芯片分层浅析

我们有个产品需要换个封装，原来用的是QFN封装，产品已经量产。
根据客户的需求，需换成DFN的封装，拿到新封装的产品后，上板一测，功能异常，同样晶圆，只是封装不同，怎么功能就异常了？
很明显这个问题跟封装相关，封装厂给了一个回复，怀疑芯片分层了，让我们做两个实验。

•         实验一：将芯片放入socket中测试，不要上板，查看功能是否异常，如果功能正常做第二个实验;
•         实验二：将实验一测试的芯片，用焊锡加热芯片的管脚，模拟芯片上板焊接的过程，然后查看芯片功能是否异常？
  

封装厂给出方案是用来验证是不是高温焊接引起的芯片分层。
问题来了，什么是分层问题？怎么引起的？
这个问题对负责品控的工程师应该比较熟悉的，但是对于电路设计的朋友可能就有点陌生了，下面我们就简单的讲解一下。

要回答这个问题，先从封装材料说起，现在常用的封装材料是塑料和陶瓷。
陶瓷封装的产品，气密性好，可靠性高，但因其成本高，只能在可靠性要求比较高的产品中使用，例如航空航天，和军工产品中。
塑料封装是使用最广泛的，主要采用环氧树脂材料，因其较高的可靠性，低成本，生产工艺简单，决定它成为封装的主力。
但是塑料封装存在较高的吸湿性，而器件在生产和测试过程中，不可避免的要经过高温或高湿的环境，潮气膨胀后造成内部应力过大，形成分层问题，bonding 断裂等严重后果。
参考下图，这是芯片的封装图，芯片跟框架水平粘贴在一起。

下图展示的是芯片分层以后的图片。

受潮是引起分层问题的唯一原因吗？当然不是了！
其实根据导致分层的原因不同，分层失效模式可以分成四类。

•         塑封体内部存在潮气
  

塑封料的原材料存储、成品生产及成品存储都或多或少的接触到潮气，导致塑封体内聚集潮气，当芯片在进行可靠性实验、波峰焊等一系列高温（220摄氏度以上）环境处理后，水气化后体积迅速膨胀1000倍，导致分层。

•         半导体封装材料膨胀系数差距过大
  

塑封料、芯片、框架等材料，因为其材质不同，在高温下由于膨胀系数不同，导致接触面出现剪切力，如果剪切力过大，便会出现分层、开路、短路、芯片受损等一系列后果。
下图展示分层结果，因为材料的膨胀系数差距大引起的。

•         塑封体与框架粘合力较差
  

这种情况一般发生在塑封体的选择不合适，比如CU框架却选择与PPF或Ni粘合力好的塑封料，一般此类情况可通过调整工艺和选材来解决。

•         塑封料弯曲强度偏低
  

如果塑封料材料弯曲强度偏低，而模量又偏小，那么芯片在受到外力时，就会出现分层或者开裂。

通过上面的描述，大家是不是感觉这个问题还是很严重的，事实上，这个问题也是客户在使用过程经常投诉的问题，只是这个问题一般不会反馈到电路设计工程师这里，负责后工序的同事就搞定了。
但是，你工作在中小规模的IC公司，你就不得不了解一下这个问题了。

这篇文章是写给电路设计工程师看的，对分层问题的原因做个简单的介绍，方便大家跟品控工程师的沟通，做个储备知识！
大家可能发现，这篇文章没有讲解分层问题的解决办法，其实封装厂对这个问题是有深刻的认识的，针对我们上面分析的原因，他们也有相应的应对措施。大家如果对这个问题感兴趣，可以找相关的资料自行学习一下。

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