研究集成电路工艺中塑封电子元器件的防潮性
介绍了一种利用利用等离子体增强化学气相沉积方法在TQFP塑封器件表面沉积SiNx薄膜，以提高防水性能，实验结果证明了方法的有效性。
1 引言
伴随着集成电路工艺的迅猛发展，集成电路封装工艺朝着高密度、小体积、重量轻、低成本、高可靠性的方向发展。电子封装(Electronic Packages) 属于电子产品后段的工艺技术, 它的目的是给集成电路芯片一套组织构架。
塑料封装同传统的陶瓷等气密性封装形式相比，更能满足低成本、小体积、重量轻和高密度的要求。水汽对器件的影响早在封装器件出现时就已出现。随着电子集成技术的发展，电子器件的尺寸越来越小，芯片上的线宽越来越窄。对复杂电子系统的广泛需要要求系统中关键电子集成电路具有更高的可靠性。这些集成电路应该能够抵抗潜在的环境应力，阴止迁移离子和水汽进入电路，防止机械损伤等。由水汽导致的器件可靠性问题主要有腐蚀、分层和开裂。
水汽的侵入会导致集成电路中金属的氧化和腐蚀。金属在潮湿环境中的氧化速率和类型是导致电阻变化的一个主要机制。铝线的电化学腐蚀是集成电路器件中一种非常严重的失效形式，它不但存在于塑料封装中，在气密性封装中也时有发生闭。电化学腐蚀将导致铝线开路和枝晶的生长。
2 研究现状
为了减少由水汽引起的可靠性问题，各国的研究人员进行了不懈的努力以降低器件中的水汽含量。目前常采用的方法一是改进封装材料的特性，以降低材料的吸水性，提高材料之间的粘结性，但其效果非常有限，另一种方法是在各种封装形式上沉积水汽阻挡层，降低水汽的渗透率，这种方法通常适用于对可靠性有特殊要求的场合，如汽车电子等。
3 研究方法
采用等离子增强化学气相沉积（PECVD）方法沉积雾剂薄膜作为塑封封装中的水汽和离子阻挡层。测试样品为在LAUFFER的LHMS28型递模注塑机上封装好的64脚TQFP，尺寸10X10mm，厚度为14mm。使用的封装料是SUMITOMO公司生产的EME6600环氧树脂。样品分为光面和毛面两种，每个样品中都在芯片衬垫上用银浆粘贴了3x3mm的硅片。银浆的热处理温度为150度，时间为30min。
4 实验结果
实验利用增重法测定TTQFP器件在30℃/80%RH、600℃/60%RH、85℃/60%RH和85℃/80%RH四种温湿环境中的吸水曲线，如图1所示。
从图中可以看出温度和湿度条件对器件吸水性能的影响都很大。在同样的湿度条件下，温度从30℃提高到85℃(80%RH)，或着从60℃提高到85℃(60%RH)，器件吸水含量达到平衡的时间都大大缩短了，并且平衡时器件中水汽的含量也都有了很大的提高。温度条件相同时(85℃)，当湿度条件从60%RH增加到80%RH，器件吸水速率无明显变化，而平衡时水汽的含量却提高了。
该实验还利用传感器法测定了在同一湿度条件下(85%RH)，温度对TQFP器件中吸水速率的影响。由于传感器的电容值与器件的吸水量存在线性关系，因此该曲线也就反映了器件的吸水量随时间的变化关系。可以看出在同样的湿度条件下，随着温度的升高，器件的吸水量达到平衡的时间大大缩短了，平衡时器件的吸水量也有了很大的提高，这与增重法得到的结果相一致。由扩散原理可知，水汽在塑封料中的扩散应遵循FICk扩散方程。一维Fick扩散方程的一级近似解可表示为指数函数，C=Pl一P2*exp(P3*t)。公式中的C代表了传感器的电容值;t代表了器件在环境中放置的时间，Pl是吸水达到平衡时所对应的饱和电容值;P2是平衡时的电容值与扩散开始时电容值的差值，P3是曲线的曲率，正比于扩散系数，对于用同一种湿度传感器测量所得到的曲线，P3可用于比较水汽扩散的速率。由此可得在85℃/85%RH和65℃/85%RH条件下的拟合曲线，并且由拟合曲线可以得到P1，P2以及P3的值。从而我们可以知道器件的扩散系数是与温度有关的参数，我们用公式P3=P0*exP(一E/KT)来拟合P3与温度的关系。公式中的E为扩散过程的激活能，K为玻尔兹曼常数。由此可以看出，InP3与l/KT成一直线关系，说明我们使用的拟合公式能够真实地反映器件中水汽的扩散系数与温度的关系，具有一定的正确性。通过直线的斜率，我们得到了扩散过程的激活能为753708E-20J(047106ev)
为了提高TQFP器件的防潮性能，减少器件中的水汽含量和分层开裂失效的纪律，我们采用了在塑封器件表面沉积无机薄膜的方法来降低水汽的透过率。
5 结论
研究实验所采用的方法对于塑封元器件防潮具有较好作用，湿度和温度对防水性能都有影响，利用等离子体增强化学气相沉积方法在TQFP塑封器件表面沉积SiNx薄膜，以提高防水性能。
参考文献
［1］@陈力俊. 微电子材料与制程［M］. 上海: 复旦大学出版社,2005.
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