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摘要:
界面开裂是塑封IC器件的主要失效模式之一。电子封装用高聚物具有的多孔特性致使封装材料易于吸潮。在无铅回流焊工艺中，整个器件处于相对较高的温度下，致使高聚物吸收的潮湿会膨胀并在材料内部空洞产生很高的蒸汽压力。界面开裂在热机械、湿机械和蒸汽压力的耦合作用下极易发生。本文的主要目的就是研究无铅回流焊工艺中，温度、潮湿和蒸汽压力耦合作用对QFN器件开裂失效的影响。文章对塑料封装QFN器件从168小时的JEDEC Level1标准（85℃/85％RH）下预置吸潮到后面的的无铅回流焊的整个过程进行了有限元仿真，并且对温度、湿度和蒸汽压力耦合作用下裂纹的裂尖能量释放率也通过J积分进行了计算。论文的研究结果表明QFN器件吸潮后封装体界面的潮湿成为界面开裂扩展的主要潜在因素，EMC材料、芯片和粘合剂的交点处应力最大，在该处预置裂纹后分析表明回流峰值温度时刻裂纹最易扩展且随裂纹长度增加扩展的可能性在提高。
关键词:
QFN封装；无铅回流焊；湿热；界面开裂
1、引言
QFN（Quad Flat Non-lead）封装是在几年前被引入的一种新封装技术，它与其它引线框架封装相比具有许多优点，比如低成本、小尺寸和优良的热和电传导特性等等。与封装体尺寸和引脚数相当的其它引线框架封装相比，QFN封装由于其引线框架位于封装体底部且焊盘暴露，因而散热效率非常高。这样的结构也提供了良好的电性能，显著降低了寄生效应。这些特点使得QFN封装被广泛应用于便携式通信和消费电子产品，像手机、数码相机、PDA、笔记本等等。
在回流焊工艺中，潮湿诱发的界面开裂失效是相当普遍的现象，尤其是在温度相对较高的无铅回流焊工艺中。目前关于QFN在无铅回流中界面开裂失效报道还不多，尤其是在国内。Tong Yan Tee等[1]虽然建立了QFN封装的集成应力模型，并且考虑了温度、湿度和蒸汽压力的综合影响，但是他们没有考虑无铅回流的条件以及塑料封装材料的粘弹性特点。本文在充分考虑塑料封装材料粘弹性特点的前提下，构建了无铅回流焊条件下的QFN集成封装模型来研究其界面开裂失效。在以前的许多研究中，通常封装器件先被预先放到特定的温度环境中吸湿，然后再去回流或者干燥，并对这个过程中温度、湿度和蒸汽压力可能导致的各种失效进行分析研究。本文也采取了这样的研究思路。Kitano等[2]的研究表明局部潮湿集中对封装开裂有很大的影响，因此本文对潮湿分布进行了建模。此外蒸汽压力对理解失效机理也是很重要的，所以蒸汽压力的模型也被建立，以确定封装体的蒸汽压力分布情况。有关蒸汽压力模型的理论背景在[3-5]中已经建立。
2、建模
2.1 热传导模型
用来获得无铅回流焊工艺中温度分布的瞬态热传导方程如下：
公式里T表示温度，x、y、z 是空间坐标， 表示热分布。材料的热属性，比热（Cp）导热系数(k)和密度( )和热扩散系数 具有下面的关系：
2.2 潮湿扩散模型
瞬态潮湿扩散方程类似于热传导方程表示为：
公式中C是局部潮湿度，x、y、z 是空间坐标，D 是潮湿扩散系数，t是时间。但是不像温度，潮湿度在两种材料界面是不连续的。为解决这个问题需引入相对潮湿度w，它在不同材料界面处是连续的[6,7]，被表示成：
公式中Csat是饱和潮湿度，w=0表示完全干燥，w=1表示湿度已经饱和。这样方程（3）可以表示为
2.3 蒸汽压力模型
蒸汽压力采用典型体积单元法（RVE）计算，首先一个方程要被引入：
公式中f是孔洞体积分数，它是场变量，dVf是孔洞体积并且dV是单元体积。当f=1时候，它暗示分层已经发生了。通常情况下，初始孔洞是随即且均匀的散布于材料内部。孔洞内的潮湿度能被表示为：
公式中dWm是孔洞单元内的潮湿重量，f0是初始孔洞体积分数。要计算蒸汽压力一个新的概念转变温度要被引入，它指的是孔洞内的潮湿完全转变为气态时候的温度[8,9,10]
公式中T1是转变温度， 是在温度T1时的饱和蒸汽密度，T0是预置条件温度。蒸汽压力[8,9,10]可按以下三种不同情况分别加以计算。
情况一：孔洞湿度较小，在预置条件温度下潮湿已经完全变为气态：
这里 是气压，是饱和蒸汽压力， 是热膨胀系数。
情况二：潮湿在预置条件温度和回流峰值温度区间内完全变为气态：
情况三：潮湿在回流峰值温度都没有完全变为气态：
对于情况一和二，蒸汽压力可以按理想气体准则方程计算，但是对于最后一种情况只能用热力表而不能用理想气体方程进行计算。
2.4 EMC材料建模
以前对塑料封装IC器件进行分析时候，通常封装树脂材料的粘弹性被忽略，但是许多高聚物像环氧模塑封材料EMC(epoxy modeling compounds)表现出了显著的时温依赖特性，即粘弹性。在本文中为充分表征这一特性，EMC材料使用广义Maxwell模型进行建模，使用的Maxwell单元数时13。依赖于时间的剪切模量和体积模量通过下面的公式计算：
公式中G(t),K(t), , , , , ,t和n分别表示剪切模量、体积模量、平衡剪切模量、平衡体积模量、剪切模量常数、体积模量常数、松弛时间和时间。时温等效法则被用来描述EMC材料在预置条件和无铅回流焊过程中温度对其的影响。为此引入下面两个公式：
公式中 是转移因子，它可以通过Williams-Landel-Ferry(WLF)方程[11]加以计算,
这里 是参考温度，T是实验温度， 和 是常数。研究中选择25℃作为参考温度。固化后的EMC样品在-40℃到150℃温度范围内,通过动态力学分析实验DMA测量所得的G(t)和 K(t)主曲线如下图1所示：
3、无铅QFN器件的有限元分析
3.1 热传导分析
A、QFN器件有限元建模
二维几何模型如图2所示，由于对称性，这里分析无铅回流焊中QFN器件温度分布采用一半的二维平面有限元模型如图3所示。
B、边界和初始条件
边界条件：沿对称轴的节点X方向被限定X=0,模型左下角的节点X和Y两个方向都被限定了X=0,Y=0。
初始条件：周围环境温度为20℃
C、热载荷
如图4所示的RTS型回流焊热载荷曲线被加到图3所示的有限元模型上，整个回流过程持续大约240秒，图4中横轴表示回流焊时间，单位（S）,纵轴表示温度，单位（K）：
D、材料属性
表格1中Cp,k, 分别表示比热、导热系数和密度。
E、分析结果
图5和图6分别显示了回流过程中峰值温度时刻和回流焊结束时刻的温度分布：
从图5我们看到在回流焊峰值温度时刻铜和芯片区域温度明显高于EMC区域温度，但在图6所示回流焊结束时刻情况刚好相反，这是因为铜和芯片导热性比EMC好，所以在升温和降温都较快。
3.2 潮湿扩散分析
对于潮湿扩散分析，QFN有限元模型和边界条件与热传导分析完全一样。潮湿扩散包含预置条件下的吸潮和回流焊阶段的脱潮两种情形。潮湿扩散过程类似热传导，可作如表格2的类比：
1)潮湿吸收分析
吸潮模型的初始条件是W=0，潮湿载荷是W=1。通过潮湿增重实验获得的潮湿材料属性列于表格3，由于芯片和铜对潮湿不敏感，这里假定它们的扩散率D和饱和密度Csat均是0。
在85℃/85％RH预置条件放168小时后，潮湿扩散如下图7所示。我们发现QFN封装体几乎吸潮饱和。
2）脱潮分析
回流焊过程脱潮分析的潮湿载荷是W=0，初始条件为经历168小时后相对湿度分布。此外在回流焊器件扩散率D是温度的函数，可以表达如下[12]：
公式里D0 是扩散常数； 是活化能，单位EV；R是Boltzman常数一般为8.83e-5 ev/k；这里D0 和 对EMC材料为0.18(mm)和-0.304(ev)，对粘合剂材料为0.35(mm)和 -0.293(ev)。经历240秒的无铅回流焊工艺后，相对潮湿分布如下图8所示，从图中我们发现QFN封装的表面由于高温丢掉了大量的湿气，然而封装体内部的潮湿变化不是很大，尤其是粘合剂与芯片或者粘合剂与EMC界面的湿气。这部分湿气在高温条件下极易受热膨胀引发界面开裂。
3.3 集成应力分析
为了准确模拟实际情况，使仿真不失真，文中采用了综合考虑热－机械、湿－机械和蒸汽压力的集成应力模型。对于封装体内的蒸汽压力，本文是根据公式（9）－（11）在有限元分析软件里采用特殊编制的用户子程序加载的。分析中考虑热机械时用到的材料属性如表格4所示：
湿－机械分析的材料属性杨氏模量和泊松比同热－机械分析，唯一的区别用到的是湿膨胀系数CME,CME类似于热膨胀系数CTE，可以通过TGA和TMA实验测定，文中CME用表示，对于EMC材料为0.222mm，对于粘合剂为0.52mm。下面图9和图10分别是无铅回流焊升温到峰值温度和降温到回流焊结束时刻的集成应力分布图，单位（MPa）：
从两幅图很显然我们能够看到在无铅回流焊过程中应力最大点出现在EMC、芯片和粘合剂的交点处。且经过分析我们发现整个过程中应力最大状态出现在峰值温度时刻。
3.4 开裂失效分析
本文通过裂纹裂尖处的能量释放率来表征界面开裂情况，研究在中集成应力最大位置处，即EMC、芯片和粘合剂的交点处的芯片和粘合剂界面预置长度分别为0.02mm、0.05mm、0.1mm和0.2mm的初始裂纹，并选用J积分法来计算在热－机械、湿－机械和蒸汽压力耦合作用下不同长度裂纹裂尖的能量释放率。结果如下图11所示：
从图11中我们能看到裂尖能量释放率在回流焊峰值温度时刻最大，这表明在峰值温度时刻裂纹最容易扩展，此外我们也发现随着裂纹长度增加裂尖的能量释放率在增加，即裂纹扩展的危险程度在相应提高。
4、结论
为精确分析无铅回流焊过程的失效机理，本文应用了热－机械、湿－机械和蒸汽压力耦合作用下的集成应力模型。通过脱潮分析我们发现无铅回流焊过程QFN器件中的潮湿并没有完全消失，其界面的潮湿成为导致界面开裂的潜在因素，通过集成应力分析我们发现EMC、芯片和粘合剂的交点处是应力最大的危险位置，为此在此处预置裂纹，通过进一步分析我们发现裂纹最易在峰值温度时刻扩展，且随裂纹长度增加裂纹扩展的可能性在提高。
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