芯片分層了，什么情況？

我們有個(gè)產(chǎn)品需要換個(gè)封裝，原來用的是QFN封裝，產(chǎn)品已經(jīng)量產(chǎn)。
根據(jù)客戶的需求，需換成DFN的封裝，拿到新封裝的產(chǎn)品后，上板一測(cè)，功能異常，同樣晶圓，只是封裝不同，怎么功能就異常了？
很明顯這個(gè)問題跟封裝相關(guān)，封裝廠給了一個(gè)回復(fù)，懷疑芯片分層了，讓我們做兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。

•         實(shí)驗(yàn)一：將芯片放入socket中測(cè)試，不要上板，查看功能是否異常，如果功能正常做第二個(gè)實(shí)驗(yàn);
•         實(shí)驗(yàn)二：將實(shí)驗(yàn)一測(cè)試的芯片，用焊錫加熱芯片的管腳，模擬芯片上板焊接的過程，然后查看芯片功能是否異常？
  

封裝廠給出方案是用來驗(yàn)證是不是高溫焊接引起的芯片分層。
問題來了，什么是分層問題？怎么引起的？
這個(gè)問題對(duì)負(fù)責(zé)品控的工程師應(yīng)該比較熟悉的，但是對(duì)于電路設(shè)計(jì)的朋友可能就有點(diǎn)陌生了，下面我們就簡(jiǎn)單的講解一下。

要回答這個(gè)問題，先從封裝材料說起，現(xiàn)在常用的封裝材料是塑料和陶瓷。
陶瓷封裝的產(chǎn)品，氣密性好，可靠性高，但因其成本高，只能在可靠性要求比較高的產(chǎn)品中使用，例如航空航天，和軍工產(chǎn)品中。
塑料封裝是使用最廣泛的，主要采用環(huán)氧樹脂材料，因其較高的可靠性，低成本，生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，決定它成為封裝的主力。
但是塑料封裝存在較高的吸濕性，而器件在生產(chǎn)和測(cè)試過程中，不可避免的要經(jīng)過高溫或高濕的環(huán)境，潮氣膨脹后造成內(nèi)部應(yīng)力過大，形成分層問題，bonding 斷裂等嚴(yán)重后果。
參考下圖，這是芯片的封裝圖，芯片跟框架水平粘貼在一起。

下圖展示的是芯片分層以后的圖片。

受潮是引起分層問題的唯一原因嗎？當(dāng)然不是了！
其實(shí)根據(jù)導(dǎo)致分層的原因不同，分層失效模式可以分成四類。

•         塑封體內(nèi)部存在潮氣
  

塑封料的原材料存儲(chǔ)、成品生產(chǎn)及成品存儲(chǔ)都或多或少的接觸到潮氣，導(dǎo)致塑封體內(nèi)聚集潮氣，當(dāng)芯片在進(jìn)行可靠性實(shí)驗(yàn)、波峰焊等一系列高溫（220攝氏度以上）環(huán)境處理后，水氣化后體積迅速膨脹1000倍，導(dǎo)致分層。

•         半導(dǎo)體封裝材料膨脹系數(shù)差距過大
  

塑封料、芯片、框架等材料，因?yàn)槠洳馁|(zhì)不同，在高溫下由于膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致接觸面出現(xiàn)剪切力，如果剪切力過大，便會(huì)出現(xiàn)分層、開路、短路、芯片受損等一系列后果。
下圖展示分層結(jié)果，因?yàn)椴牧系呐蛎浵禂?shù)差距大引起的。

•         塑封體與框架粘合力較差
  

這種情況一般發(fā)生在塑封體的選擇不合適，比如CU框架卻選擇與PPF或Ni粘合力好的塑封料，一般此類情況可通過調(diào)整工藝和選材來解決。

•         塑封料彎曲強(qiáng)度偏低
  

如果塑封料材料彎曲強(qiáng)度偏低，而模量又偏小，那么芯片在受到外力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)分層或者開裂。

通過上面的描述，大家是不是感覺這個(gè)問題還是很嚴(yán)重的，事實(shí)上，這個(gè)問題也是客戶在使用過程經(jīng)常投訴的問題，只是這個(gè)問題一般不會(huì)反饋到電路設(shè)計(jì)工程師這里，負(fù)責(zé)后工序的同事就搞定了。
但是，你工作在中小規(guī)模的IC公司，你就不得不了解一下這個(gè)問題了。

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