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王娟娟余英景华刘黎成徐子曦

（聚合物分子工程国家重点实验室南通康尔乐复合材料有限公司上海芯邦新材料科技有限公司）

摘要

随着微电子产业的发展，各种封装技术不断涌现，对于封装材料的内应力、导热性、电性能都提出了更高的要求。本文介绍了聚合物微电子封装的主要材料，包括环氧树脂、有机硅、聚酰亚胺。由于封装的无铅化发展以及高功率导致的散热需求，导电胶和热界面材料成了在封装中研究的较多热门材料。根据产品的使用环境，通过加速试验（温度循环、高加速应力试验、疲劳试验等）可以评估封装的可靠性。为探索封装失效的原因，需要对产品进行失效分析。本文介绍了常用的失效分析技术，具体描述了倒装芯片的底填胶的失效分析，并根据失效原因对底填材料提出了性能要求。封装材料的冷热冲击和湿热稳定性是影响可靠性的重要因素，湿气会导致封装“爆米花效应”、电化学迁移等后果从而使器件失效。为此，本文探究了湿气对半导体器件的影响及扩散机理，并对影响材料吸水性能的因素（如极性、自由体积、材料微相分离等）进行了综述。最后，还对微电子封装材料的未来发展进行了展望。

0 前言

自19世纪末以来，电子技术发展迅速，成为了近代科学技术发展的一个重要标志。随着科学技术的发展，电子器件的体积越来越小，集成度越来越高，对于电子封装材料的要求也越来越严格。微电子封装技术也逐渐成了影响微电子技术发展的重要因素之一。电子封装材料涉及多门学科，例如机械、电气和工业工程、化学、物理甚至市场营销。好的电子封装材料需要好的可靠性、适用性、低成本、市场需求大、可制造性和高产率。

随着科技发展，电子封装的新技术、新材料、新工艺以及新产品不断涌现。一级封装（集成电路等电子器件的封装）向高密度、轻量化、窄节距、低分布、多功能以及适用于表面安装的方向发展；而二级封装（板级封装）的连接方式从通孔插装（PTH）为主变为了表面贴装（SMT）为主，并向基板类型的多样化、软焊料无铅化、模塑料和印制板的无卤素化推进。在开发更小、更快、更轻和更便宜的电子设备需求的驱动下，电子封装从20世纪60年代的通孔技术，发展到20世纪80年代的表面贴装技术，进而迅速发展到21世纪初的芯片级封装（CSP），如图1所示。

1 微电子封装材料基础

电子封装材料按照封装结构分为基板、布线、框架、层间介质和密封材料。基板可为芯片提供电连接、保护、支撑、散热以及组装等功效，以实现多引脚化、缩小封装产品体积、改善电性能及散热性、超高密度或多芯片模块化的目的。基板主要分为硬质基板、柔性薄膜基板和共烧陶瓷基板三大种类；布线由基板金属化过程完成，这一过程的目的是把芯片安装在基板上与其他元器件相连接，因此要求具有较低的电阻率和良好的焊接性，一般使用金属合金材料；层间介质分为有机和无机两种，起着保护电路、隔离绝缘和防止信号失真的作用，因此需要有高的绝缘电阻和低介电常数；密封材料随着电路密度和功能化的不断提高，逐渐从陶瓷为主转变为聚合物封装为主，如今主要以环氧树脂为主。

总体来看，常用的封装材料主要分为陶瓷、金属和聚合物三大类。陶瓷材料主要包括Al2O3、BeO、AlN等，优点是具有热膨胀系数低、机械强度高、热导率高和耐湿性好；金属材料有Cu、Al、Mo、W以及合金等，具有高热导率、高强度和高可靠性，但是热膨胀系数较高且成本较高；聚合物材料通常由聚合物和填料组成，聚合物包括聚酯类、环氧类、聚酰胺类和有机硅类，聚合物材料具有重量轻、易加工、成本低的优点，缺点是气密性不好，大多聚合物会对湿度敏感。

1.1 封装材料对性能的要求

电子封装的作用是密封以及连接集成电路形成电子系统。它的功能包括提供电路支持和保护、散失电子元件热量、信号分配、配电等。芯片的体积越来越小、重量越来越轻，散热性能、电性能越来越好。因此理想的电子封装材料必须满足以下的几个基本要求：（1）低内应力；（2）导热性好；（3）良好的化学稳定性；（4）强度和刚度高，能对芯片起到支撑和保护作用；（5）良好的加工成型和焊接性能，便于加工；（6）为满足芯片体积和质量日渐减小的需求，材料的密度应尽可能小。

1.1.1 封装复杂度和集成度加大对内应力要求更高

现代电子设备朝着功能多样化而结构小型化的方向发展，使得封装器件的功率更大、温度更高，从而使连接点产生的应力应变也更大。内应力是指材料未受外力作用下，内部具有的应力，可能为暂时的，也可能是永久的。暂时的应力主要是热应力，由材料各部分中温度不平衡产生，并随温度均匀后而消失，但在加工成型中暂时的应力，也可能会变为永久应力。

内应力产生的主要途径有如下几种。

（1）固化过程中的体积收缩及变化

在成型过程中，模具温度过高、高压成型、高速射出、冷却不均等会导致内应力过大，从而导致产品翘曲变形，示意图如图2所示。

（2）冷热循环或冲击时热膨胀系数（CTE）不匹配

元器件生产厂商提供的塑封器件对温度的要求包括三种，即0~70 ℃（商业温度）、-40~85 ℃（工业温度）、-40~125 ℃（汽车温度）。这就需要器件能从室温到极端寒冷或炎热的环境下，都有好的适用性。CTE反映了温度每变化一度的尺寸变化，常见的封装材料的CTE如表1所示，电子器件各封装部位的CTE如图3所示。CTE的不匹配会导致温度变化时，不同材料的尺寸变化会导致模压复合材料的分层或开裂以及塑封料损伤芯片等后果而使器件失效。

（3）水汽、溶剂等吸收、脱除导致的体积变化

聚合物在吸收水分时膨胀也会导致类似于热应力应变的湿气应力应变，而且湿气应力的程度与热应力相当甚至更高。吸湿是芯片在高加速应力试验（HAST）下的主要破坏机制。这是因为吸收水汽不仅会导致粘接层降解，而且吸湿膨胀会导致焊接开裂、底部填充分层、层间介质分层等。

由于热应力由松弛过程所决定，所以一切增快松弛的因素，如加热至玻璃化转变温度（Tg）以上、增塑作用等，都会减少热应力。热应力（σ）按式（1）计算。

式中：E (T )为封装材料的弹性模量（Pa）；α(T )为封装材料的热膨胀系数（m/K）。根据公式，减少弹性模量和热膨胀系数都可以降低材料的热应力。

降低弹性模量的方法可以加入橡胶化合物。具有代表性的橡胶类物质可分为两类：一是碳氢类橡胶[1-3]，如端羧基液体丁腈橡胶（CTBN）、端氨基液体丁腈橡胶（ATBN）等；另一类是液态硅橡胶[4-7]。碳氢类橡胶由于热稳定性较低，而不适合用于电子封装材料。含硅高分子耐热性好，与环氧的相容性差，易形成相分离结构，因此弹性模量相对较低，但是它的玻璃化转变温度与未改性的基质树脂相当，故可在不损害其他性能的基础上减少内应力[4]。

一般来说，无机材料的热膨胀系数较有机高分子材料低。降低高分子材料的热膨胀系数可以利用以下几种方法：（1）在聚合物中引入有序结构，如晶体；（2）使用庞大刚性结构，如芳杂环，减少聚合物分子链段的运动；（3）增加交联密度。

1.1.2 封装种类繁多对导热导电材料要求更高

随着近几年来移动通讯、军事电子科技等迅猛发展，电子元器件的集成度和运行速度越来越高。也因此产生了多种有利于集成化、小型化和多功能化的电子封装种类，其中包括混合电路、高密度电路板、多芯片模块以及IC芯片球顶保护等。它们的运行功率逐渐变高导致工作温度上升，高温将会对电子器件的稳定性、可靠性和工作寿命产生危害，于是封装材料需要具有更高的热管理。

20世纪60年代初期，微电子工业的绝大多数绝缘材料使用无机材料，如Al2O3、SiO2 以及其他金属氧化物或氮化物，但是这些材料的介电常数太高导致电信号从一个芯片通过封装材料到达另一个芯片时会产生延迟现象。研究发现，这种延迟主要是由于电信号与封装材料间的相互作用造成的，因此称为“封装延迟”。人们开始认识到不是半导体材料限制了芯片的速度，而是芯片间的封装材料限制了传输速度，于是开始寻求具有更好的导电性能材料。在电子产业蓬勃发展的今天，多种封装类型又对材料的导电性提出了更高的要求。

1.2 聚合物封装材料种类及其特性

聚合物在封装中的应用范围非常广泛，它可以作为胶粘剂，将半导体芯片粘在金属框架上，可以作为堆叠后封装芯片的模具化合物，用作存储能量的嵌入式电容材料以及不需要衰减的电磁波的电磁干扰屏蔽材料[8]。根据聚合物的种类，封装材料可主要分为环氧树脂、丙烯酸酯、聚氨酯、聚酰亚胺、聚对二甲苯和有机硅等。

1.2.1 环氧树脂

环氧树脂是指分子中含有两个或两个以上环氧基并在适当化学助剂如固化剂存在下能形成三向交联结构的化学物质的总称。环氧树脂可以与塑料、橡胶、丙烯酸、聚氨酯和氰酸酯等搭配，无论性能还是应用都可以不断拓展。环氧树脂具有优良的电绝缘性、抗氧化性、耐腐蚀性且价格低廉、易加工，是目前最主要的电子封装基体材料之一。环氧基胶粘剂由于具有环氧基、羟基和氨基等极性基团，其黏附力较好。

环氧树脂固化过程就是固化剂与环氧树脂发生化学反应，形成网状立体聚合物。其固化方式极多，固化剂的种类也很多。固化方式包括逐步亲核加成、逐步亲电加成、阴离子聚合、阳离子聚合以及环化反应等[9-15]。固化剂的类型、数量以及温度决定了树脂的固化状态和最终性能，固化剂包括低温固化的脂肪族胺类、低分子量酰胺、具有防潮性的多硫化物和硫醇、中高温度固化的芳香胺类、酸酐类等。CHEN等[16]制备了五种甘油酯型的环氧树脂，研究了结构和热稳定性的关系，根据它们的玻璃化转变温度得到结论，分子链主链中具有高芳香性和/或环形结构的聚合物通常具有更高的耐热性。

改变环氧树脂和固化剂的类型或者加入其他树脂和特种填料复合，还可以对环氧树脂进行很好的改性。WANG 等[17]合成了具有适当分子刚性/柔性的松香基酸酐型固化剂并固化环氧树脂，研究表明固化剂分子量越大，柔性越大，交联点越少，分子间的次级力越少，则模量和硬度越小，从而断裂伸长率增加，而热稳定性降低。CTBN是环氧树脂常用的活性增韧剂，HUANG 等[18] 报道了对环氧树脂/弹性体纳米颗粒（ENP）新型复合材料的研究，研究表明与纯环氧树脂和用CTBN增韧的环氧树脂相比，复合材料具有更高的韧性和耐热性。这是由于ENP和环氧树脂之间的化学反应和氢键越多，相互作用更强。

1.2.2 有机硅材料

自20世纪40年代开始，有机硅材料经过了近80年的不断发展，它在航空航天、电子电器等行业有广泛的应用。有机硅产品通常分为硅油、硅橡胶、硅树脂及硅烷偶联剂这四大类。前三者通常为含有Si—O—Si重复单元、具有不同聚合度和摩尔质量的线性或支链聚合物硅烷，偶联剂通常为小分子的硅烷产品[19]。

有机硅以Si—O 键为主链结构，Si—O键能比C—C键高，因此有机硅材料的热稳定性高，在高温或辐射条件下分子不易断裂分解。由于主链Si—O键中没有双键，因此有机硅材料也不易被紫外或臭氧分解，具有很好的耐候性、抗氧性和透光性。此外，有机硅材料还有很稳定的电气性能以及生物活性。JIA 等[20] 通过将1,4-双（羟基二甲基硅基）苯（BHB）与氯硅烷水解-缩合聚合，合成了Si—O—Si骨干中含有硅苯单元的硅树脂，这种新型硅树脂具有良好的耐热性，初始降解温度为500.3 ℃，制成的薄膜材料同时还具有良好的透明度和耐腐蚀性。

有机硅早期在封装中主要是用于改性环氧树脂，可以有效地提高环氧树脂的耐热性和韧性。有机硅改性环氧可分为物理共混和化学合成两种方法。HO等[21]通过将有机硅氧烷部分加入未固化的热固性树脂，并在固化前诱导相分离，在树脂基质中形成小的不连续橡胶颗粒，来减少热固性树脂的应力，这种具有稳定分散的聚硅氧烷颗粒的环氧树脂在减少弯曲模量和热膨胀系数的同时，玻璃化转变温度几乎没有降低。LIN等[22]通过侧链甲基硅烷水合实现了一种三功能环氧树脂的增韧，发现硅橡胶显著降低了杨氏模量和热膨胀系数，有效地降低了环氧树脂的内应力，但是玻璃化转变温度略低。

1.2.3 聚酰亚胺

一般而言，聚酰亚胺的骨架结构由二酐和二胺单元重复构成，聚酰亚胺的一般结构如图4 所示。三种常见的聚酰亚胺的性能如表2 所示，聚酰亚胺具有优良的耐高温耐低温性能、良好的尺寸稳定性和化学稳定性、低CTE、高电绝缘性和击穿强度、低介电常数、介电损耗和低吸湿率。在电子封装中，聚酰亚胺可以用于多层互连结构的层间介电绝缘层（ILD）、应力缓冲涂层、多层封装基板、焊球凸点制作等。

1.3 导电胶

导电胶是一种固化后或干燥后具有一定导电性能的胶粘剂，通常以基体树脂和导电填料为主要成分，通过基体树脂的粘接作用把导电粒子结合在一起，形成导电通路，与被粘的材料导电连接。在电子工业，通常需要多个电路元件连接起来，传统焊接技术是使用锡铅焊料合金进行焊接，随着时间的发展人们认识到该方法使用铅的危害以及金属焊接的温度过高等缺点。导电胶的基体树脂可以选择适宜的固化温度进行粘接，如环氧树脂胶粘剂可以在室温至150 ℃固化，远低于锡铅焊料的焊接温度（200 ℃以上），避免了因焊接高温而导致产品的损坏。此外由于电子组件的微型化以及高密度化的迅速发展，锡铅焊接的0.65 mm的最小节距已经远远满足不了导电连接的实际需求，而导电银胶可以制成浆料，实现了很高的线分辨率，因此更环保、加工条件更温和、分辨率更高的导电胶聚合物材料在电子行业具有非常重要的发展意义。然而导电胶也存在一些局限性，例如与锡铅焊料相比，导电胶仍存在导热性和导电性较差且易老化等问题[23]。

导电胶的种类很多，按照导电方向可分为各向同性导电胶（ICA）和各向异性导电胶（ACA）。两者的区别基于逾渗理论，如图5所示，电导率在阈值附近出现突变。逾渗的阈值取决于填料的形状和大小。对于各向同性导电胶，导电填料浓度超过渗流阈值，所以在x、y、z 方向都导电；而各向异性导电胶示意图如图6所示，填料的浓度低于渗流阈值，导电胶只能在凸点芯片和载体之间形成电通路，因此在z 方向导电，在x、y 方向不导电[24]。

按照固化体系导电胶又可分为室温固化导电胶、中温固化导电胶、高温固化导电胶和紫外光固化导电胶等。室温固化导电胶在室温储存时，体积电阻率容易发生变化；而中温固化导电胶的固化温度适中，低于150 ℃，与电子元器件的耐温能力和使用温度相匹配，力学性能也较优异，所以应用较广泛；高温固化导电胶固化时金属粒子易氧化，固化时间要求必须较短才能满足要求；紫外光固化导电胶将紫外光固化技术和导电胶结合起来，赋予了导电胶新的性能，并扩大了导电胶的应用范围。

目前市场上使用的导电胶大都是填料型。填料型导电胶的树脂基体，常用的一般有热固性胶粘剂如环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、聚氨酯和丙烯酸树脂等胶粘剂体系[25-30]。这些胶粘剂在固化后形成了导电胶的分子骨架结构，提供了力学性能和粘接性能保障，再将具有良好导电性能和合适粒径的导电粒子添加到导电胶基体中形成导电通路。导电填料主要是金属填料如金、银、铜、铝、锌、铁、镍等和碳基材料如石墨、石墨烯、碳纳米管和富勒烯等，但也可以包含陶瓷填料如氮化铝（AlN）、氮化硼（BN）、三氧化二铝（Al2O3）和二氧化硅（SiO2）等，以及复合材料如聚酰亚胺改性的氮化铝填料等[31]。影响导电胶性能的因素有很多，其中包括导电填料的粒径、浓度、类型、尺寸分布、混合方式以及固化过程等。

导电胶的导电原理主要有两种：一是导电粒子间的相互接触，形成导电通路；二是隧道效应使导电胶中粒子间形成一定的电流通路。根据前者，当两个颗粒相互接触时，根据施加的压力，颗粒变形并形成接触区域。这个接触区域被称为收缩，电子在其中流过。收缩阻力（RC）与接触面积的直径（d）成反比。对于给定的颗粒直径，接触直径越小，颗粒提供的电阻就越大，结果如图7所示。对于较小的颗粒，颗粒电阻随接触直径的变化更为明显，如图8所示。

研究还发现，二维形状的填料比三维形状填料填充的导电胶具有更好的导电性能[32-33]。REN等[33] 用液相化学还原方法，在室温下合成了尺寸大于1 μm、厚度约200 nm 的正六边形Ag微片，用六边形Ag微片填充的导电胶的电阻率（~8×10-5 Ω·cm）低于传统的微米级Ag 薄片填充的导电胶（~1.2×10-4 Ω·cm）。

1.4 热界面材料

热界面材料（TIM）是用于涂敷在散热器件与发热器件之间，降低它们之间接触热阻所使用的材料的总称。理想的热界面材料一般需要具备高导热性、高柔韧性以及高绝缘性的特性。热界面材料在电脑散热中的应用以及两种散热架构的示意图如图9所示。

热传导的本质是指物质中分子的热运动相互碰撞以转移能量的过程。导电材料中有大量的自由电子不断进行不规则热运动，自由电子在导热中起重要作用；而在绝缘导体中，热传导的主要形式是原子和分子在平衡位置附近的晶格振动。晶格振动的正态能量子即为声子[34]。这是因为聚合物通常没有自由电子，而且长链结构易缠结，难以形成完全结晶，因此绝大多数聚合物都属于不良导热体。根据声子导热理论和自由体积理论，提高聚合物的有序度或者在聚合物中加入纳米尺寸的高导热填料，可以显著提升材料的导热性能[35]。

首先是提高绝缘树脂本身的导热性。提高聚合物链的有序性，使声子能够得到更多的散射。分子链结构具有刚性骨架或者分子间具有强作用力（如氢键），可以抑制内旋转，从而实现更高的导热性。热量更容易沿着链条传输，分子链的取向对于聚合物的凝聚态结构和热导率影响很大。液晶环氧树脂（LCE）分子具有自组装能力，在微区具有自取向特性和特定的方向，如图10所示[36]。

声子的平均自由程增加，从而提高了导热性。传统常用的环氧树脂的热导率约为0.17~0.21 W（/ m·K）。AKATSUKA等[37]使用芳香二胺制备了不同的环氧单体，并研究了柔性段长度对主链内在λ 的影响。当主链上柔性碳链中的碳原子数量分别为8、6和4时，液晶环氧树脂的内在热导率分别达到0.85、0.89和0.96 W（/ m·K）。TANAKA等[38]也验证了取向效应对热导率增大的作用，液晶环氧树脂在高自由能表面与固化剂交联，形成了诱导同源性对齐SmA结构，沿着液晶分子链方向的导热系数估计最大值为5.8 W（/ m·K）。

常用的导热填料有金属类（金属颗粒、金属纤维等）[39]、氧化物（Al2O3、BeO、MgO 等）[40-42]、氮化物类（AlN、BN、Si3N4 等）[12，43-45]以及碳化物类（SiC、石墨、石墨烯和CNT等）[46-49]。填料的种类、负载量、尺寸、形态以及基质之间的附着力等都影响着材料的导热性能。

金属类填料的导热系数很高，但是金属都能导电，易导致短路，限制了其在导热绝缘材料中的应用。另外，金属纤维及颗粒均与聚合物的相容性很差，导致复合材料易于发生微观相分离，从而使复合材料的导热系数不高。以上问题可以通过金属表面聚合物化接枝改性来加以克服。

陶瓷本身是常用的绝缘导热材料，使用陶瓷填料提高导热性已经得到了广泛的研究。一般来说，除了BeO外，金属氧化物（如Al2O3、SiO2等）的热导率较低，而氮化物（AlN、BN、Si3N4 等）的热导率较高[34]。

碳基材料具有比陶瓷材料更高的内在热导率，因此少量的碳基填料就能显著增加材料的热导率。碳基材料中，石墨的热导率相对较低，碳纤维和碳纳米管是一维填充物，沿纵向具有高热导率，石墨烯是具有单层结构的二维碳材料。

不同陶瓷填料（氧化铝、氮化铝、氧化硅和氮化硼）对导热和加工的影响如图11所示。

由图11可知：材料的导热性和黏度都随着填料的体积分数增加而增加，不同导热填料对材料的导热性能和加工性能起着不同程度的影响。加入球形的二氧化硅后黏度较低，而加入片状的氮化硼后黏度较高，这也是BN最大填料载量只能到23%（质量分数）的原因[50]。而HU等[51]的研究也证明，球形比片状能更好地提高热导率，他们合成了球形氮化硼并制备了高各向同性导热的热界面材料，控制50%填料含量（质量分数），sBN/硅橡胶（SR）复合材料的通平面和平面内热导率分别达到9.36 W（/ m·K）和7.82 W（/ m·K）。

填料尺寸对热导率的影响较为复杂。NAGAI等[52]的研究表明AlN填充的环氧树脂，填料尺寸越大则热导率越大，如图12所示。却也有研究表明，填料的粒度越小，材料具有更高的热导率[53-54]。ZHOU等[43]等就发现Si3N4的尺寸越小，材料的热导率越大，如图13所示。

2 电子封装可靠性基础及失效分析

按照通用标准的定义[55]，可靠性是指产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。微电子封装产品在制造、使用和运输过程中所承受到外在环境（如湿气、温度、振动和粉尘等）的影响，使其遭受各种物理或化学机制的失效，导致翘曲变形、剥离分层、疲劳断裂以及磨损腐蚀等。产品的失效率随着时间的变化如图14所示。

由图14 可知：它分为早期失效期和损耗失效期。材料的力学性能和它的加工条件（时间、温度、加热速率）、组成（单相、多相、改性等）有很大的关系，而材料的力学响应对于封装材料的选取和电子器件的强度和可靠性非常关键，因此亟需对封装材料的优缺点进行评价，开发加速评估的方法，从而找到各种电子器件最先进的封装材料，发挥出最好的功能。

2.1 可靠性试验

为评价分析电子产品可靠性而进行的试验称为（环境）可靠性试验。可靠性试验的目的包括如下几点：（1）研制阶段用以暴露试制产品各方面的缺陷，从而改善产品设计；（2）生产阶段为监控生产过程提供信息，从而优化工艺；（3）对定型产品进行可靠性鉴定或验收，从而实现量产；（4）暴露和分析产品在不同条件下的失效规律及失效模式和机理，从而有针对地加以改进以提高寿命；（5）为改进产品可靠性，制定和改进可靠性试验方案，从而为用户选用产品提供依据。

另外，由图14还可知：产品到损耗失效期的时间很长，直接以传统方式处理进行可靠性试验是不实际的，因此有必要使用加速测试。使用加速可靠性试验可以有效地缩短产品的试验时间，降低成本。加速可靠性试验通过采用比产品正常使用中

经受的环境更严酷的使用环境，能在更短的试验时间内获得更多的信息。对于不同的产品，考虑到不同的使用环境，可以选择不同的可靠性试验方法。

（1）温度加速

温度加速可用于许多物理或化学故障机制。这些故障机制通常可以由阿伦尼乌斯公式描述，如式（2）所示。绘制失效时间的自然对数与1T的关系图，根据线条斜率能计算出活化能。

式中：R 为响应因子；Ro 为指前因子；Ea 为活化能（eV）；k 为玻尔兹曼常数（8.6 × 10-5 eV/K）。

（2）电压和电流加速

增加电压会加速介电击穿、界面电荷积累和腐蚀，增加电流密度会加速电迁移。大多数研究将电压（V）或电场（J）和电流密度提高到某一能量γ (T )，γ (T )是关于温度（T）的函数，如式（3）和（4）所示，数值通常在1~5之间。这是因为集成电路无法在很高的电压下正常工作，因此只能提高到电压允许的范围内。

式中：R0(T )是一定温度下的常数。

（3）湿气加速

密封封装可防止水进入集成电路。通常，塑料封装价格更低廉，但是塑料封装的气密性比金属和陶瓷封装差，可以让水快速渗透到集成电路中。湿气会加速腐蚀并导致金属化失效。密封包装的密封完整性测试称为泄漏测试。

2.1.1 可靠性标准体系

可靠性试验的标准体系有很多，其中包括以下几种。

（1）JEDEC（联合电子器件工程委员会）是开发微电子开放标准的全球引领者。

（2）IPC（国际电子工业联接协会）规范电子设备和组件的组装和生产要求。

（3）MIL-STD（美国国防标准）针对军事独特或重大修改的商业流程、程序、实践和方法的统一工程和技术要求。

（4）JIS（日本工业标准）规定了日本工业活动使用的标准。

（5）IEEE（电气和电子工程师协会）在广泛的行业中制定全球标准。

（6）其他如：ISO、EN、EIA以及IEC等。

2.1.2 可靠性试验——便携式电子设备

目前，移动电子设备已经成为我们日常生活中不可或缺的角色，手机、智能手表、平板电脑等都为人们提供了很多便利。产品的发展日新月异，新功能层出不穷，这使得硬件也必须跟上软件的迅速发展，因此IC芯片的可靠性成为了人们关注的重点。

由于产品需要有很好的便携性，因此在使用中就会存在跌落的危险。产品的键盘、按键等需要经历长时间的重复使用，容易出现疲劳和弯曲。并且电子产品朝着质量减轻、体积减小的方向发展，需要封装更加紧凑，这又会导致对于芯片的机械保护不够，产品失效概率大大上升。

根据以上需求，我们就明确了该类产品主要的可靠性分析方向。包括在循环载荷下测试热机械、循环弯曲和振动性能；在动态机械载荷下测试跌落、弯曲、剪切、拉伸、冲击等性能；通过电化学，测试温度、湿度、电压等相关性能。具体包括，首先需要根据复杂的环境要求，对样品进行预处理；然后在高低温冲击下进行温度循环（TC）试验；在高温高压水蒸气环境下进行压力锅测试（PCT）；湿热环境中加上电场进行温湿度和偏压测试（THB）；在腐蚀环境下进行盐雾试验；在交变应力环境下的疲劳试验；在紫外光老化环境下的耐候试验以及进行高温储存试验（HTS）和高加速应力试验（HAST）等。

2.2 失效分析

2.2.1 失效分析的原因和流程

引起电子封装失效的原因有很多，只有清楚封装失效的机理，才能制定改进措施，提高产品的质量和成品率。判断失效的模式，查找失效机理，提出预防再失效的对策的技术活动和管理活动称为失效分析。电子封装中的主要失效类型包括：芯片开裂、翘曲引线、偏移、界面开裂、封装体开裂、基板裂纹、引线断裂、孔洞、焊点疲劳和电迁移等。

失效分析的流程为：记录失效现象—鉴别失效模式—描述失效特征—假设失效机理—从正反面证实失效机理，实现失效可重复——针对失效机理提出改进措施，并考虑措施中是否引入新的失效因素。

2.2.2 失效分析技术

电子元器件失效分析经常用到的检查分析方法可以归类为无损分析、有损分析。无损分析是非破坏性的，保留失效样品的状态和信息，常用到电性能测试和外观检测、声学扫描显微镜、X光透射检查仪、Moire干涉仪和有限元分析等；有损分析是破坏性分析，需要对器件进行各种微观解剖分析，进行开封、全相切片等展现内部缺陷的形貌，然后使用红外热像仪、扫描电子显微镜、俄歇电子能谱（AES）以及傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等进行分析。

超声波扫描显微镜是非破坏性的检测，对分层、裂纹空洞很敏感。它可以通过将超声信号转化为波谱信息显示在屏幕上，通过观察波形的相位、峰值、波峰波谷的位置来判断透射和反射的情况，从而判断完整塑封件样品的缺陷位置和厚度情况。也可以像医学中的CT一样，无损地将样品的截面信息或者横向剖面用图像表示出来。

X射线检测也是非破坏性的检测方法，可以用来透视内部结构的完整性。它可达到2 000倍的放大倍数，具有高分辨率（2.0 μm），且对塑封器件最为有效。

开封即为在保持芯片功能的完整性，保持芯片、键合板、键合线乃至基板不受损伤的情况下去除IC封胶，为下一步失效分析做准备。对于塑料封装的开封，可以采用机械和化学腐蚀的方法。机械因其对电连接的破坏性而受限制，因此塑封器件的开封主要采用化学腐蚀的方法。

红外成像仪是可靠的非接触式测量工具，它是通过吸收目标物体的能量辐射生成红外图像和温度的仪器。可以用来测试工作状态下的芯片热分布、最高结温、电流趋边效应以及测量材料的热阻、检测热斑、验证芯片粘接情况等。红外成像仪可以观察到焊球凸点断面抛光后材料的裂纹，如图15所示。

FT-IR可以测量各种化合物的红外光谱，实现强大的定性和定量分析，尤其是可以实现微量样品的分析。在封装中，可以用来分析焊点和焊盘表面的污染物，从而分析焊点腐蚀失效以及焊点开路或者虚焊的深层原因。

2.2.3 底填胶的失效分析

底填是指在芯片和基板之间填充胶水，提高产品的耐用性，其示意图如图16所示。

由图16 可知：芯片和基板之间一般有金属焊球连接，但是由于芯片和基板的热膨胀系数不匹配，在高温或低温时，如果两者之间没有底填胶水，则会导致金属焊球开裂，从而导致芯片失效。研究表明，在电子封装及组装的失效中，焊点失效是主要原因。

疲劳寿命Nf 的预测一直是固体力学中的一个难题，在电子封装领域，疲劳寿命的预测模型大多是半理论、半经验性的公式。电子封装材料的热疲劳，通常以塑性应变为变量，对于大多数材料，满足科芬-曼森（Coffin-Manson）方程[56]，如式（5）所示。

式中：γp 为塑性剪切应变；C 和η 为常数，SOLOMON[57]已经确定了它们的平均值分别为C=1.292 8和η=-1.96。

温度变化是引起热应力变化和发展的根源，但是不同的电子封装结构也会对热应力产生不同的影响。在没有底填时，剪切应变可以通过式（6）计算。

式中：Δα 为芯片和基板之间的热膨胀系数之差（K-1）；ΔT 为最大和最小循环温度之差（K）；t2为焊料凸块的高度（m）；x 为基板中点到芯片中点的距离（m）。

而填底后，剪切应变可以通过式（7）和（8）计算。

三层结构的倒装芯片示意图如图17所示。

用于加固芯片的底填胶，对材料的关键要求是要通过调整材料的玻璃化转变温度和模量优化应力控制，防止翘曲，因此要求底填胶材料具有高模量（约10 GPa）、低热膨胀系数（<25 ppm/℃）等性能。这是因为底填胶是在硅芯片焊球和基底固定完后，再从旁注射进去填充空隙，因此材料需要有低固化温度和低固化收缩率，以防芯片由于应力过大而破坏，同时材料还需要有较好的流速与良好的基材润湿能力和附着力。倒装芯片封装的理想底填特性如表3所示。

3 半导体器件湿热稳定性基础

3.1 湿气对半导体器件的影响

聚合物材料内部含有微空隙，比陶瓷和金属具有更高的亲水性，能吸收空气中的潮气。在电子封装中，湿气应力以及湿气是材料分层的主要原因，湿气对于半导体器件的影响是全方位的。在芯片层面，湿气会导致芯片材料腐蚀，金属化线之间形成枝晶、漏电、电荷不稳定（横向、离子漂移、热电子）；在封装层面，湿气会腐蚀引线，引起爆米花效应，形成表面和封装内部的枝晶。

爆米花效应是指器件暴露在波峰焊、回流焊等高温热处理环节，器件内部潮气气化，产生很大压力，从而导致器件膨胀，撑开塑封壳体或基板，造成器件内部和外部损伤的现象。大约50 μg的水分子足以保持硅芯片或芯片垫与塑料之间的空腔中的饱和蒸气压。弯曲应力一般发生在长边的中心，最大弯曲应力如式（9）所示。

式中：σmax 为最大弯曲应力（kg/mm2）；a 为短边长（mm）；b 为长边长（mm）；t 为厚度（mm）；P 为均匀载荷（kg/mm）；k为一个常数值，为b/a。

裂纹模型如图18所示。

电化学导致的离子迁移。在元器件工作时，金属互连线内有一定强度电流流过，在电流的作用下，金属离子从N极到P极移动并产生质量的传输，在N极和P极之间发生沉积，最终导致短路和电极脱落。离子迁移的外因是湿热条件下施加的电压电流，而内因则是封装材料导体内结构的非均匀性，如界面剥离。电化学导致离子迁移示意图如图19所示。

在离子迁移的过程中，会发生枝晶生长的现象[58]。这种现象通常发生在外部表面、电路板内衬或者电路板材料中的填充物中[59]。枝晶生长的方向有两种：一种是在电极间存在污染物时，例如在从阳极向阴极迁移的过程中，水中的氢氧根离子和金属离子发生反应，使金属离子不断向阴极移动，阴极发生沉积并延长，因此产生和离子迁移方向相反的树枝状的晶体形态；另一种则是在阳极产生的枝晶。电子迁移导致枝晶生长的示意图如图20所示。

3.2 水分扩散机理

任何湿热老化过程都伴随着水分扩散，研究扩散的特征时间对于找到合适的防潮策略有着重要的借鉴意义。水分子在高玻璃化转变温度的树脂中扩散，可以分为游离水和结合水的方式进行，游离水以孤立或自相关状态存在，而结合水的特点是与环氧网络形成氢键[60]。

关于水分子的扩散过程，ADAMSON[61]认为水分子首先占据自由体积，然后与亲水基团网络结合，最后进入密集的交联区域。

水分的扩散体现在吸收和解吸两个过程中。解吸的扩散过程可以通过将样品进行烘烤处理来观察，烘干过程中根据浓度和质量计算的失水率随着时间的变化规律。充满水分的扁平封装的模具表面水分浓度以及失重动力学如图21所示。

烘干时间τ是曲线速率由快变慢的转折点的时间点，它可以体现出材料的吸水能力，它和样品的厚度以及扩散速率有关，如式（10）所示。

τ (T ) = h2 /D(T ) （10）

式中：τ 为烘干时间（s），h 为样品厚度（m）；D 为扩散系数（m2/s）。

WONG[62] 对这两个阶段进行了解释：第一阶段（τ之前）为塑封器件树脂对湿气的物理吸收，这一部分遵循菲克（Fickian）扩散定律；第二阶段（τ之后）涉及水分在树脂和填充物界面的化学吸附，这种吸附往往是线性的（非Fickian）。第一阶段水分传输完全受扩散控制，与降解、分子弛豫或固化不足等相关的扩散机制无关，扩散遵循阿伦尼乌斯相关方程，扩散系数（D）表现出对温度的依赖性，如式（11）所示，在同一温度下，扩散系数D 是一个常数。

D = D0exp(-U/kT ) （11）

式中：D0 为扩散常数；U 为扩散活化能（eV）。

环氧材料的D-1/T 特征曲线如图22所示。

根据图22，用logD 和1/T 作图，截距和D0有关，斜率和U 有关，计算得到它们的平均值D0 = 7.35 ×10-6，U = 0.43eV。

根据式（10）和（11）可得式（12），不同厚度、形状的材料的τ-1/T 特征曲线如图23所示。

τbake = A × L2 × exp(-U/kT ) （12）

式中：A 为与形状相关的系数，根据图23计算，片状A=3.83×10-5，球体A=1.15×10-5，圆柱体A=1.53×10-5。

对于扩散系数的测量，除了利用解吸，还可以利用吸附过程。吸附试验可以通过等温测量和非等温测量两种方法。等温测量的样品吸水的质量变化随着时间的变化如图24a）所示，在吸附后期，吸附达到饱和，并根据菲克定律计算可以得到饱和前的扩散系数。非等温测量中，利用仪器程序使温度线性上升，扩散系数由式（13）计算。改变温度，使用两种方法得到的扩散系数都满足式（11）。

根据试验，通过不同技术（吸附和解吸附，等温和非等温）测量的扩散系数，误差在30%之内。等温测量水分扩散和非等温测量水分扩散如图24和25所示。

探讨吸附时，需要建立吸附模型，通过吸附模型可以得到吸附量的影响因素，并且进行后续的分析。经典的单组分吸附模型包括亨利（Henry）吸附模型、弗罗因德利希（Freundlich）吸附模型、朗缪尔（Langmuir）吸附模型等。

根据Henry模型，吸附量和气体的分压成正比，因此在等温吸附中，吸附的计算公式如式（14）所示。

dM∞ = η × P = η × Ps × f （14）

式中：η 为吸附系数（Pa-1）；P为水蒸气压（Pa）；Ps 为饱和水蒸气压（Pa）；f 为相对湿度（%）。

而在非等温吸附中，吸附的计算公式如式（15）~（17）所示。

式中：ΔH 为水溶液热量（eV）；Q 为水蒸气的热量（eV）。

根据公式，吸湿性与温度和相对湿度有关。

3.3 影响材料吸水性能的因素

LI等[63]选用了不同结构的三种环氧树脂，分别为DGEBA（E51）、TGAP（Afg）和TGDDM（Ag80），以及两种不同结构的二胺型固化剂DDS 和DDM，如图26和27所示，观察环氧树脂结构对吸水性能的影响。研究得到结论：极性是影响环氧树脂吸湿老化的关键，而自由体积是次要因素，主要影响扩散系数。上文中提到，水分扩散机理包括因为浓度梯度引起的扩散以及分子间的相互作用引起的扩散。

MORSCH等[64]通过FT-IR测量发现，吸收水分后的材料氢键程度有所提高。ROTH等[65]研究了氧和氨等极性较强的离子使聚二甲基硅烷（PDMS）表面功能化前后的亲疏水性，论证了极性基团对亲水性的关键作用。

填料不仅能提供疏水性能，还能使水分扩散的路径增加，从而控制水分的扩散，例如填充纳米硅[66]、石墨烯[67]、有机蒙脱石纳米粒子[68]等。LU等[69]通过降低环氧复合用填料的极性，使用三种耦合剂成功地对纤维材料改性，将表面亲水性改为疏水性，并且提高了复合材料的机械性能。有机硅具有很好的耐湿性和低表面张力，TAO等[70]合成骨干中存在柔性丙基和硅氧烷链段的环氧树脂，成功降低了吸水性能。

在微观状态下，未固化完全的环氧树脂会发生微相分离，也就是存在明显的硬段（高交联区）和软段（低交联区），完全固化后不明显。MORSCH等[71]使用原子力显微成像-红外光谱（AFM-IR）将交联密度和局部水吸收特性关联起来，发现水量集中在交联密度较高的区域，由于高交联区域自由体积比例增加，这也验证了自由体积对于水分扩散的促进作用。

4 结语

（1）微电子产业自19世纪以来发展迅速，电子封装也在电子器件功能化、小型化发展上起到了重要作用。用于电子封装的材料包括陶瓷、金属和聚合物三大类，本文介绍了聚合物微电子封装的主要材料，包括环氧树脂、有机硅、聚酰亚胺。由于封装的无铅化发展以及高功率导致的散热需求，导电胶和热界面材料成为了在封装中研究较多的热门材料。

（2）根据产品的使用环境，通过加速试验（温度循环、高加速应力试验、疲劳试验等）可以评估封装的可靠性。为了探索封装失效的原因，需要对产品进行失效分析，本文介绍了常用的失效分析技术，并且具体描述了倒装芯片的底填胶的失效分析，并根据失效原因对底填材料提出了性能要求。

（3）湿气是引起失效的重要原因，它会导致材料腐蚀、“爆米花效应”和电化学迁移等。湿气在封装材料中的扩散机制包括两个阶段，第一阶段是由浓度梯度主导的物理扩散，第二阶段是涉及相互作用力的化学吸附过程。影响材料吸湿性能的关键因素是极性，次要因素是自由体积。材料微相分离也会影响吸水行为。

（4）今后，我国需要发展更稳定的封装技术，开发出适用于系统级封装、多芯片模块等集成化更高的封装材料。

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