高溫共燒多層陶瓷外殼的失效機理分析

多層陶瓷外殼以其優(yōu)良的性能被廣泛應(yīng)用于航天、航空、軍事電子裝備及民用電子產(chǎn)品的集成電路和電子元器件的封裝。常用的陶瓷外殼有集成電路陶瓷外殼，如 D 型 (DIP )、F (FP )、G 型 (PGA )、Q 型 (QFP )、C 型 (LCC )、BGA 型等；混合集成電路陶瓷外殼；光電器件陶瓷外殼；微波器件陶瓷外殼；聲表面波器件陶瓷外殼；晶體振蕩器陶瓷外殼；固體繼電器 陶瓷外殼及各種傳感器(如霍爾傳感器)用陶瓷外殼等等。

圖 CQFP，圖源宜興電子器件總廠

多層陶瓷外殼采用多層陶瓷金屬化共燒工藝進行生產(chǎn)。多層陶瓷外殼分為高溫共燒陶瓷外殼(HTCC)和低溫共燒陶瓷外殼(LTCC)兩類。多層陶瓷外殼由于其體積小、導熱性好、密封性好、機械強度高，因其封裝可靠性高而得到廣泛應(yīng)用。但是，在使用中仍然會出現(xiàn)失效。本文就HTCC高溫共燒多層陶瓷外殼的失效模式、失效機理進行分析介紹。艾邦建有陶瓷封裝全產(chǎn)業(yè)鏈微信群，歡迎陶瓷封裝產(chǎn)業(yè)鏈上下游掃碼加群與我們交流。

一、多層陶瓷外殼的失效模式

多層陶瓷外殼在生產(chǎn)和使用中出現(xiàn)的失效模式通常有以下幾種：

(1)在機械試驗中出現(xiàn)陶瓷底座斷裂失效；

(2)在使用中出現(xiàn)絕緣電阻小于標準規(guī)定值，出現(xiàn)失效；

(3)在使用中外殼出現(xiàn)斷、短路失效；

(4)在使用中出現(xiàn)外殼外引線脫落，或無引線外殼的引出端焊盤與外電路連接失效；

(5)使用中出現(xiàn)電鍍層銹蝕失效；

(6)使用中出現(xiàn)密封失效；

(7)鍵合和芯片剪切失效；

(8)使用不當造成失效。

二、多層陶瓷外殼的失效機理分析

1、陶瓷底座的斷裂失效

其主要失效機理如下：

(1)由于所采用的陶瓷材料的抗彎強度不足；

(2)在生產(chǎn)過程中偏離了規(guī)定的工藝參數(shù)。例如：層壓中未將各層生陶瓷片壓成一個整體，降低了陶瓷底座的機械強度；在燒結(jié)過程中，由于燒結(jié)溫度過高或過低而造成陶瓷底座過燒或生燒，從而降低了陶瓷底座的機械強 度所致；

(3)由于結(jié)構(gòu)設(shè)計錯誤，在設(shè)計外殼底座的底板時，底板取值太小，使底板 過薄。因此，產(chǎn)品在機械試驗時，造成外殼芯腔部位應(yīng)力集中，從而出現(xiàn) 外殼底座斷裂失效。

圖 CLGA封裝，圖源宜興電子器件總廠

2、絕緣電阻失效

其主要失效機理如下：

(1)所采用的陶瓷材料的體積電阻率和絕緣強度不夠，使產(chǎn)品的絕緣電阻達不到標準規(guī)定的要求；

(2)在印刷生產(chǎn)過程中，偏離了規(guī)定的工藝參數(shù)，例如金屬漿的黏度不符合規(guī)定或印刷機的工藝參數(shù)不對，使印刷線條之間發(fā)生短路或接近短路，導致絕緣電阻失效；

(3)在印刷生產(chǎn)過程中，由于操作者不注意工藝衛(wèi)生，造成印刷線條之間發(fā)生短路或接近短路，導致絕緣電阻失效；

(4)在電鍍后的清洗過程中，由于未充分清洗干凈，殘留的鍍液電介質(zhì)導致絕緣電阻值下降，導致絕緣電阻失效。

3、斷、短路失效

1）有引線外殼的斷、短路失效

(1)層間互連失效造成了外殼的斷路失效：例如：互連孔金屬化填料不足，層壓時工藝參數(shù)不符合規(guī)定，形成分層現(xiàn)象，造成上下層之間不能連接，造成層間互連斷路失效；

(2)印刷金屬化線路時，線間短路，引起了外殼短路失效。例如：金屬漿的黏度不符合規(guī)定或印刷機的工藝參數(shù)不對；操作者不注意工藝衛(wèi)生，造成 印刷線條之間發(fā)生短路，從而引起了外殼短路失效。

2）無引線外殼的斷、短路失效

(1)在平面印刷時，印刷線路與引出端通孔連接斷路；在引出端通孔孔壁金屬化時，引出端通孔內(nèi)壁掛漿不連續(xù)；在印刷底面引出端焊盤時，焊盤未與引出端通孔的金屬漿連接；在層壓時，由于層壓工藝參數(shù)控制不當，使引出端通孔內(nèi)分層使引出端通孔金屬化產(chǎn)生斷裂，因而造成了外殼的斷路失效。

(2)印刷金屬化線路時，線間短路，引起了外殼短路失效。

4、外引線脫落失效或無引線外殼的引出端焊盤與外電路連接失效

1）有引線外殼的外引線脫落失效

(1)釬焊引線的金屬化焊盤的金屬化強度不夠，而造成這一問題的原因：

①金屬化配方本身的金屬化強度低，

②金屬化層的厚度偏薄造成金屬化強度低，

③外殼陶瓷底座在燒結(jié)時溫度過高或過低造成金屬化強度低；

(2)陶瓷底座在釬焊前進行化學鍍鎳時，鍍鎳層偏薄，使焊料與金屬化焊盤的浸潤性差，導致引線的抗拉強度差；

(3)釬焊工藝不符合要求，造成這一問題的原因：

①釬焊裝配模具不符合要求使引線的裝配偏離焊盤或未與焊盤接觸到位，

②釬焊溫度過高造成焊料流失或溫度過低焊料熔融不夠，這些問題均會造成外引線的抗拉強度差；

(4)釬焊引線的焊料量不足，造成引線不能與焊盤完全釬焊好，降低了外引線的抗拉強度。

2）無引線外殼的引出端焊盤與外電路連接失效

(1)引出端金屬化焊盤的金屬化強度不夠，而造成這一問題的原因：

①金屬化配方本身的金屬化強度低，

②金屬化層的厚度偏薄造成金屬化強度低，

③外殼陶瓷底座在燒結(jié)時溫度過高或過低造成金屬化強度低；

(2)在電鍍中，由于鍍金和鍍鎳層偏薄，使用戶在釬焊時，金和鎳很快與焊料熔為合金，導致焊料與金屬化焊盤的浸潤性差，從而使焊盤與外電路連 接失效。

5、電鍍層銹蝕失效

其主要失效機理如下：

(1)電鍍配方選擇不當或所用化學藥品質(zhì)量差，使鍍液的雜質(zhì)含量高，造成 鍍層內(nèi)的雜質(zhì)含量高，鍍層的孔隙率高，抗腐蝕能力差；

(2)電鍍工藝或工藝控制不當，造成鍍層孔隙率高或鍍層的均勻性差，造成 電鍍層失效；

(3)電鍍用純水質(zhì)量差，造成鍍液中雜質(zhì)含量高或清洗不干凈，使電鍍層質(zhì)量及表面質(zhì)量差，造成了電鍍層失效；

(4)鍍層厚度設(shè)計不合理，使鍍鎳層和鍍金層的抗腐蝕能力差、可焊性差、可鍵合性不好，造成電鍍層失效。

6、密封性失效

其主要失效機理如下：

(1)布線印刷時，金屬漿厚度太厚，層壓時金屬漿兩邊不能壓密實，內(nèi)引線兩邊漏氣，造成密封失效；

(2)層壓前印刷好的生陶瓷片太干，使正常的層壓工藝不能將產(chǎn)品壓成一個密實的整體，層間漏氣，從而造成密封失效；

(3)層壓工藝參數(shù)控制不當，使產(chǎn)品不能壓成一個密實的整體，形成層間漏氣，從而造成密封失效；

(4)由于封接環(huán)表面平整度差，在采用焊料封蓋時焊料不足以填滿焊縫造成漏氣，電鍍質(zhì)量差，焊料與封接環(huán)浸潤性差造成漏氣；

(5)平行縫焊用蓋板采用的材料厚度不當、退火工藝控制不好、電鍍工藝控制不當，從而造成用戶平封時，采用正常的平封工藝封蓋時發(fā)生密封失效。

圖 平行縫焊

7、鍵合和芯片剪切失效

其主要失效機理如下：

(1)由于金屬化強度低，在鍵合時，金屬化層受到破壞，導致鍵合點剝離失效；其次，由于內(nèi)引線和腔底的金屬化表面平整度差，導致鍵合和芯片粘結(jié)強度差，引起失效；

(2)由于外殼在電鍍時，鍍層厚度偏薄或鍍層的均勻性差，使鍵合強度和芯片粘結(jié)強度差，造成鍵合和芯片剪切失效；

(3)由于用戶在使用中，鍵合工藝參數(shù)不當，造成鍵合失效；在芯片粘結(jié)時，焊料選用不當或粘結(jié)工藝參數(shù)不當造成芯片粘結(jié)強度差，造成失效。

8、使用不當造成失效

其主要失效機理為：用戶在使用過程中，由于對外殼的性能及使用要求了解不夠，在儲存、使用過程中工藝控制不當；在檢測、試驗過程中，方法不當，對外殼造成破壞性失效。例如：在使用過程中，直接用手接觸外殼，手上的油污沾染在外殼上，從而造成絕緣電阻、鍍層等失效；在試驗過程中，由于使用的夾具不當，造成外殼機械強度失效等等。

多層陶瓷外殼的主要失效模式有以下幾種：陶瓷底座斷裂失效，絕緣電阻失效，斷、短路失效，外引線脫落失效，電鍍層銹蝕失效，密封失效，鍵合和芯片剪切失效和使用不當失效，根據(jù)其失效機理，在外殼的制造和使用過程中采取措施，以防止多層陶瓷外殼失效的發(fā)生。

文章來源：湯紀南.多層陶瓷外殼的失效分析和可靠性設(shè)計[J].電子與封裝, 2006,6(10):22-26.

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推薦活動：【邀請函】第七屆陶瓷封裝產(chǎn)業(yè)論壇（11月30日·蘇州）

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會議議題

時間安排	議題	演講單位
08:45-09:00	開場致辭	艾邦創(chuàng)始人 江耀貴
09:00-09:30	多層陶瓷高溫共燒關(guān)鍵技術(shù)介紹	佳利電子 副總 胡元云
09:30-10:00	氮化鋁HTCC封裝材料現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展趨勢	中電科43所/合肥圣達 研究員 張浩
10:00-10:30	茶 ?歇
10:30-11:00	三維電鍍陶瓷基板（3DPC）及其封裝應(yīng)用	華中科技大學/武漢利之達 教授/創(chuàng)始人 陳明祥
11:00-11:30	HTCC氫氮氣氛燒結(jié)窯爐	北京中礎(chǔ)窯爐 副總經(jīng)理 付威
11:30-12:00	多層共燒陶瓷的增材制造技術(shù)	中南大學 教授 王小鋒
12:00-13:30	午 ?餐
13:30-14:00	微波大功率封裝外殼技術(shù)發(fā)展	中電科55所 研究員 龐學滿
14:00-14:30	HTCC陶瓷封裝用配套電子材料的匹配性問題研究	泓湃科技 CEO 陳立橋
14:30-15:00	芯片管殼等溫空腔封裝	佛大華康 總經(jīng)理 劉榮富
15:00-15:30	高速高精度HTCC全工藝流程視覺檢測應(yīng)用介紹	深圳禾思 CEO 楊澤霖
15:30-16:00	精密激光在LTCC/HTCC加工中的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢	德中技術(shù) 戰(zhàn)略發(fā)展與市場總監(jiān) 張卓
16:00-16:30	茶 ?歇
16:30-17:00	多層陶瓷封裝外殼的生產(chǎn)工藝和可靠性設(shè)計	宏科電子 副廠長 康建宏
17:00-17:30	低溫共燒LTCC和高溫共燒HTCC燒結(jié)中的關(guān)鍵因素	蘇州阿爾賽 總經(jīng)理 王笏平
17:30-18:00	多層共燒陶瓷生產(chǎn)線裝備與系統(tǒng)	中電科2所 高級專家 郎新星
18:00-18:30	PVD技術(shù)在封裝用陶瓷基板上的應(yīng)用	中國科技大學 教授 謝斌
18:30-19:00	高溫共燒陶瓷（HTCC）封裝與系統(tǒng)集成	福州大學 副教授 韓國強
19:00-20:30	晚 ?宴

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