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(jìn)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(lèi)。多層陶瓷外殼由于其體積小、導(dǎo)熱性好、密封性好、機(jī)械強(qiáng)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(huì)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(jī)理進(jìn)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(jī)械試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(wú)引線外殼的引出端焊盤(pán)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(dāng)造成失效。

二、多層陶瓷外殼的失效機(jī)理分析

1、陶瓷底座的斷裂失效

其主要失效機(jī)理如下：

(1)由于所采用的陶瓷材料的抗彎強(qiáng)度不足；

(2)在生產(chǎn)過(guò)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(gè)整體，降低了陶瓷底座的機(jī)械強(qiáng)度；在燒結(jié)過(guò)程中，由于燒結(jié)溫度過(guò)高或過(guò)低而造成陶瓷底座過(guò)燒或生燒，從而降低了陶瓷底座的機(jī)械強(qiáng) 度所致；

(3)由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，在設(shè)計(jì)外殼底座的底板時(shí)，底板取值太小，使底板 過(guò)薄。因此，產(chǎn)品在機(jī)械試驗(yàn)時(shí)，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(jī)理如下：

(1)所采用的陶瓷材料的體積電阻率和絕緣強(qiáng)度不夠，使產(chǎn)品的絕緣電阻達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求；

(2)在印刷生產(chǎn)過(guò)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(jī)的工藝參數(shù)不對(duì)，使印刷線條之間發(fā)生短路或接近短路，導(dǎo)致絕緣電阻失效；

(3)在印刷生產(chǎn)過(guò)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(dǎo)致絕緣電阻失效；

(4)在電鍍后的清洗過(guò)程中，由于未充分清洗干凈，殘留的鍍液電介質(zhì)導(dǎo)致絕緣電阻值下降，導(dǎo)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(shí)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(shí)，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(jī)的工藝參數(shù)不對(duì)；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(wú)引線外殼的斷、短路失效

(1)在平面印刷時(shí)，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(shí)，引出端通孔內(nèi)壁掛漿不連續(xù)；在印刷底面引出端焊盤(pán)時(shí)，焊盤(pán)未與引出端通孔的金屬漿連接；在層壓時(shí)，由于層壓工藝參數(shù)控制不當(dāng)，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(shí)，線間短路，引起了外殼短路失效。

4、外引線脫落失效或無(wú)引線外殼的引出端焊盤(pán)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(pán)的金屬化強(qiáng)度不夠，而造成這一問(wèn)題的原因：

①金屬化配方本身的金屬化強(qiáng)度低，

②金屬化層的厚度偏薄造成金屬化強(qiáng)度低，

③外殼陶瓷底座在燒結(jié)時(shí)溫度過(guò)高或過(guò)低造成金屬化強(qiáng)度低；

(2)陶瓷底座在釬焊前進(jìn)行化學(xué)鍍鎳時(shí)，鍍鎳層偏薄，使焊料與金屬化焊盤(pán)的浸潤(rùn)性差，導(dǎo)致引線的抗拉強(qiáng)度差；

(3)釬焊工藝不符合要求，造成這一問(wèn)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(pán)或未與焊盤(pán)接觸到位，

②釬焊溫度過(guò)高造成焊料流失或溫度過(guò)低焊料熔融不夠，這些問(wèn)題均會(huì)造成外引線的抗拉強(qiáng)度差；

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

2）無(wú)引線外殼的引出端焊盤(pán)與外電路連接失效

(1)引出端金屬化焊盤(pán)的金屬化強(qiáng)度不夠，而造成這一問(wèn)題的原因：

①金屬化配方本身的金屬化強(qiáng)度低，

②金屬化層的厚度偏薄造成金屬化強(qiáng)度低，

③外殼陶瓷底座在燒結(jié)時(shí)溫度過(guò)高或過(guò)低造成金屬化強(qiáng)度低；

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

5、電鍍層銹蝕失效

其主要失效機(jī)理如下：

(1)電鍍配方選擇不當(dāng)或所用化學(xué)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(dāng)，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(jì)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(jī)理如下：

(1)布線印刷時(shí)，金屬漿厚度太厚，層壓時(shí)金屬漿兩邊不能壓密實(shí)，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(gè)密實(shí)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(dāng)，使產(chǎn)品不能壓成一個(gè)密實(shí)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(shí)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(rùn)性差造成漏氣；

(5)平行縫焊用蓋板采用的材料厚度不當(dāng)、退火工藝控制不好、電鍍工藝控制不當(dāng)，從而造成用戶(hù)平封時(shí)，采用正常的平封工藝封蓋時(shí)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(jī)理如下：

(1)由于金屬化強(qiáng)度低，在鍵合時(shí)，金屬化層受到破壞，導(dǎo)致鍵合點(diǎn)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(dǎo)致鍵合和芯片粘結(jié)強(qiáng)度差，引起失效；

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

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

8、使用不當(dāng)造成失效

其主要失效機(jī)理為：用戶(hù)在使用過(guò)程中，由于對(duì)外殼的性能及使用要求了解不夠，在儲(chǔ)存、使用過(guò)程中工藝控制不當(dāng)；在檢測(cè)、試驗(yàn)過(guò)程中，方法不當(dāng)，對(duì)外殼造成破壞性失效。例如：在使用過(guò)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(yàn)過(guò)程中，由于使用的夾具不當(dāng)，造成外殼機(jī)械強(qiáng)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(dāng)失效，根據(jù)其失效機(jī)理，在外殼的制造和使用過(guò)程中采取措施，以防止多層陶瓷外殼失效的發(fā)生。

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

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推薦活動(dòng)：【邀請(qǐng)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(huì)議議題

時(shí)間安排	議題	演講單位
08:45-09:00	開(kāi)場(chǎng)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(shì)	中電科43所/合肥圣達(dá) 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(xué)/武漢利之達(dá) 教授/創(chuàng)始人 陳明祥
11:00-11:30	HTCC氫氮?dú)夥諢Y(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(xué) 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(xué)滿
14:00-14:30	HTCC陶瓷封裝用配套電子材料的匹配性問(wèn)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(jué)檢測(cè)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(shì)	德中技術(shù) 戰(zhàn)略發(fā)展與市場(chǎng)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(jì)	宏科電子 副廠長(zhǎng) 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(jí)專(zhuān)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(guó)科技大學(xué) 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(xué) 副教授 韓國(guó)強(qiáng)
19:00-20:30	晚 ?宴

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