PBGA封装的耐湿热可靠性试验研究

塑封电子器件作为一种微电子封装结构形式得到了广泛的应用,因此湿热环境下塑封电子器件的界面可靠性也越来越受到人们的关注.为了研究塑封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,采用耐湿温度循环的试验方法,以塑封球栅平面阵列封装(PBGA)器件为例进行测试.试验结果表明,芯片是最容易产生裂纹的地方,试验后期器件产生的裂纹主要出现在芯片和DA材料界面处及芯片、DA材料和EMC材料三种材料的交界处.空洞缺陷是使界面层间开裂的主要原因,在高温产生的蒸汽压力和热机械应力的作用下,界面上的微孔洞扩张并结合起来,导致器件最后失效.     

QFN封装分层失效与湿-热仿真分析

采用湿度敏感度评价试验及湿-热仿真方法,分析了温湿度对于QFN封装分层失效的影响.通过C-SAM和SEM等观察发现,QFN存在多种分层形式,分层大多发生在封装内部材料的界面上,包括封装塑封材料和芯片之间的界面、塑封材料和框架之间的界面等.此外,在封装断面研磨的SEM图像上发现芯片粘结剂内部有空洞出现.利用有限元数值模拟的方法,对QFN封装的内部湿气扩散、回流过程中的热应力分布等进行了模拟,分析QFN分层失效的形成原因.结果表明,由于塑封器件材料、芯片、框架间CTE失配,器件在高温状态湿气扩散形成高气压条件下易产生分层.最后提出了改善QFN分层失效的措施.     

QFN器件在无铅焊工艺中湿热导致的界面开裂失效研究

界面开裂是塑封IC器件的主要失效模式之一。电子封装用高聚物具有的多孔特性致使封装材料易于吸潮。在无铅回流焊工艺中，整个器件处于相对较高的温度下，致使高聚物吸收的潮湿会膨胀并在材料内部空洞产生很高的蒸汽压力。界面开裂在热机械、湿机械和蒸汽压力的耦合作用下极易发生。本文的主要目的就是研究无铅回流焊工艺中，温度、潮湿和蒸汽压力耦合作用对QFN器件开裂失效的影响。文章对塑料封装QFN器件从168小时的JEDECLevell标准（85℃／85％RH）下预置吸潮到后面的的无铅回流焊的整个过程进行了有限元仿真，并且对温度、湿度和蒸汽压力耦合作用下裂纹的裂尖能量释放率也通过J积分进行了计算。论文的研究结果表明QFN器件吸潮后封装体界面的潮湿成为界面开裂扩展的主要潜在因素，EMC材料、芯片和粘合剂的交点处应力最大，在该处预置裂纹后分析表明回流峰值温度时刻裂纹最易扩展且随裂纹长度增加扩展的可能性在提高。     

QFN器件在湿热环境中的界面裂纹分析

因吸潮而引起的界面破裂是塑封电子器件失效的一个重要原因。通过吸潮实验、无铅回流焊环境实验和湿热老化实验研究了QFN塑封器件内部界面裂纹情况。结果表明,未吸潮的器件经历无铅回流焊后很少产生裂纹,吸潮器件在吸潮期间未产生裂纹,但经历无铅回流焊后器件产生裂纹的几率达100%;裂纹在芯片、芯片粘结材料(DA)和塑封材料(EMC)的交界处的破坏程度最大;产生的裂纹的位置和扩展方向与结合材料的特性、结合界面的强度紧密相关。     

无铅倒装焊点的热应力与湿热应力分析

板上倒装芯片（FCOB）作为一种微电子封装结构形式得到了广泛的应用。微电子塑封器件中常用的聚合物因易于吸收周围环境中的湿气而对封装本身的可靠性带来很大影响。文章采用有限元软件分析了潮湿环境下板上倒装芯片下填充料在湿敏感元件实验标准MSL-1条件下（85℃／85％RH、168h）的潮湿扩散分布,进而分别模拟计算出无铅焊点的热应力与湿热应力,并加以分析比较。论文的研究成果不仅对于塑封电子元器件在潮湿环境中的使用具有一定的指导意义,而且对于FCOB器件在实际应用中的焊点可靠性问题具有一定的参考价值。     

PBGA器件潮湿扩散和湿热应力的有限元分析

塑料封装器件暴露在一定的潮湿环境下将会吸收潮湿的现象已经得到广泛的认同。针对实际的PBGA器件,采用通用有限元软件分析和计算了器件在潮湿环境下的潮湿扩散。并且计算了由于吸潮使器件在高温下产生的湿热应力。有限元模拟计算表明,不同潮湿环境下器件的潮湿扩散状态是不一样的,这导致在其后的高温焊接过程中器件内部产生的湿热应力的不同。     

集成湿热及蒸汽压力对PBGA器件可靠性的影响

塑封器件在高温焊接之前的存储过程中，会吸收环境中的潮湿水分，这些潮湿水分在随后的焊接高温下会汽化因而产生蒸汽压力。本文将首先对PBGA器件内部潮湿水分高温下产生的蒸汽压力模型进行讨论，并结合湿／热一机械应力得到集成应力，最后分析蒸汽压力、集成应力对PBGA封装可靠性的影响。分析结果表明：在蒸汽压力、集成应力计算中，芯片、DA材料和EMC材料三相交界处发生了应力集中，如果在此界面存在初始裂纹，那么在这些局部集中的力的作用下，极易使裂纹扩展导致层间开裂。     

湿热环境下EMC尺寸对PBGA器件可靠性的影响

塑料封装器件由于湿热导致层间开裂是影响器件可靠性的关键问题之一。采用有限元分析软件模拟和计算了不同的模塑封材料(EMC)尺寸的PBGA(塑封焊球陈列)器件在358.15K、RH60%条件下吸潮168h和398.15K、RH0环境下干燥50h后器件内部的应力对界面可靠性的影响。结果表明,在吸潮情况下,EMC厚度为0.85mm的器件的界面可靠性最低,最大湿应力为0.528MPa;在干燥阶段,EMC厚度为1.25mm的器件的界面可靠性最高,最大湿应力仅为0.124MPa。     

PBGA封装的热应力与湿热应力分析比较

塑封球栅平面阵列封装作为一种微电子封装结构形式得到了广泛的应用。本文采用有限元软件分析和计算了在潮湿环境下塑封球栅平面阵列封装的潮湿扩散分布，进而分别模拟计算了它的热应力与湿热应力，并且加以分析比较。     

QFN器件在湿热环境下可靠性的有限元仿真分析

因吸潮而引起的界面可靠性问题是塑封电子器件失效的一个重要原因,其主要表现形式是界面破裂。论文利用有限元分析工具对QFN器件进行吸潮、解吸潮、无铅回流焊和湿热综合应力的仿真分析。分析结果表明,器件中的湿气在高温或有温度冲击的环境中形成的蒸汽压力是促进裂纹萌生和扩展的重要因素,为了减小在无铅回流焊期间湿、热以及蒸汽压力共同作用造成的应力冲击,应当设置较为合适的无铅焊回流曲线,在进入峰值温度前设置一个保温平台区,使进入峰值温度前器件的整体温度达到一致,减小峰值温度时湿、热应力对可靠性的不利影响。     

QFN返修工艺技术

QFN器件体积小、质量轻,对返修温度敏感性大,其周边器件排布密集,容易因高温使可靠性受到影响,因此对于返修温度曲线提出了更高的要求,同时QFN器件的潮湿敏感性提出了对器件的烘烤需求,拆焊后焊盘残留物的清理要注意吸锡编带和烙铁头的选用等.对于上述问题给出了解决方案,对于QFN的返修工艺技术进行了全面的阐述.     

基于COB技术的SiP模块可靠性分析

针对COB形式的SiP模块,应用有限元分析方法模拟了该模块在湿热环境下的湿气扩散和湿应力分布,以及回流焊过程中的热应力分布,并通过吸湿实验和回流焊实验分析了该模块失效模式.结果表明,在湿热环境下,粘接材料夹在芯片和焊盘中间不易吸湿,造成粘接材料的相对湿度比塑封材料的相对湿度低得多.塑封材料相对湿度较高,产生较大的湿膨胀,使湿应力主要分布在塑封材料与芯片相接触的界面上.由于材料参数失配,回流焊过程产生的热应力主要分布在粘接材料和铜焊盘的界面,以及塑封料和铜焊盘的界面,在经过吸湿和回流焊实验后观察到界面分层沿着这些界面扩展.     

粘结剂形态及尺寸对QFN器件热应力的影响

使用有限元软件MSC.Marc分析了芯片粘结剂的形态、厚度和宽度对典型微电子封装QFN(四方扁平无引脚封装)器件热应力的影响。结果表明:在有限元网格密度相同的条件下,粘结剂形态的不同会对QFN器件的热应力产生较大影响,粘结剂无溢出形态的最大热应力为85.87MPa,而粘结剂有溢出形态的最大热应力为77.84MPa,并且最大热应力出现的位置也不同;粘结剂的厚度和宽度对热应力的影响不明显;由于粘结剂形态的不同界面热应力的分布会有较大差别。     

Junction temperature of QFN32 and 64 electronic devices subjected to free convection. Effects of the resin's thermal conductivity

The thermal state of the electronic devices used in many engineering fields must be controlled. The maximum temperature does not exceed the value recommended by the manufacturer to prevent a decrease of their reliability, malfunction or decommissioning. The junction temperature of the Quad Flat Non-Lead (QFN) device which often equips the electronic assemblies is affected by the thermal characteristics of its components, in particular the thermal conductivity of the molding compound (resin) used for the package encapsulation. This work deals with the QFN32 and QFN64 models widely used in the field of smart building. These devices may be tilted of any angle from the horizontal and vertical positions, depending on where they are located in the considered building. The packages located in small boxes are subjected to air natural convection. The 3D numerical approach based on the volume control method considers several configurations obtained by varying the generated power between 0.01 and 0.1 W by steps of 0.01 W, corresponding to the partial operation. The junction thermal state is determined for many values of the resin's thermal conductivity ranging between − 80% and + 100% of its average value and inclination of the devices varying between 0 and 90° (horizontal and vertical positions respectively) by steps of 15°. The results of the numerical solution are confirmed by thermal and electrical measurements carried out in situ on various prototypes. The deviation between measurements and calculations is low, ranging between − 3 and + 7%. New and accurate relationships are proposed, allowing to improve the thermal design of the QFN32 and QFN64 packages by determining their junction temperature for any combination of the considered generated power, tilt angle and thermal conductivity of the encapsulating resin. The control of the thermal aspect allows to enhance substantially the reliability of these widely used electronic devices.     

SiP器件回流焊时湿热应力的分析

应用有限元方法分析了QFN形式的SiP封装器件在回流焊中的热应力与湿热合成应力。结果表明,在回流焊过程中,由于其结构特点与湿气的扩散不均引起湿热应力变化梯度加大,在其材料交界处应力集中现象明显。最大湿热应力是单纯考虑热应力的情况1.66倍左右。通过比较得知湿热环境对这种SiP器件的影响比一般的封装器件要大,更可能导致器件失效。     

微波QFN芯片的SMT技术研究

QFN封装的微波芯片采用一种较新的封装形式,这种封装体积很小,特别适合高密度印刷电路板组装.着重介绍微波QFN芯片的表面组装技术,从QFN的封装形式、PCB的焊盘设计、组装工艺、QFN焊点检测及QFN器件的返修等方面加以详细论述,并对针QFN芯片总结出一套完整的组装技术.     

A comparison of the theory of moisture diffusion in plasticencapsulated microelectronics with moisture sensor chip and weight-gainmeasurements

In this paper, the issues pertaining to moisture diffusion in PEMs are explored and discussed. The existing models of moisture diffusion in plastic molding compounds and PEMS are reviewed. Results, modeling and analysis of moisture sorption experiments performed in this study are presented. The moisture sorption experiments were conducted on a set of PEM samples with a common type of encapsulant material to 1) characterize sorption behavior; 2) compare weight gain measurement to the measurement of moisture concentration using a moisture sensor device at the die surface; 3) assess the moisture sensor measurement method. In the case of PEM samples tested in this study, simple Fickian diffusion was shown to agree closely with the experimental results. In one case, a relatively small anomaly from Fickian diffusion was observed and was attributed to swelling and relaxation phenomena at later stages of moisture sorption in the molding compound. The calibration constants determined for the sensors in this study were found to be significantly different from those collected by the manufacturer prior to the encapsulation of the devices. This problem is believed to be degradation in sensitivity of the moisture sensor due to exposure to high temperatures and storage conditions     

潮湿扩散及湿热应力对叠层封装件可靠性影响

利用MARC软件,通过模拟实验分析了潮湿扩散及湿热应力对叠层封装器件可靠性的影响,对30℃,RH 60%,192 h条件下预置吸潮到后面的无铅回流焊解吸潮过程进行了有限元仿真;对85℃,RH 85%,168 h条件下元件内不同界面的潮湿扩散进行分析,得出潮湿扩散对界面的影响规律。使用一种湿热耦合方法计算湿热合成应力并与单纯热应力进行了对比。结果表明:最大湿热应力和热应力一样总是出现在顶部芯片与隔离片相交的区域,其数值是单纯热应力数值的1.3~1.5倍。     

QFN封装元件组装工艺技术研究

QFN是一种焊盘尺寸小、体积小、以塑料作为密封材料的新兴的表面贴装芯片封装技术。由于底部中央的大暴露焊盘被焊接到PCB的散热焊盘上,这使得QFN具有极佳的电和热性能。QFN封装尺寸较小,有许多专门的焊接注意事项。介绍了QFN的特点、分类、工艺要点和返修。