封装塑封料a631ht的材料参数,「硬见小百科」电子器件封装缺陷和失效的形式 -爱游戏平台

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简介:电子器件是一个非常复杂的系统,其封装过程的缺陷和失效也是非常复杂的。因此,研究封装缺陷和失效需要对封装过程有一个系统性的了解,这样才能从多个角度去分析缺陷产生的原因。

1. 封装缺陷与失效的研究方法论

封装的失效机理可以分为两类:过应力和磨损。过应力失效往往是瞬时的、灾难性的;磨损失效是长期的累积损坏,往往首先表示为性能退化,接着才是器件失效。失效的负载类型又可以分为机械、热、电气、辐射和化学负载等。

影响封装缺陷和失效的因素是多种多样的, 材料成分和属性、封装设计、环境条件和工艺参数等都会有所影响。确定影响因素和预防封装缺陷和失效的基本前提。影响因素可以通过试验或者模拟仿真的方法来确定,一般多采用物理模型法和数值参数法。对于更复杂的缺陷和失效机理,常常采用试差法确定关键的影响因素,但是这个方法需要较长的试验时间和设备修正,效率低、花费高。

在分析失效机理的过程中, 采用鱼骨图(因果图)展示影响因素是行业通用的方法。鱼骨图可以说明复杂的原因及影响因素和封装缺陷之间的关系,也可以区分多种原因并将其分门别类。生产应用中,有一类鱼骨图被称为6ms:从机器、方法、材料、量度、人力和自然力等六个维度分析影响因素。

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这一张图所示的是展示塑封芯片分层原因的鱼骨图,从设计、工艺、环境和材料四个方面进行了分析。通过鱼骨图,清晰地展现了所有的影响因素,为失效分析奠定了良好基础。

2. 引发失效的负载类型

如上一节所述,封装的负载类型可以分为机械、热、电气、辐射和化学负载。

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失效机理的分类

机械载荷:包括物理冲击、振动、填充颗粒在硅芯片上施加的应力(如收缩应力)和惯性力(如宇宙飞船的巨大加速度)等。材料对这些载荷的响应可能表现为弹性形变、塑性形变、翘曲、脆性或柔性断裂、界面分层、疲劳裂缝产生和扩展、蠕变以及蠕变开裂等等。

热载荷:包括芯片黏结剂固化时的高温、引线键合前的预加热、成型工艺、后固化、邻近元器件的再加工、浸焊、气相焊接和回流焊接等等。外部热载荷会使材料因热膨胀而发生尺寸变化,同时也会改变蠕变速率等物理属性。如发生热膨胀系数失配(cte失配)进而引发局部应力,并最终导致封装结构失效。过大的热载荷甚至可能会导致器件内易燃材料发生燃烧。

电载荷:包括突然的电冲击、电压不稳或电流传输时突然的振荡(如接地不良)而引起的电流波动、静电放电、过电应力等。这些外部电载荷可能导致介质击穿、电压表面击穿、电能的热损耗或电迁移。也可能增加电解腐蚀、树枝状结晶生长,引起漏电流、热致退化等。

化学载荷:包括化学使用环境导致的腐蚀、氧化和离子表面枝晶生长。由于湿气能通过塑封料渗透,因此在潮湿环境下湿气是影响塑封器件的主要问题。被塑封料吸收的湿气能将塑封料中的催化剂残留萃取出来,形成副产物进入芯片粘接的金属底座、半导体材料和各种界面,诱发导致器件性能退化甚至失效。例如,组装后残留在器件上的助焊剂会通过塑封料迁移到芯片表面。在高频电路中,介质属性的细微变化(如吸潮后的介电常数、耗散因子等的变化)都非常关键。在高电压转换器等器件中,封装体击穿电压的变化非常关键。此外,一些环氧聚酰胺和聚氨酯如若长期暴露在高温高湿环境中也会引起降解(有时也称为“逆转”)。通常采用加速试验来鉴定塑封料是否易发生该种失效。

需要注意的是,当施加不同类型载荷的时候,各种失效机理可能同时在塑封器件上产生交互作用。例如,热载荷会使封装体结构内相邻材料间发生热膨胀系数失配,从而引起机械失效。其他的交互作用,包括应力辅助腐蚀、应力腐蚀裂纹、场致金属迁移、钝化层和电解质层裂缝、湿热导致的封装体开裂以及温度导致的化学反应加速等等。在这些情况下,失效机理的综合影响并不一定等于个体影响的总和。

3. 封装缺陷的分类

封装缺陷主要包括引线变形、底座偏移、翘曲、芯片破裂、分层、空洞、不均匀封装、毛边、外来颗粒和不完全固化等。

3.1 引线变形

引线变形通常指塑封料流动过程中引起的引线位移或者变形,通常采用引线最大横向位移x与引线长度l之间的比值x/l来表示。引线弯曲可能会导致电器短路(特别是在高密度i/o器件封装中)。有时,弯曲产生的应力会导致键合点开裂或键合强度下降。

影响引线键合的因素包括封装设计、引线布局、引线材料与尺寸、模塑料属性、引线键合工艺和封装工艺等。影响引线弯曲的引线参数包括引线直径、引线长度、引线断裂载荷和引线密度等等。

3.2 底座偏移

底座偏移指的是支撑芯片的载体(芯片底座)出现变形和偏移

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如图所示为塑封料导致的底座偏移,此时,上下层模塑腔体内不均匀的塑封料流动会导致底座偏移。

影响底座偏移的因素包括塑封料的流动性、引线框架的组装设计以及塑封料和引线框架的材料属性。薄型小尺寸封装(tsop)和薄型方形扁平封装(tqfp)等封装器件由于引线框架较薄,容易发生底座偏移和引脚变形。

3.3 翘曲

翘曲是指封装器件在平面外的弯曲和变形。因塑封工艺而引起的翘曲会导致如分层和芯片开裂等一系列的可靠性问题。 翘曲也会导致一系列的制造问题,如在塑封球栅阵列(pbga)器件中,翘曲会导致焊料球共面性差,使器件在组装到印刷电路板的回流焊过程中发生贴装问题。

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翘曲模式包括内凹、外凸和组合模式三种。在半导体公司中,有时候会把内凹称为“笑脸”,外凸称为“哭脸”。

导致翘曲的原因主要包括cte失配和固化/压缩收缩。后者一开始并没有受到太多的关注,深入研究发现,模塑料的化学收缩在ic器件的翘曲中也扮演着重要角色,尤其是在芯片上下两侧厚度不同的封装器件上。在固化和后固化的过程中,塑封料在高固化温度下将发生化学收缩,被称为“热化学收缩”。通过提高玻璃化转变温度和降低tg附近的热膨胀系数变化,可以减小固化过程中发生的化学收缩。

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导致翘曲的因素还包括诸如塑封料成分、模塑料湿气、封装的几何结构等等。通过对塑封材料和成分、工艺参数、封装结构和封装前环境的把控,可以将封装翘曲降低到最小。在某些情况下,可以通过封装电子组件的背面来进行翘曲的补偿。例如,大陶瓷电路板或多层板的外部连接位于同一侧,对他们进行背面封装可以减小翘曲。

3.4 芯片破裂

封装工艺中产生的应力会导致芯片破裂。封装工艺通常会加重前道组装工艺中形成的微裂缝。晶圆或芯片减薄、背面研磨以及芯片粘结都是可能导致芯片裂缝萌生的步骤。

破裂的、机械失效的芯片不一定会发生电气失效。芯片破裂是否会导致器件的瞬间电气失效还取决于裂缝的生长路径。例如,若裂缝出现在芯片的背面,可能不会影响到任何敏感结构。

因为硅晶圆比较薄且脆,晶圆级封装更容易发生芯片破裂。因此,必须严格控制转移成型工艺中的夹持压力和成型转换压力等工艺参数,以防止芯片破裂。3d堆叠封装中因叠层工艺而容易出现芯片破裂。在3d封装中影响芯片破裂的设计因素包括芯片叠层结构、基板厚度、模塑体积和模套厚度等。

3.5 分层

分层或粘结不牢指的是在塑封料和其相邻材料界面之间的分离。分层位置可能发生在塑封微电子器件中的任何区域;同时也可能发生在封装工艺、后封装制造阶段或者器件使用阶段。

封装工艺导致的不良粘接界面是引起分层的主要因素。界面空洞、封装时的表面污染和固化不完全都会导致粘接不良。其他影响因素还包括固化和冷却时收缩应力与翘曲。在冷却过程中,塑封料和相邻材料之间的cte不匹配也会导致热-机械应力,从而导致分层。

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可以根据界面类型对分层进行分类

3.6 空洞

封装工艺中,气泡嵌入环氧材料中形成了空洞,空洞可以发生在封装工艺过程中的任意阶段,包括转移成型、填充、灌封和塑封料至于空气环境下的印刷。通过最小化空气量,如排空或者抽真空,可以减少空洞。有报道采用的真空压力范围为1~300torr(一个大气压为760torr)。

填模仿真分析认为,是底部熔体前沿与芯片接触,导致了流动性受到阻碍。部分熔体前沿向上流动并通过芯片外围的大开口区域填充半模顶部。新形成的熔体前沿和吸附的熔体前沿进入半模顶部区域,从而形成起泡。

3.7 不均匀封装

非均匀的塑封体厚度会导致翘曲和分层。传统的封装技术,诸如转移成型、压力成型和灌注封装技术等,不易产生厚度不均匀的封装缺陷。晶圆级封装因其工艺特点,而特别容易导致不均匀的塑封厚度。

为了确保获得均匀的塑封层厚度,应固定晶圆载体使其倾斜度最小以便于刮刀安装。此外,需要进行刮刀位置控制以确保刮刀压力稳定,从而得到均匀的塑封层厚度。

在硬化前,当填充粒子在塑封料中的局部区域聚集并形成不均匀分布时,会导致不同质或不均匀的材料组成。塑封料的不充分混合将会导致封装灌封过程中不同质现象的发生。

3.8 毛边

毛边是指在塑封成型工艺中通过分型线并沉积在器件引脚上的模塑料。

夹持压力不足是产生毛边的主要原因。如果引脚上的模料残留没有及时清除,将导致组装阶段产生各种问题。例如,在下一个封装阶段中键合或者黏附不充分。树脂泄漏是较稀疏的毛边形式。

3.9 外来颗粒

在封装工艺中,封装材料若暴露在污染的环境、设备或者材料中,外来粒子就会在封装中扩散并聚集在封装内的金属部位上(如ic芯片和引线键合点),从而导致腐蚀和其他的后续可靠性问题。

3.10 不完全固化

固化时间不足或者固化温度偏低都会导致不完全固化。另外,在两种封装料的灌注中,混合比例的轻微偏移都将导致不完全固化。为了最大化实现封装材料的特性,必须确保封装材料完全固化。在很多封装方法中,允许采用后固化的方法确保封装材料的完全固化。而且要注意保证封装料比例的精确配比。

4. 封装失效的分类

在封装组装阶段或者器件使用阶段,都会发生封装失效。特别是当封装微电子器件组装到印刷电路板上时更容易发生,该阶段器件需要承受高的回流温度,会导致塑封料界面分层或者破裂。

4.1 分层

如上一节所述,分层是指塑封材料在粘接界面处与相邻的材料分离。可能导致分层的外部载荷和应力包括水汽、湿气、温度以及它们的共同作用。

在组装阶段常常发生的一类分层被称为水汽诱导(或蒸汽诱导)分层,其失效机理主要是相对高温下的水汽压力。在封装器件被组装到印刷电路板上的时候,为使焊料融化温度需要达到220℃甚至更高,这远高于模塑料的玻璃化转变温度(约110~200℃)。在回流高温下,塑封料与金属界面之间存在的水汽蒸发形成水蒸气,产生的蒸汽压与材料间热失配、吸湿膨胀引起的应力等因素共同作用,最终导致界面粘接不牢或分层,甚至导致封装体的破裂。无铅焊料相比传统铅基焊料,其回流温度更高,更容易发生分层问题。

吸湿膨胀系数(che),又称湿气膨胀系数(cme)

湿气扩散到封装界面的失效机理是水汽和湿气引起分层的重要因素。湿气可通过封装体扩散,或者沿着引线框架和模塑料的界面扩散。研究发现,当模塑料和引线框架界面之间具有良好粘接时,湿气主要通过塑封体进入封装内部。但是,当这个粘结界面因封装工艺不良(如键合温度引起的氧化、应力释放不充分引起的引线框架翘曲或者过度修剪和形式应力等)而退化时,在封装轮廓上会形成分层和微裂缝,并且湿气或者水汽将易于沿这一路径扩散。更糟糕的是,湿气会导致极性环氧黏结剂的水合作用,从而弱化和降低界面的化学键合。

表面清洁是实现良好粘结的关键要求。表面氧化常常导致分层的发生(如上一篇中所提到的例子),如铜合金引线框架暴露在高温下就常常导致分层。氮气或其他合成气体的存在,有利于避免氧化。

模塑料中的润滑剂和附着力促进剂会促进分层。润滑剂可以帮助模塑料与模具型腔分离,但会增加界面分层的风险。另一方面,附着力促进剂可以确保模塑料和芯片界面之间的良好粘结,但却难以从模具型腔内清除。

分层不仅为水汽扩散提供了路径,也是树脂裂缝的源头。分层界面是裂缝萌生的位置,当承受交大外部载荷的时候,裂缝会通过树脂扩展。研究表明,发生在芯片底座地面和树脂之间的分层最容易引起树脂裂缝,其它位置出现的界面分层对树脂裂缝的影响较小。

4.2 气相诱导裂缝(爆米花现象)

水汽诱导分层进一步发展会导致气相诱导裂缝。当封装体内水汽通过裂缝逃逸时会产生爆裂声,和爆米花的声音非常像,因此又被称为爆米花现象。裂缝常常从芯片底座向塑封底面扩展。在焊接后的电路板中,外观检查难以发现这些裂缝。qfp和tqfp等大而薄的塑封形式最容易产生爆米花现象;此外也容易发生在芯片底座面积与器件面积之比较大、芯片底座面积与最小塑封料厚度之比较大的的器件中。爆米花现象可能会伴随其他问题,包括键合球从键合盘上断裂以及键合球下面的硅凹坑等。

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塑封器件内的裂缝通常起源于引线框架上的应力集中区(如边缘和毛边),并且在最薄塑封区域内扩展。毛边是引线框架表面在冲压工艺中产生的小尺寸变形,改变冲压方向使毛边位于引线框架顶部,或者刻蚀引线框架(模压)都可以减少裂缝。

减少塑封器件内的湿气是降低爆米花现象的关键。常采用高温烘烤的方法减少塑封器件内的湿气。前人研究发现,封装内允许的安全湿气含量约为1100×10^-6(0.11 wt.%)。在125℃下烘烤24h,可以充分去除封装内吸收的湿气。

4.3 脆性断裂

脆性断裂经常发生在低屈服强度和非弹性材料中(如硅芯片)。到材料受到过应力作用时,突然的、灾难性的裂缝扩展会起源于如空洞、夹杂物或不连续等微小缺陷。

4.4 韧性断裂

塑封材料容易发生脆性和韧性两种断裂模式,主要取决于环境和材料因素,包括温度、聚合树脂的黏塑特性和填充载荷。即使在含有脆性硅填料的高加载塑封材料中,因聚合树脂的黏塑特性,仍然可能发生韧性断裂。

4.5 疲劳断裂

塑封料遭受到极限强度范围内的周期性应力作用时,会因累积的疲劳断裂而断裂。施加到塑封材料上的湿、热、机械或综合载荷,都会产生循环应力。疲劳失效是一种磨损失效机理,裂缝一般会在间断点或缺陷位置萌生。

疲劳断裂机理包括三个阶段:裂纹萌生(阶段ⅰ);稳定的裂缝扩展(阶段ⅱ);突发的、不确定的、灾难性失效(阶段ⅲ)。在周期性应力下,阶段ⅱ的疲劳裂缝扩展指的是裂缝长度的稳定增长。塑封材料的裂纹扩展速率要远高于金属材料疲劳裂缝扩展的典型值(约3倍)。

5. 加速失效的因素

环境和材料的载荷和应力,如湿气、温度和污染物,会加速塑封器件的失效。塑封工艺正在封装失效中起到了关键作用,如湿气扩散系数、饱和湿气含量、离子扩散速率、热膨胀系数和塑封材料的吸湿膨胀系数等特性会极大地影响失效速率。导致失效加速的因素主要有潮气、温度、污染物和溶剂性环境、残余应力、自然环境应力、制造和组装载荷以及综合载荷应力条件。

潮气 能加速塑封微电子器件的分层、裂缝和腐蚀失效。在塑封器件中, 潮气是一个重要的失效加速因子。与潮气导致失效加速有关的机理包括粘结面退化、吸湿膨胀应力、水汽压力、离子迁移以及塑封料特性改变等等。潮气能够改变塑封料的玻璃化转变温度tg、弹性模量和体积电阻率等特性。

温度 是另一个关键的失效加速因子,通常利用与模塑料的玻璃化转变温度、各种材料的热膨胀洗漱以及由此引起的热-机械应力相关的温度等级来评估温度对封装失效的影响。温度对封装失效的另一个影响因素表现在会改变与温度相关的封装材料属性、湿气扩散系数和金属间扩散等失效。

污染物和溶剂性环境 污染物为失效的萌生和扩展提供了场所,污染源主要有大气污染物、湿气、助焊剂残留、塑封料中的不洁净例子、热退化产生的腐蚀性元素以及芯片黏结剂中排出的副产物(通常为环氧)。塑料封装体一般不会被腐蚀,但是湿气和污染物会在塑封料中扩散并达到金属部位,引起塑封器件内金属部分的腐蚀。

残余应力 芯片粘结会产生单于应力。应力水平的大小,主要取决于芯片粘接层的特性。由于模塑料的收缩大于其他封装材料, 因此模塑成型时产生的应力是相当大的。可以采用应力测试芯片来测定组装应力。

自然环境应力 在自然环境下,塑封料可能会发生降解。降解的特点是聚合键的断裂,常常是固体聚合物转变成包含单体、二聚体和其他低分子量种类的黏性液体。升高的温度和密闭的环境常常会加速降解。阳光中的紫外线和大气臭氧层是降解的强有力催化剂,可通过切断环氧树脂的分子链导致降解。将塑封器件与易诱发降解的环境隔离、采用具有抗降解能力的聚合物都是防止降解的方法。需要在湿热环境下工作的产品要求采用抗降解聚合物。

制造和组装载荷 制造和组装条件都有可能导致封装失效,包括高温、低温、温度变化、操作载荷以及因塑封料流动而在键合引线和芯片底座上施加的载荷。进行塑封器件组装时出现的爆米花现象就是一个典型的例子。

综合载荷应力条件 在制造、组装或者操作的过程中,诸如温度和湿气等失效加速因子常常是同时存在的。综合载荷和应力条件常常会进一步加速失效。这一特点常被应用于以缺陷部件筛选和易失效封装器件鉴别为目的的加速试验设计。

本文小结

本文主要讨论了封装缺陷和失效,包括引线变形、底座偏移、翘曲、芯片破裂、分层、空洞、不均匀封装、毛边、外来颗粒、不完全固化、爆米花和开裂等等。加速因子以及缺陷和失效的评估方法是确保塑封产品高质量和高可靠性的关键。

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光电耦合器原理及应用介绍

一、 光电耦合器原理及组成

1,原理。光电耦合器,通常简称为光耦。其基本原理是以光作为媒介,来传输电信号。在一些特殊的应用场合,会要求输入/输出端实现电气隔离,这样就不能使用传统的电子器件来传输电信号,光耦正是为了适应这样的场合而诞生。光耦的输入端采用发光二极管,用电信号驱动半导体发光器件发光(通常为红外光),而接收端是光敏管,将接收到的光信号,转换为电信号输出。通过电->光->电的转换,既可以传输信号,又实现了电气隔离的目的。如下图:

2,组成。为实现电->光转换,需要发光二极管;而光->的转换,则需要光敏管;为消除外界光的干扰,通常是将发送/接收端用不透光的材料封装起来,将输入/输出pin接出;而为了实现高的电气隔离强度,则要求封装材料有高的绝缘强度。所以通常光耦器件由以下几部分组成:发光二极管、光敏管(通常是光敏三极管)、封装材料、输入/输出pin。如下图是某光耦的x-ray照片:

二、 光电耦合器的制造

光耦通常采用dip或smd封装,实际的工艺流程将红外led、硅光敏三极管封装起来,并形成输入/输出引脚,这个过程与ic封装类似,不同之处在于其选材及关键工艺控制。通常光耦的工艺流程如下:

陶瓷基座制作→厚膜电路制作→芯片(ir led、pd和asic)测试→芯片烧结压焊→中测→耦合对准→装架→封装→检漏→中测→老化筛选→末测。

根据工艺流程,业界通过对光耦生产中不良品的解剖分析,结合光耦自身特点,总结了一些影响光耦可靠性的工艺因素: ??? 1.银胶对可靠性影响 ??? 装架采用银浆粘片工艺,可以满足芯片有较好欧姆接触,较低正向压降,但不同品牌银胶与各种芯片材料及支架粘结力不同,贮存及使用寿命也相差很多。使用不当会造成芯片与支架粘结不牢影响键合甚至产生掉片。 ???? 2.手工装架、键合质量对可靠性影响 ???? 由于红外芯片长宽都只有0.3mm,且材料易碎。所以手工装架容易出现质量问题,所以通常采用自动装架键合机。 ???? 3.内包封、注塑外包封对可靠性影响 ???? 光耦在内包封点胶时,针头碰到金丝会在胶体中产生虚焊、断丝、倒丝等不良情况。由于内包封材料弹性好,不良品很难筛选干净,影响产品可靠性。另外,内包封材料与塑封料热匹配差异较大,外包封后两者结合并不十分紧密。由于光耦结构上塑封体与支架粘结部分较小,封装粘模时会使条带变形,由于起模时塑封体内部尚末完全固化,受力后会产生空隙,引起管脚松动,造成内引线在引线框架处拉断虚焊,形成断续性开路。所以选择结合良好的塑封料和引线框架,改进工艺方法杜绝封装时拉断内引线,就可以提高产品密封性和器件稳定性。

光电耦合器参数释义

光耦的技术参数可分为输入特性、输出特性、传输特性、隔离特性等几大部分。

3.1????????? 输入特性

光耦的输入特性实际也就是其内部发光二极管的特性。常见的参数有:

1.????? 正向工作电流if(forward current)

if是指led正常发光时所流过的正向电流值。不同的led,其允许流过的最大电流也会不一样。

2.????? 正向脉冲工作电流ifp(peak forward current)

ifp是指流过led的正向脉冲电流值。为保证寿命,通常会采用脉冲形式来驱动led,通常led规格书中给中的ifp是以0.1ms脉冲宽度,占空比为1/10的脉冲电流来计算的。

3.????? 正向工作电压vf(forward voltage)

vf是指在给定的工作电流下,led本身的压降。常见的小功率led通常以if=20ma来测试正向工作电压,当然不同的led,测试条件和测试结果也会不一样。

4.????? 反向电压vr(reverse voltage )

是指led所能承受的最大反向电压,超过此反向电压,可能会损坏led。在使用交流脉冲驱动led时,要特别注意不要超过反向电压。

5.????? 反向电流ir(reverse current)

通常指在最大反向电压情况下,流过led的反向电流。

6.????? 允许功耗pd(maximum power dissipation)

led所能承受的最大功耗值。超过此功耗,可能会损坏led。

7.????? 中心波长λp(peak wave length)

是指led所发出光的中心波长值。波长直接决定光的颜色,对于双色或多色led,会有几个不同的中心波长值。

3.2????????? 输出特性

光耦的输入特性实际也就是其内部光敏三极管的特性,与普通的三极管类似。常见的参数有:

1.?????? 集电极电流ic(collector current)

光敏三极管集电极所流过的电流,通常表示其最大值。

2.?????? 集电极-发射极电压vceo(c-e voltage)

集电极-发射极所能承受的电压。

3.?????? 发射极-集电极电压veco(e-c voltage)

发射极-集电极所能承受的电压

4.?????? 反向截止电流iceo

发光二极管开路,集电极至发射极间的电压为规定值时,流过集电极的电流为反向截止电流。

5.?????? c-e饱和电压vcd(sat)(c-e saturation voltage)

发光二极管工作电流if和集电极电流ic为规定值时,并保持ic/if≤ctrmin时(ctrmin在被测管技术条件中规定)集电极与发射极之间的电压降。

3.3????????? 传输特性:

1.上升时间tr (rise time)& 下降时间tf(fall time)

光耦合器在规定工作条件下,发光二极管输入规定电流ifp的脉冲波,输出端管则输出相应的脉冲波,从输出脉冲前沿幅度的10%到90%,所需时间为脉冲上升时间tr。从输出脉冲后沿幅度的90%到10%,所需时间为脉冲下降时间tf。

2.电流传输比ctr(current transfer radio)

输出管的工作电压为规定值时,输出电流和发光二极管正向电流之比为电流传输比ctr。

3.4????????? 隔离特性

1. 入出间隔离电容cio(isolation capacitance):

光耦合器件输入端和输出端之间的电容值

2. 入出间隔离电阻rio:(isolation resistance)

半导体光耦合器输入端和输出端之间的绝缘电阻值。

3. 入出间隔离电压vio(isolation voltage)

光耦合器输入端和输出端之间绝缘耐压值。

其它参数诸如工作温度、耗散功率等不再一一敷述。

光电耦合器分类及应用

4.1?????? 分类

按传输特性,通常将光电耦合器分为两类:一类是非线性光耦;一类是线性光耦。非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的,这类光耦适合于传输开关信号,不适合于传输模拟量。线性光耦的电流传输特性曲线接近直线,并且小信号时性能较好,能以线性特性进行隔离控制。所以通常需要传输模拟信号的场合,如开关电源输出端反馈信号与输入端信号的隔离,就需采用线性光耦;而传输逻辑信号的场合,如采样信号与单片机输入之间,通常会采用非线性光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别,只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样,虽然两个光接受电路都是非线性的,但两个光接受电路的非线性特性都是一样的。就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性,从而达到实现线性隔离的目的。按结构类型,又可将光耦分为:通用型(又分无基极引线和基极引线两种)、达林顿型、施密特型、高速型、光集成电路、光纤维、光敏晶闸管型(又分单向晶闸管、双向晶闸管)、光敏场效应管型,此外还有双通道式(内部有两套对管)、高增益型、交-直流输入型等等。下面举例介绍一下通用型及达林顿输出型。在通用型光耦合器中,接收端是一只硅光电管,因此在b-e之间只有一个硅pn结;达林顿型光耦不然,它由复合管构成,两个硅pn结串联成复合管的发射结,因此达林顿光耦有更大的电流传输比(通常达林顿型光耦的ctr比通用型光耦大1~2个数量级),从而就拥有更大的驱动能力,如下图。

4.2????? 应用

由于光耦优点突出:如信号单向传输,输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离,输出信号对输入端无影响,抗干扰能力强,工作稳定,无触点,使用寿命长,传输效率高等;并且其结构及种类十分繁多,因而其应用十分广泛,主要应用以下场合:   (1) 在逻辑电路上的应用   光电耦合器可以构成各种逻辑电路,由于光电耦合器的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好,因此由它构成的逻辑电路更可靠。需要注意的是光耦的传输速率能否满足逻辑电路的需要。   (2) 作为固体开关应用   在开关电路中,往往要求控制电路和开关之间要有很好的电隔离,对于一般的电子开关来说是很难做到的,但用光电耦合器却很容易实现。对于开关电路,除了要求光耦有好的隔离性能外,开关时间也非常重要。   (3) 在触发电路上的应用   将光电耦合器用于双稳态输出电路,由于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路,可有效地解决输出与负载隔离地问题。由于温度对于光耦的暗电流及led的稳定性均有影响,所以要十分注意此类电路的使用环境。   (4) 在脉冲放大电路中的应用   光电耦合器应用于数字电路,可以将脉冲信号进行放大。   (5) 在线性电路上的应用   线性光电耦合器应用于线性电路中,具有较高地线性度以及优良的电隔离性能。这类电路一般用于模拟信号的传输,如开关电源电路中。

????? (6) 其它特殊场合的应用   光电耦合器还可应用于高压控制,取代变压器,代替触点继电器以及用于a/d电路等多种场合。还可用于工业控制,以弱信号驱动大功率设备等。

下面举例说明。

如下图:单片机与rs485通讯口之间的采用光耦隔离,从而使单片机免受外界信号的干扰及突波的冲击。因通常rs485接口与单片机之间的通讯为数字信号,对线性度要求不是很高,但通信的波特率都比较高,如果光耦传输波形上升/下降速度过慢,则会成为整个通信系统的瓶颈。所以此处应选取高速光耦。而且与光耦匹配的电阻的阻值也需要最优化。例如:电阻r2、r3如果选取得较大,将会使光耦的发光管由截止进入饱和变得较慢;如果选取得过小,退出饱和也会很慢,所以这两只电阻的数值要精心选取,通常可以由实验来定。

选型要点:1,ctr及线性度;2,隔离特性;3,上升/下降速度;4,隔离电容;5,驱动能力;6,输入电流。

更多实例,请参考http://bbs.elecfans.com/dv_rss_xhtml_54_6214_1.html

二、 供应商介绍

sharp夏普(日本夏普光电分公司成立于1960年,在日本shinjo、tenri及海外都设有工厂和研发中心,其光电半导体产品的销售量持续二十年稳居全球第一位。)

toshiba东芝

fairchild仙童

aglient安捷伦(1995年从hp独立出来)

nec日电

vishay威世

bright佰鸿

cosmo冠西

motorola摩托罗拉

philips菲利浦

everlight亿光

panasonic松下

实验名称:半导体封装实验

1. 实验目的:

根据热敏电阻的伏安特性和电阻温度特性,根据设计要求制订设计方案,标定温度计。了解非平衡电桥的工作原理及其在非电量电测法中的应用。

2. 实验器材:

扩晶机 离子风机 显微镜 微电脑自动点胶机 电热鼓风烘干箱 半自动超声波金丝球焊机 真空烘干箱 玻璃烧杯 搅拌棒 ab胶 针管 模具和铝船 脱模机 一切机 测试机 二切机 扩晶环 刺晶笔 支架 刺晶座 芯片

3. 实验原理

led封装主要是提供led芯片一个平台,让led芯片有更好的光、电、热的表现,好的封装可让led有更好的发光效率与好的散热环境,好的散热环境进而提升led的使用寿命。led封装技术主要建构在五个主要考虑因素上,分别为光学取出效率、热阻、功率耗散、可靠性及性价比(lm/$)。 以上每一个因素在封装中都是相当重要的环节,举例来说,光取出效率关系到性价比;热阻关系到可靠性及产品寿命;功率耗散关系到客户应用。整体而言,较佳的封装技术就是必须要兼顾每一点,但最重要的是要站在客户立场思考,能满足并超出客户需求,就是好的封装。   针对led的封装材料组成,led封装主要是由基板、芯片、固晶胶、荧光粉、封装胶等组成,我们先将芯片利用固晶胶黏贴于基板上,使用金线将芯片与基板作电性连接,然后将荧光粉与封装胶混合,搭配不同荧光粉比例,以及适当的芯片波长可得到不同的颜色,最后将荧光粉与封装胶的混合体灌入基板中,加热烘烤使胶材固化后,即完成最基本的led封装。

4. 实验内容与步骤

扩晶工艺

1. 实验之前提示使用手套、鞋套和防静电服。 2. 打开扩晶机控制面板上的电源开关。 3. 打开扩晶机的顶盖。 4. 将扩晶环内环放在托盘上。 5. 打开离子风机的电源。 6. 在离子风机前慢慢将芯片保护膜与芯片分离,并将撕开的芯片朝上放置在托盘上。 7. 放下压圈并钩好拉钩。 8. 缓慢地按“上升”按钮,慢速将芯片扩开至所需间隔(800~1000)μm。 9. 平整地套上扩晶环外环后按“下压”按钮,待内外环完全啮合后松开。 10. 取下已经扩好的芯片,按“下降”按钮,松开压圈,取出多余的空膜片。

点胶工艺

1. 实验之前提示使用手套、鞋套和防静电服。 2. 默认粘接胶已经注入到点胶机的针管内,支架已经用夹具夹好。 3. 点胶机和显微镜的电源线默认是连接好的。 4. 双击打开显微镜的操作大视图,点击电源开关,打开环形灯的开关。 5. 打开点胶机的电源开关。 6. 实验场景中将支架移动到显微镜的物镜下方,双击打开显微镜,在显微镜的目镜视场中可以清晰的看到支架上所要点胶的位置。 7. 鼠标点击显微镜上方 踏板,开始点胶。 8. 点胶结束取出支架。

刺晶工艺

1. 实验之前提示使用手套、鞋套和防静电服。 2. 将桌面上的支架放置到显微镜的物镜下方。 3. 将桌面上的刺激笔放置到显微镜的下方。 4. 双击打开显微镜的电源开关。 5. 默认扩晶好的芯片是放置到刺晶座上的,且双击打开刺晶座,提示:“已经扩晶好的芯片凸起的一面向下,并通过调节刺晶座四角上的螺丝,调整刺晶座与支架之间的垂直距离处于2mm~4mm”。 6. 将刺晶座拖动到显微镜物镜下方。 7. 点击显微镜上的刺晶按钮,开始刺晶。 8. 取出刺晶结束的支架。 9. 将刺晶结束的支架放置到烘箱内。 10. 取出烘箱内的支架。

焊接工艺

1. 实验之前提示使用手套、鞋套和防静电服。 2. 双击打开实验场景中的金丝球焊机,打开金丝球焊机电源。金丝球焊机的工作温度默认设置好,实验中不需要调节。 3. 点击金丝球焊机大视图上的“放置支架”按钮,金丝球焊机的夹具内出现支架。按钮变为“取出支架”。 4. 点击操纵柄上的过片按钮,夹具内的支架就会向右移动。 5. 点击烧球和和焊接按钮,完成焊接操作。 6. 点击按钮,取出焊接好的支架。

封装工艺

1. 实验之前提示使用手套、鞋套和防静电服。 2. 先将100ml灌封胶的a胶倒入到烧杯中。 3. 将装有a胶的烧杯放入到电热鼓风干燥箱内预热。(125度25分钟)。 4. a胶预热结束以后,将100ml b胶倒入到烧杯内。 5. 用搅拌棒将a胶和b胶搅拌均匀。 6. 将搅拌均匀的灌封胶放入到真空干燥箱内进行抽真空操作。 7. 取出真空箱内的灌封胶,双击打开烧杯,用针管抽取适量的灌封胶。 8. 模具和铝船默认是固定好的。双击打开模条和铝船,进行灌胶操作。 9. 将灌胶完成的模具和支架放入到电热鼓风干燥箱内固化灌封胶(电热鼓风干燥箱 125度45min)。 10. 在常温下冷却一段时间,将支架与模具分离。 11. 在样品分离设备上将冷却之后的支架与模具分离。

切筋工艺

1. 实验之前提示使用手套、鞋套和防静电服。 2. 双击打开桌面上的led切筋设备,将分离后的支架放置到设备操作台上。 3. 点击切筋按钮,切筋led。 4. 检测切筋后的led。

检测工艺

1. 实验之前提示使用手套、鞋套和防静电服。 2. 双击打开桌面上的led检测设备,点击按钮放置半成品剪切完成的支架。 3. 通过检测设备检测,支架上的led是否完好。(仿真实验中默认led都是好的)。 4. 完成检测之后进行第二次切筋,形成成品。

5. 实验记录

6. 数据处理及误差分析

7. 思考题及实验小结

1.芯片应该如何存放? 答:芯片应存放于普通电子干燥箱。 干燥箱的温度应该控制在室内的温度, 约 20~30℃左右,湿度不易大于 40%。

2.为什么要对芯片进行扩晶操作? 答:扩晶也叫绷片,是将原本排列密集在一起的芯片分开至适合刺晶的距离。

3.扩晶工艺对要扩晶的芯片有什么要求? 答:芯片扩晶前间距约为(200~250μm),不宜过大,绷片后芯片不能达到边缘,扩晶前需要进行翻膜工作。

4.扩晶后对芯片与芯片之间间距的要求多大? 800~1000μm

5.扩晶工艺进行前,为什么要进行翻膜操作? 答:为了减少扩晶过程中对芯片边缘的芯片的损耗,减少了后期背胶工序的背胶面积,降低了工序难度。

6.扩晶过程有哪些环节会产生静电?如何避免? 答:(1)人体的摩擦会产生静电,避免方法是佩戴防静电手环。 (2)分离芯片保护膜时会产生静电,避免方法是在分离芯片保护膜时尽量慢,且要对着离子风机。 (3)取下扩晶好的芯片时会产生静电,避免方法带防静电手套。

7.为什么要对生产的芯片进行镜检? 答:对产品进行必要的筛选,通过对芯片的电、光、色、热等参数的测试,剔除废品和次品,提高产品的可靠性和一致性。

8.半导体光电器件产业中,有哪些产品分选的方法? 答:目前光电器件的测试分选可在两个阶段进行:一是以芯片为基础的测试分选,二是对封装好的器件进行测试分选。

9.请说出单面电极芯片与双面电极芯片有哪些区别。 答:单面电极芯片的正负电极位于芯片的同一面上,因而封装时使用的粘结胶可以使用绝缘胶。 双面电极芯片正负电极位于芯片的两个面上,负电极所在的芯片面也起着导电的作用,因而封装时使用的粘结胶要具有导电的性能。

10.半导体光电器件的封装工艺中为什么要进行装架操作? 答:装架也叫固晶、刺晶,是用粘结胶通过加热烧结的方法使芯片牢固的粘结在支架(或pcb板)上,起到固定芯片的作用,对于双面电极的芯片,装架还有一个目的就是使芯片背面电极与支架形成良好的欧姆接触。

11.半导体发光二极管封装工艺中装架时应该选择什么样的粘结材料?封装工艺中使用的粘结胶应该在何环境下贮存?使用前应该对粘结胶进行何种处理? 答;粘结材料除了起到固定芯片作用以外,还要求其在导电、导热、吸潮等方面也能起到一定的作用。性能优异的导电胶不仅要求其粘结能力强,而且要求其导电、导热性好,剪切强度大,流变性好,并且吸潮性好。 不同厂家、不同类型的粘结胶其贮存和使用的条件也是有不同要求的,粘结胶通常要在低温环境下保存,在使用时要提前一定的时啊从冰箱中取出恢复到常温状态(即醒料),才能正常使用。

12.为什么在装架结束后要进行烧结操作? 答:要使粘结胶达到粘结的效果,在装架工艺结束后,必须按照材料的性质进行必要的烧结,才能使得粘结胶固化,芯片才会更牢固地与支架固定,为进行下一步的键合工作做好准备。

13.点胶工艺与背胶工艺各有什么优缺点?应该注意什么? 答:点胶和背胶工艺的目的都是为了涂敷粘结胶,不同的是,背胶可以更快地将胶涂敷到芯片的背面,但是背胶不容易控制胶面的厚度及平整度,点胶尽管比较慢,但是更容易相对精准的控制点胶点及点胶量。

14.如何避免背胶过程中掉片、反片等不良情况的产生? 答:背胶过程要保证胶量要适量,匀胶时要保证胶体均匀,同时在背胶时不要让芯片与胶体长时间接触,背胶过程尽量一次完成,不要多次重复。

15.装架工艺有什么技术要求? 装架工艺对支架及pcb板外观、装架后单芯片外观、粘结胶高度、位置等都有严格的技术要求。

16.画出一个合格的装架效果图。 如图

17.为什么在装架过程中要控制粘结胶的高度? 答:粘结胶过少会导致装架不牢、芯片易掉落等情况,而粘结胶过多则会出现表面不洁、爬胶、短路等现象,因此装架过程要控制粘结胶的高度。

18.列举五种装架失效模式,并写出其处理方法? 答:常见的封装缺陷包括气泡、粘接不良(剥离)、芯片的基片位移和引线弯曲不当。 此外,模制化合物含有杂质或沾污物。这些缺陷可造成塑封开裂、金属化层变形、焊头翘起、互连线腐蚀断开、电气开路、短路或中断等等,因而使器件失效;粘接不良(剥离)是由于引线框架表面受到沾污或在键合温度下受到氧化而造成的。其他原因还包括应力消除不足和脱模剂过量等。在封装过程中,除了应加大工艺控制,如减少封装体内水汽含量,减小金属框架对封装的影响外,对塑封料的选择也是非常关键的。

18.有哪些措施可以有效的控制装架失效情况的发生? 答;在装架过程中严格按照装架的技术要求进行工艺操作,装架后要及时检查,若出现装架不合格的情况,不要放任不合格产品流入下步工序,要及时补救和调整等。

20.在半导体光电器件封装工艺中为什么要进行引线焊接?它有什么作用? 答:引线焊接又叫键合或压焊,通常是采用热超声键合工艺,利用热及超不要放任不合格产声波,在压力、热量和超声波能量的共同作用下,使焊丝在芯片电极和外引线键合区之间形成良好的欧姆接触,完成芯片的内外电路的连接工作,使芯片与产品引脚形成良好的电性能。

21.按焊线形式分,键合工艺可分为哪几类?封装企业常用哪一种? 答:从焊线形式上来划分,键合可分为热压焊、超声楔型焊接、焊三种。封装企业常用自动热超声球焊工艺。

22.简述金丝球焊工作流程。金丝球焊和铝丝焊机的工作流程有什么差别? 答:超声金丝球焊工艺过程可简单表示为:烧球→一焊→拉丝→二焊→断丝→烧球。 铝丝压焊的过程是先在ld芯片电极上压上第一点,再将铝丝拉到相应的支架上方,压上第二点后扯断铝丝。金丝球焊过程则在压第一点前先烧个球,其余过程同铝丝焊类似。

23.引线焊接工艺有什么技术要求? 引线焊接工艺对材料、键合位置、键合焊点形状及尺寸、焊线走向、键合拱丝弧线、键合产品表观等有着严格的技术要求,具体参见“键合技术要求及注意事项”一节。

合格的引线焊接的外观如何?画出一个合格的引线焊接效果图 有哪些原因会引起键合频繁失线? a、金丝被污染或金丝品质异常。b、线夹不清洁或是劈刀己经到使用寿命。c、焊线机参数设定不良,参数太小等情况。d、引线框架不平整或表面不洁。 列举5种焊接失效模式,并写出其处理方法。 常见的封装缺陷包括气泡、粘接不良(剥离)、芯片的基片位移和引线弯曲不当。 此外,模制化合物含有杂质或沾污物。这些缺陷可造成塑封开裂、金属化层变形、焊头翘起、互连线腐蚀断开、电气开路、短路或中断等等,因而使器件失效;粘接不良(剥离)是由于引线框架表面受到沾污或在键合温度下受到氧化而造成的。其他原因还包括应力消除不足和脱模剂过量等。在封装过程中,除了应加大工艺控制,如减少封装体内水汽含量,减小金属框架对封装的影响外,对塑封料的选择也是非常关键的。 在键合工艺过程中可通过控制哪些环节来避免键合失效模式? 在键合过程中严格按照键合的技术要求进行工艺操作,键合后要及时检查,若出现键合不合格的情况,不要敷任不合格产品流入下步工序,要及时补救和调整,这些措施可以有效的控制键合失效情况的发生。

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