半導(dǎo)體業(yè)務(wù)中的典型供應(yīng)鏈， 顯示了需要材料表征、材料選擇、質(zhì)量控制、工藝優(yōu)化和失效分析的不同工藝步驟

 

 

 

 

差示掃描量熱法(DSC)

 

此項(xiàng)技術(shù)最適合分析環(huán)氧樹脂的熱性能，如圖1所示。測量提供了關(guān)于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)、固化反應(yīng)的起始溫度、固化熱量和工藝最終溫度的信息。

 

圖 1. DSC曲線顯示環(huán)氧化合物的固化特征

 

DSC可用于顯示玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，因?yàn)樗�在給定溫度下隨固化時(shí)間（圖2）的變化而變化。

 

圖 2. DSC 曲線顯示玻璃化轉(zhuǎn)變溫度

 

 

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是衡量環(huán)氧化合物交聯(lián)密度的良好指標(biāo)。事實(shí)上，過程工程師可以通過繪制玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與不同固化溫度下固化時(shí)間的關(guān)系圖來確定最適合特定環(huán)氧化合物的工藝窗口（圖3）。

 

圖 3. 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與不同固化溫度下的固化時(shí)間的關(guān)系

 

如果工藝工程師沒有測試這些數(shù)據(jù)，則生產(chǎn)過程通常會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量低下，如圖4所示。

 

圖 4. 玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與不同固化溫度下的固化時(shí)間的關(guān)系

 

 

結(jié)果就是組件在引腳框架和半導(dǎo)體芯片之間容易發(fā)生分層故障。通過使用功率補(bǔ)償DSC（例如珀金埃爾默的雙爐DSC），生成上述玻璃化轉(zhuǎn)變溫度與溫度 / 時(shí)間關(guān)系曲線，可確定最佳工藝條件。使用此法，即使是高度填充銀芯片粘接環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變也可以被檢測出。這些數(shù)據(jù)為優(yōu)化制造工藝提供了極有幫助的信息。

 

使用DSC技術(shù)，可以將固化溫度和時(shí)間轉(zhuǎn)換至160° C和2.5小時(shí)，以此達(dá)到優(yōu)化該環(huán)氧樹脂固化條件的目的。這一變化使過程穩(wěn)定并獲得一致的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度值。在珀金埃爾默，DSC不僅被用于優(yōu)化工藝，而且還通過監(jiān)測固化產(chǎn)物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度值，發(fā)揮質(zhì)量控制工具的作用。

 

DSC 8000 差示掃描量熱儀

 

DSC 還可以用于確定焊料合金的熔點(diǎn)。用DSC分析含有3%（重量比）銅(Cu)、銀(Ag)或鉍(Bi)的錫合金。圖5中顯示的結(jié)果表明，不同成分的合金具有非常不同的熔點(diǎn)。含銀合金在相同濃度（3%（重量比））下熔點(diǎn)最低。

 

圖 5. DSC：不同焊接合金在不同濕度環(huán)境下的熔點(diǎn)分析

 

熱重分析(TGA)

 

珀金埃爾默熱分析儀有助于設(shè)計(jì)工程師加深對(duì)材料選擇的理解。例如，珀金埃爾默TGA 8000®（圖6）可以檢測出非常小的重量變化，并可用于測量重要的材料參數(shù)，如脫氣性能和熱穩(wěn)定性。這將間接影響組件的可焊性。圖7顯示了在230°C 和260° C下具有不同脫氣性能的兩種環(huán)氧樹脂封裝材料。重量損失（脫氣）程度越高，表明與引腳框架接觸的環(huán)氧樹脂密封劑的環(huán)氧—引腳框架分離概率越高。

 

圖 6. 珀金埃爾默TGA 8000

 

圖 7. TGA結(jié)果顯示兩種材料具有不同的脫氣性能

 

熱機(jī)械分析(TMA)

 

當(dāng)材料經(jīng)受溫度變化時(shí)，TMA可精確測量材料的尺寸變化。對(duì)于固化環(huán)氧樹脂體系，TMA可以輸出熱膨脹系數(shù)(CTE)和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度。環(huán)氧樹脂的熱膨脹系數(shù)是非常重要的參數(shù)，因?yàn)榧?xì)金線嵌入環(huán)氧化合物中，并且當(dāng)電子元件經(jīng)受反復(fù)的溫度循環(huán)時(shí)，高熱膨脹系數(shù)可能導(dǎo)致電線過早斷裂。不同熱膨脹系數(shù)之間的拐點(diǎn)可以定義為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（圖8）。TMA還可以用于確定塑料部件的軟化點(diǎn)和焊料的熔點(diǎn)。

 

圖 8. 顯 TMA 4000 測試的典型的 TMA 圖

 

動(dòng)態(tài)力學(xué)分析(DMA)

 

選擇材料時(shí)，內(nèi)部封裝應(yīng)力也是關(guān)鍵信息。將DMA與 TMA技術(shù)結(jié)合，可以獲得關(guān)于散裝材料內(nèi)應(yīng)力的定量信息。DMA測量材料的粘彈性，并提供不同溫度下材料的模量，具體如圖9所示。當(dāng)材料經(jīng)歷熱轉(zhuǎn)變時(shí)，模量發(fā)生變化，使分析人員能夠輕松指出熱轉(zhuǎn)變，如玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、結(jié)晶或熔化。

 

圖 9. DMA 8000 測試的典型的 DMA 圖

 

熱分析儀用于ASTM® 和IPC材料標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)、質(zhì)量控制和材料開發(fā)。圖10顯示了一個(gè)涉及熱分析儀的IPC試驗(yàn)。珀金埃爾默DMA目前已在半導(dǎo)體行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。

 

圖 10. DMA：顯示透明模塑化合物的內(nèi)應(yīng)力

 

熱分析儀是半導(dǎo)體封裝行業(yè)的重要工具。它們不僅在設(shè)計(jì)和開發(fā)階段發(fā)揮了重要作用，而且還可用于進(jìn)行故障分析和質(zhì)量控制。許多標(biāo)準(zhǔn)方法都對(duì)熱分析的使用進(jìn)行了描述（圖11）。使用珀金埃爾默熱分析儀，用戶可以優(yōu)化加工條件并選擇合適的材料以滿足性能要求，從而確保半導(dǎo)體企業(yè)能夠生產(chǎn)出高品質(zhì)的產(chǎn)品。考慮到此類分析可以節(jié)省大量成本，熱分析儀無疑是一項(xiàng)“必備”試驗(yàn)設(shè)備！

 

圖 11. 用于標(biāo)準(zhǔn)方法的熱分析儀