表面安装塑封体吸湿性开裂问题及其对策
随着SMT封装技术的发展，表面安装型塑封体由于吸湿性引起的开裂问题越来越突出。本文主要对表面安装型塑封体(如SOP、PLCC、PQFP、PBGA等)在回流焊时吸湿开裂机理以及相应对策等进行讨论分析。
1 前言
传统通孔式封装中其焊接工艺采用波峰焊。DIP引脚插入PCB板中，再用熔融的焊料进行焊接，在焊接时，封装体受到PCB板的保护，并没有直接与熔融焊料直接接触。但随着先进的SOP、PLCC、PQFP、BGA等表面安装封装技术的发展，由于塑封体吸湿性引起的开裂问题越来越突出。多引脚表面安装封装体与通孔式封装体相比，引脚节距小，在安装时是直接贴装在PCB表面上，这种封装形式可以在PCB板上两面进行贴装，虽然脚数增加，却使得封装的尺寸和厚度减小。这种封装工艺在焊接时采用高温回流焊的方式进行焊接，封装体和PCB一起受到高温加热，在此受热过程中，由于其吸收的潮气，增大了其开裂的可能性。在装配过程中，较大尺寸以及较薄壳体表面安装型封装体，常会发生\爆米花\开裂现象。本文主要讨论在SMT回流焊条件下，表面安装型塑封体(如SOP、PLCC、PQFP、PBGA等)由于吸湿引起的开裂问题、干燥工艺、特殊的返修工艺等，希望能为集成电路封装厂家以及装配厂家提供一些帮助。 2 引起开裂吸湿阈值极限及因素
引起开裂的吸湿阈值极限是指在一定的回流条件下，引起SMT封装体开裂的必要水汽含量。
水汽通过扩散进入塑封体内，最后与周围环境达到一种平衡，此时，该塑封体放入回流炉内加热回流焊，塑封体内的水分在高温下变成气体，形成饱和水蒸气，随着蒸气量的增加，在封装体内产生蒸气压，当压力达到一定的程度，为释放压力，在应力集中薄弱处就产生裂纹，塑封体从内部开始产生裂纹，引起开裂。[1]
决定塑封体吸湿阈值极限要考虑多个因素，主要有环境的温度、湿度，塑封料的性能，DAP(Die Attach Paddle)的尺寸，以及封装体的厚度、引线框架的材料等因素。环境和塑封料决定吸水率和最终封装体内水分的含量，DAP的尺寸和封装体的厚度决定在回流焊条件下封装体抵抗湿气压力的能力，引线框架的材料决定塑封料的粘接强度。
3 塑封料吸湿开裂分析
塑封料的主要成份有环氧树脂、固化剂、填料以及其他组份物质。塑封料封装不同于陶瓷材料和金属材料，塑封料是一种高分子复合材料，其固有的有机大分子结构，使其本身存在较高的吸湿性，是一种非气密性封装。塑封体可以通过扩散吸收少量的水分，最后封装体与周围环境在一定的温度和湿度条件下达到一种平衡状态。若在SMT封装体中有足够的水分，在瞬间高温回流焊下，将变成蒸气。
这种蒸气压，当温度达到240℃时，压力达到一定的程度就会释放出来。在释放的过程中，由于材料抗弯性，可能引起封装体断裂。裂纹形成后，使气体得以逸出，这对器件来说将存在较大隐患。这种裂缝将使水和杂质离子直接浸入，如钠离子、钾离子、氯离子等浸入塑封体，会引起铝布线腐蚀，最后导致电路失效。因此，应避免吸湿性引起的开裂现象的发生，以提高SMT封装产品的可靠性，延长其使用寿命周期。[2]
通常，塑封体和环氧树脂从周围环境吸收水分。水分进出封装体的扩散速率主要由其所处的外界环境温度所决定，环氧树脂的饱和状态下的吸水率，主要和周围环境下的湿度有关，温度影响相对较小。用28mm×28mm×3．4mmPQFP做试验分析，如图1所示。开始时，封装体的吸水率受温度影响较大，但随着时间的延长，吸水率主要受湿度的影响。
4 表面安装技术(SMT)引起开裂分析
SMT与通孔插装技术(THT)相比，区别不仅在于元器件的形状小同以及封装工艺不同，它还涉及到众多的新型封装元器件、基板及电子材料的设计与制造、安装工艺、安装设计、检测技术及相应的设备，使包括表面安装元器件在内的SMT成为一项十分复杂的系统工程。
塑料封装尽管存在普遍的吸湿问题，但在低的湿气压下，不会产生塑料封装体开裂问题，因为在低的湿气压力下，产生的机械应力不足以破坏塑封外壳。在装配应用时，对于PDIP、PGA等有引脚的塑封插装器件来说，由于焊接时使用的是波峰焊，高温焊料只与器件的引脚接触，虽然热量通过引脚可传到塑封壳体上，但因焊接时间短，传到塑封壳体的热量不足以使塑封料温度升高很多。而壳体的中、上部温升更低。因此，封装体内稍热的水汽产生的压力对这类封装体较厚的器件不会造成任何破坏性的后果，这就是塑封插装器件一直没有反映有关塑封开裂的原因。然而，对于表面安装器件，由于其焊接时无论是再流焊还是波峰焊，整个塑封体都要经过215℃～240℃的高温过程，增加了封装体的热焊接应力。
若这时塑封体内湿气的含量达到开裂阈值极限，水汽急剧膨胀，聚集形成较大的蒸气压，从而可能出现塑封体的开裂现象。
5 吸湿开裂对策
水汽含量并不是塑封器件开裂的决定因素，它是引起表面安装型塑封器件开裂的外因，塑封器件结构中的引线框架、芯片、粘接剂和塑封料等所共同形成的热失配应力是引起塑封器件开裂的内因。知道这些内外因素，就可以通过采取一定的措施，来预防减少开裂现象。
5．1 改进封装结构
塑封料越厚，抵御开裂的能力越强，因此．增加芯片四周和底部塑封料厚度，可防止开裂。引线框架与塑封料有一定的结合强度，但光滑的引脚表面会减小与塑封料的结合力，可通过增加引脚上芯片键合区的表面粗糙度来提高与塑封料的结合力，从而尽可能减少开裂。
5．2 调整引线框架、塑封料等材料CTE值，降低热失配应力
从塑封器件的整体结构来看，它主要是由引线框架、芯片、粘接剂和塑封料等材料组成，它们的热膨胀系数(CTE)各不相同，相差达数倍至数十倍，它们之间平时就有一定的热失配应力。当在高温进行焊接时，这些热失配应力也随之加大，以至引起开裂现象的发生。因此，调整引线框架、塑封料等材料CTE值匹配，降低热失配应力是解决开裂的根本途径[3]。因此材料厂家也都在积极开发相应材料，改进材料性能来满足市场发展的要求。
5.3 干燥包装及烘烤
针对用于表面安装的塑封体易产生开裂问题。干燥包装及烘烤作为一种解决的方法现已被广泛采用。
5.3.1 干燥包装工艺
通过电性能测试易吸湿塑料封装体，装在托盘里，摆放10层高，盖上托盘盖子。将这些托盘用塑料带子捆扎好，放入干燥的包装袋子里，并放入干燥剂、湿度指示试卡，然后在压力70psi、温度约150℃下进行密封，最后进行外观质量检验。
封装体在进行装配时打开包装，打开时尽量做到减少破损度，以便一个包装用不完时，有可能按照行业标准重新进行包装贮存。湿度指示试卡(HIC)显示干燥包装袋内的湿度，大多数情况下，HIC值的读数小于10％。一旦打开包装，这些封装体必需按照使用说明在有效期内使用完。假如HIC的值显示20％或更高，说明该包装可能破损，封装体已经暴露在周围环境中，这类封装体在装配前必须按照使用说明进行烘烤。
5.3.2 产品的有效期
产品的有效期是指打开包装后封装体暴露在环境中可放置的最长时间(如表1)，指包装被打开后的累积时间。例如干燥包装产品标明有效期48小时，包装被打开1小时后，重新进行干燥包装，换上新的干燥剂，
则其有效期变为47小时。一旦包装被打开，封装体吸收周围环境的湿气，在回流焊时有可能存在开裂问题。
5.3.3 烘烤工艺
如果封装体超过有效期或者湿度指示卡读数大于20％，这时在应用前需要对其进行烘烤。在125℃、相对湿度小于50％的条件下，进行烘烤8～10小时，或者在40℃、相对湿度小于5％的条件下烘烤192小时，烘烤干燥后的封装体应重新确定有效期。在125℃下进行烘烤时，盛放封装体的托盘必须是特制的耐高温的材料托盘，如果不是耐高温的，则在125℃的高温条件进行烘烤时，这些容器会变形翘曲。因此，非耐高温容器内盛放封装体在高温条件下进行烘烤的过程中，有可能产生引脚变形、不共面等问题。还有可能使引脚的可焊性能降低，这是因为在125℃下进行烘烤时，使得引脚金属与焊料间化合物的加厚，影响焊接性能。因此，在125℃烘烤时，建议只能反复烘烤3次，而在低温烘烤时，没有次数限制。
5.3.4 返修工艺
在对装配在PCB板上的湿敏感性封装体进行返修拆除时，首先要在125℃、相对湿度小于50％的条件下，进行烘烤8～10小时，或者在40℃、相对湿度小于5％的条件下烘烤192小时，以避免在返修拆除工艺中出现开裂现象。
6 结束语
决定SMT塑封体吸湿开裂阈值极限有多个因素，主要有环境的温度、湿度，塑
封料的性能，DAP的尺寸，以及封装体的厚度，引线框架的材料等因素。水汽含量并不是塑封器件开裂的决定因素，它是引起表面安装型塑封器件开裂的外因,塑封期间结构中的引线框架、芯片、粘接剂和塑封料等所共同形成的热失配应力是引起塑封器件开裂的内因。所以在研究吸湿开裂的内因。所以在研究吸湿开裂问题时应综合考虑SMT型封装体的封装结构、各种结构材料、SMT工艺、环境条件等因素，制定出相应的行之有效的解决方法与对策，以满足SMT封装技术发展要求。
表面安装塑封体吸湿性开裂问题及其对策
