

摘要:

 

本文对芯片异常、键合内引线异常、塑封应力大、芯片表面刮花和变形、固晶生产工艺缺陷、芯片本身缺陷以及静电引起的漏电问题进行了全面地分析和阐述,并根据多年的工作经验总结出了一些切实可行的解决办法。

 

低功耗 IC 封装中,绝缘胶漏电问题对整个芯片系统的正常运行具有重要的影响,经过多年的研究与实践,低功耗 IC 用绝缘胶出现的漏电问题与半导体工艺水平高低之间有着直接的关系。其中,由于绝缘胶漏电问题是较为隐蔽和不容易发现的,进而延长了问题的解决时间。为此,选择合格的绝缘胶是降低和减少其漏电问题最有效的方法之一。

 

1 低功耗IC封装用绝缘胶漏电问题综述

 

低功耗 IC 封装用绝缘胶漏电,即 PN 结在截止时产生的一种很微小的电流。低功耗 IC 封装用绝缘胶漏电问题业内人士都曾遇到过,这一问题也一直困扰着封装工程师,该问题的出现可以在低功耗 IC 封装用绝缘胶封装后发现,也可以在其使用过程中发现,而低功耗 IC 封装用绝缘胶失效是其漏电问题中最为常见的一种,解决低功耗 IC 封装用绝缘胶漏电,是提高其使用性能最积极和主动的手段之一。

 

2 低功耗IC封装用绝缘胶失效表现及原因分析

 

2.1 低功耗IC封装用绝缘胶失效表现

 

本文所选择的是一种塑封封装的低功耗IC封装用绝缘胶样品,该样品在经过了老炼(125℃,72h)、冷热冲击(-65℃~ 150℃)、温度循环(-45℃~ 55℃,4 次 4h)等的试验之后,该样品的性能依然合格。但是,其在经过交变湿热试验(30℃~ 60℃。75%RH,8次 48h)之后,该样品的输入端出现了漏电现象,导致低功耗 IC封装用绝缘胶样品失效。为此,对已经失效的低功耗 IC 封装用绝缘胶样品进行了多次试验。

 

第 1 次试验:低功耗 IC 封装用绝缘胶样品在常温下放置约 24小时,结果为输入端漏电;

 

第 2 次试验:将低功耗 IC 封装用绝缘胶样品在常温下放置约48 小时,结果为输入端对地阻抗恢复正常;

 

第 3 次试验:对低功耗 IC 封装用绝缘胶样品进行温度循环试验(-55℃~ 125℃,20 次循环),结果为合格,未出现失效现象;

 

第 4 次试验:对低功耗 IC 封装用绝缘胶样品进行 -55℃,24h的低温储存后,结果为输入端出现漏电,阻值为 40kΩ(正常值为>20kΩ),这就表明失效后的低功耗 IC 封装用绝缘胶样品 2 个引脚之间的阻抗不稳定,使得绝缘胶的性能受到了影响。

 

2.2 低功耗IC封装用绝缘胶失效原因分析

 

根据对低功耗 IC 封装用绝缘胶产品结构和连接情况的判断,造成低功耗 IC 封装用绝缘胶漏电问题的主要原因可能是因为芯片内部出现了异常、键合内引线异常、塑封应力大、芯片表面刮花和变形、固晶生产工艺缺陷、芯片本身缺陷以及静电等的原因而造成的。

 

(1)芯片异常。芯片在生产和制造过程中出现了异常,且其在外部异常应力的作用下,导致芯片自身性能出现异常,通过利用化学方法,将芯片周围的塑封料和基板去除,再对芯片 2 个引脚进行扎针测试,得出芯片输入端与地的阻抗全部为正常值,且芯片表面并无异常;

 

(2)键合内引线异常。在对低功耗 IC 封装用绝缘胶产品进行封装的过程中,键合内引线出现错误键合打线、交叉碰线、塌线等的异常情况,导致输入端对地短路;将已经失效的低功耗 IC 封装用绝缘胶样品与正常的低功耗 IC 封装用绝缘胶样品进行 X-ray 对比之后可以明确看出:失效的样品与正常产品键合内引线的情况是一致的,并无异常。因此,可以排除由于键合内引线异常导致的低功耗 IC 封装用绝缘胶失效原因。

 

(3)塑封应力大。低功耗 IC 封装用绝缘胶产品在封装过程中,芯片表面会包封覆盖着一层塑封料,塑封料会对芯片施加一定的应力,进而导致低功耗 IC 封装用绝缘胶产品失效。此时,可以通过机械方法将低功耗 IC 封装用绝缘胶产品表面的塑封料去除,再对芯片的 2 个引脚之间的阻抗进行测试,发现失效样品的输入端出现了漏电现象,即当塑封应力消失后漏电问题并未得到解决,因此也可以排除是塑封封装过程中的塑封料应力导致失效的原因。

 

(4)芯片表面刮花、变形。芯片表面刮花、变形也有可能导致低功耗 IC 封装用绝缘胶产品出现失效,利用化学方法,将低功耗 IC 封装用绝缘胶产品表面的塑封料开封去除掉,并在高倍显微镜下观察芯片表面,未发现其表面有刮花和变形现象,故此也可以排除芯片表面刮花、变形而导致的低功耗 IC 封装用绝缘胶失效原因。

 

(5)固晶生产工艺缺陷。在固晶生产过程中,应当选择合格的绝缘胶,并要控制好绝缘胶使用量和空洞数量及大小,过少的绝缘胶和较多的空洞会使绝缘效果下降,而引起漏电问题;过多的绝缘胶会返回至芯片上,当绝缘胶的高度高于芯片高度的 2/3 之上时,会出现以下几种现象:①液态的绝缘胶就会转化成固态,即在烘烤过程中绝缘胶的部分成分会随着芯壁向上攀爬。②绝缘胶杂物被胶带起,导致芯片单边绝缘胶过高。③绝缘胶被吸嘴吸起粘到芯片表面上。

 

(6)芯片本身缺陷。因芯片沾污所吸附的杂质会发生电离,形成电流通道,引起低功耗 IC 封装用绝缘胶漏电问题,这类问题暂被定义为芯片自身缺陷,一般情况下难以直接观察到,需要通过排除法,再结合工作经验来判断,或者也可以借助 SEM 予以协助判定。

 

(7)静电引起漏电。静电分析判定。通过静电测试有漏电流样品,进行开封去掉塑封料后,借助高倍显微镜观察低功耗 IC 封装用绝缘样品的键合、固晶均未发现异常,在对其进行半腐蚀解刨,并在 40-200 倍的显微镜下观察芯片表面是否存在烧伤现象,如果存在可以基本判定为是由于静电击伤而形成的。

 

2.3 失效机理分析

 

通过分析可以得出:芯片衬底电位为地,低功耗 IC 封装用绝缘胶塑封料连接输入端电位,其底部与载体之间通过绝缘胶隔离。在通常情况下,绝缘胶可以有效地隔离电位,即输入端与地之间不会有电流通过。但是,如果绝缘胶出现了异常,其性能就会有所下降,导致低功耗 IC 封装用绝缘胶出现漏电问题,进而影响产品的正常使用。通过机械方法去除框架基板,测试输入端与地之间的I-V特性,发现漏电现象消失。因此,可以确定低功耗 IC 封装用绝缘胶漏电位于衬底和基板之间的绝缘胶部位。

 

低功耗 IC 封装用绝缘胶的芯片与基板之间应当选择合格的绝缘胶,绝缘胶的作用是能有效隔离输入端与地之间的阻抗值。在此基础上,再对失效样品与合格产品的进行全面分析,并用 X-ray 对绝缘胶予以对比的检查,发现失效样品要比合格产品的绝缘胶空洞大很多。同时,当低功耗IC封装用绝缘胶产品处于潮湿的环境下时,绝缘胶空洞使其强度进一步降低,最终导致低功耗 IC 封装用绝缘胶出现漏电问题。

 

通过全面解刨失效样品结构,并根据故障现象的分析得出:低功耗 IC 封装用绝缘胶漏电问题产生的主要原因是:绝缘胶空洞使绝缘胶的厚度逐渐变薄。加之,绝缘胶中的掺杂的镀金层,更容易出现漏电问题,在二者的共同作用下,导致低功耗 IC 封装用绝缘胶出现漏电问题。

 

3 低功耗IC封装用绝缘胶漏电试验分析

 

3.1 出现漏电现象

 

通过以上分析:导致低功耗 IC 封装用绝缘胶出现的漏电问题的因素有很多,低功耗 IC 封装用绝缘胶电流的正常值为 2uA 以下,而出现漏电问题的失效产品电流则超过了正常电流的 10 倍甚至是百倍以上,严重影响了产品的使用性能和安全性。

 

3.2 试验分析

 

低功耗 IC 封装用绝缘胶出现的漏电问题并不能通过封装后的IC 测试和筛选出来,需要通过长时间的通电才能完成验证,在持续通电 24h 之后,低功耗 IC 封装用绝缘胶的对地端电流会持续增大,超出正常测试范围,而在断电之后,随着时间的延长,该低功耗 IC 封装用绝缘胶电流会逐渐恢复正常。

 

3.3 对于不同材料的漏电试验分析

 

对于以上问题,需要进行以下三个方面的试验分析:

 

(1)更改低功耗 IC 封装用的框架;

 

(2)更改低功耗 IC 封装用的塑封料;

 

(3)增加低功耗 IC 封装用的绝缘胶厚度。

 

在对低功耗 IC 封装用的框架和塑封料进行更改后,通过持续上电仍有漏电现象,而在增加绝缘胶厚度之后再进行批次抽检,没有发现漏电现象。这就足以说明:低功耗 IC 封装用绝缘胶漏电问题的主要原因是由于绝缘厚度不足而导致的。

 

在对低功耗 IC 封装用绝缘胶持续通电时,框架上的镀银部位会产生银离子运动,进而产生较大的漏电流,这也是导致低功耗 IC封装用绝缘胶漏电问题的另一重要因素,而如果更改使用不镀银的框架虽然会有改善的效果,但会影响芯片的键合打线效果。因此,还需要通过选择合适的绝缘胶和不断提高绝缘胶的工艺水平才能从根本上解决低功耗 IC 封装用绝缘胶漏电问题。

 

4 低功耗IC封装用绝缘胶漏电问题的解决办法

 

4.1 注入不导电颗粒

 

如果仅仅增加绝缘胶的厚度,又会由于厚度的不可控制性,会对键合打线工艺造成严重的影响。因此,合理选择绝缘胶尤为重要。通过与绝缘胶供货商的协商,在原有的绝缘胶中注入固定直径的不导电固体颗粒,进而精准地控制绝缘胶的厚度。实践证明,选择直径为 25um 的不导电颗粒,可有效解决低功耗 IC 封装用绝缘胶漏电问题。

 

4.2 准确定位各引脚定位关系

 

准确定位低功耗 IC 封装用绝缘胶各个引脚之间的关系,尽全力地避免使用绝缘胶来隔离电位,当低功耗 IC 封装的芯片底部位与框架基板的电位同等时,此时的绝缘胶仅仅能起到粘贴的作用,即使出现了轻微的漏电问题,对产品的性能也不会造成较大影响,这一方法可以从源头上避免绝缘胶的漏电问题;对于芯片背面背金层没有明确用途的器件,要尽量去除背金层后再使用,这一方法可以有效防止背金层脱落掉入绝缘胶中,进而引起绝缘胶漏电问题。低功耗 IC 封装使用绝缘胶粘贴时,应当根据实际情况适当地增加绝缘胶的厚度,并在其中加入一定数量的绝缘颗粒,从而准确地控制绝缘胶的厚度,这样可以有效避免因绝缘胶厚度不均匀而导致的漏电问题。

 

4.3 提高固晶生产工艺水平

 

(1)合理控制绝缘胶盘上绝缘胶的使用数量,绝缘胶数量应当控制在芯片的 1/3-2/3 之间为宜。

 

(2)定期对绝缘胶盘中的绝缘胶量进行测量,要确保绝缘胶量,并于每间隔 8 小时添加一次绝缘胶。

 

(3)一旦发现吸管出现偏移,要立即对其进行清洗或者更换,并重新定位吸嘴的取晶位置,每 4 个小时清洗点胶头一次,确保点胶头的清洁度。

 

(4)根据芯片的大小,选择合适的吸嘴和点胶头,使之与低功耗 IC 封装用绝缘胶的芯片相匹配。

 

(5)生产低功耗 IC 封装用绝缘胶的固晶、键合、塑封工序应当在洁净车间中完成,并减少低功耗 IC 封装用绝缘胶的固晶后到塑封前半成品的滞留和露空时间。

 

4.4 选择正规厂家生产芯片

 

选择有质量保证的正规厂家来生产芯片,拒绝以次充好的次级品、残次品、外次品。正规厂家生产和制造的芯片为了解决芯片沾污问题,会对芯片作二氧化硅钝化保护且还会在其表面增加一层氮化硅予以保护,而那些次级品、残次品、外次品则是二氧化硅和氮化硅的失败品,即使芯片有保护层,但受后期封装环境的影响,依然会出现漏电问题。另外低功耗 IC 封装用绝缘胶芯片应当在洁净车间中完成,并要减少芯片在车间的滞留时间,这也是降低芯片被沾污的一个重要因素。

 

4.5 减少静电对芯片损伤

 

静电的分析和判定是一个复杂的过程且成本高昂,下面提几种即经济又有效的解决办法:

 

(1)设计防静电地板系统。

 

(2)开启直流式离子风扇。

 

(3)静电防护区的湿度应当严格控制在 50% 及以上。

 

(4)生产设备、测试仪器、工作台、工作人员应当做好防静电接地。

 

从实际生产情况来看,生产设备、测试仪器、工作台、工作人员是引起低功耗 IC 封装用绝缘胶产品被静电击伤导致漏电概率为1%。由此可见,因静电引起的漏电问题也需要多多关注的。

 

5 结语

 

解决低功耗 IC 封装用绝缘胶漏电问题是一个集综合性与系统性于一体的问题,需从各个工艺环节入手,才能从根本上提升和解决低功耗 IC 封装用绝缘胶的漏电问题和使用性能。

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