利用封装技术提高医疗电子设备质量与可靠性

作者：Peter Borgesen

欢迎访问e展厅 展厅 4 医疗设备/医疗器械展厅 B超诊断仪, 心电图仪, CT机, 眼科设备, 裂隙灯, ... 医疗电子设备由于应用的特殊性使其对可靠性提出了非常高的要求，它不仅需要长期稳定地工作，而且还要能够承受一些特殊状况的发生，如高速撞击带来的瞬间冲击。在本文第一部分里(详见本刊2006年第一期110页)我们介绍了针对医疗电子设备可靠性需要考虑的因素，本期将继续对失效机理进行分析，并提出相应补救方法。 影响可靠性下降主要因素 镍/金电镀层 对于镍/金我们所关注的问题与Kirkendall空洞效应大不相同。首先，镀在镍表面的金是用来防止镍氧化，但由于存在工艺差异，镍可能已提前氧化，或者在镀金层中形成多孔，不能在事后有效地起到保护作用，另外工艺控制不得力也可能在金表面或内部留下有机物或其它污染物。无论发生哪一种情况，都会降低焊接质量，形成一个“冷”焊点。不过，这种缺陷一般都可以检测出来，只需要对组装件进行轻微的形变(即采用机械筛选)或选择老化测试便可。与Kirkendall效应类似，我们最关心的问题是这类缺陷焊接点的形成在最初机械测试中无法从好的焊点中分辨出来，但在使用过程中却会逐渐劣化。 ENIG(化镍浸金Ni/Au) 金浸镀是一种常用于保护化学镍镀层的自钝化工艺，其镀层厚度自动限制在0.075～0.20μm范围内。化镍浸金Ni/Au工艺在电子工业中被广泛应用，例如用于消除电镀工艺中通电电极处留下的漏镀空位。浸浸镀是腐蚀性工艺，将暴露的镍原子替换为两个金原子；为了防止出现过度腐蚀，需要在下面的镍层添加相当含量的防护材料，如含磷物质。事实上，如对这种腐蚀过程的控制不当，也会产生严重的问题。 除了所有镍/金镀层都共有的问题外，金浸镀工艺还存在一个广泛认可的独特现象，即所谓“黑盘”现象。事实上，“黑盘”是无处不在的术语，它所包括的现象中，许多都与Ni(P)/Ni3Sn4界面上或界面近邻的焊点断裂相关。大多数情况下，它指的是因金浸镀过程中腐蚀过度而导致Ni(P)表面缺乏可焊接性的现象，但通常也包括表面附近各种合金的存在或合金污染的存在所产生的效应。 总之，“黑盘”效应通常指那种“零时间缺陷”效应，即所导致的缺陷可以检测出来，甚至只需要对组装件进行轻微的形变(机械筛选)或老化测试就可检测。不过，还存在这样的一种与腐蚀性“黑盘”效应相关的机理，即一个看似完好的焊点会随时间推移而劣化。这种机理使业界的研究人员迷惑了多年。按此机理，在老化处理后的焊点中可测量到强度弱化以及向脆化疲劳过渡的现象，且其行为与上面讨论的(Ni,Au)Sn4所导致的几乎无法区分。 我们在150℃温度下对众多厂商提供的ENIG焊盘上的焊点进行了各种时间长度的老化处理和切变实验。实验表明有些样品在经过250～1000小时老化处理后开始出现脆化疲劳。厚度在0.15μm以上的金镀层就足以在焊盘表面形成1.3μm厚的(Ni,Au)Sn4，即在切变实验中可观察到脆化疲劳的出现。不过，对高度为24mil的焊球，要达到如此程度所需老化时间要长得多，而且仔细分析并没有形成这样一个层面。实际上，我们至少发现有些金原子仍然被束缚在焊点内的(Ni,Au)Sn4沉积物中；与AuSn4沉积物中的金不同，这些金对焊盘表面上的(Ni,Au)Sn4层生长不起作用。 许多研究都揭示金浸镀工艺中的腐蚀性与“黑盘”效应的种种关联，表现之一是金原子局部熔到镍晶界中，因而使金整体厚度增加(如用XRF测量到的结果)。原因可能是过度的腐蚀容易紧挨金镀层下残留过多的晶态Ni3P，这种晶体不可焊接。尽管存在金原子的局部深熔现象，我们还是观察到大量成形良好的焊点。由于腐蚀程度会随镍中磷含量的增加迅速减轻，“黑盘”效应也会随之大幅度减小，因此所测出的效应与Ni(P)表面处磷浓度的外在关联较为复杂是自然的事：当浓度小于8～10%时，“肯定会出现问题”，而浓度达到15～16%时，似乎就变成了“有时会出问题，但绝非一定”。 对切变实验样品的微结构分析表明，老化处理和表面附近磷浓度之间并不存在简单关联关系。有些金原子明显局部深熔到镍晶界的样品在250小时后就因出现脆化疲劳而失效，而另一些样品在1,000小时后才在焊点中出现柔韧性破坏。回流焊和老化处理过程中Ni3Sn4的扩张性生长很容易在金镀层下残留Ni3P，但有实验表明Ni3P/Ni3Sn4界面可能仍然稳定。 即使成功找到这种导致失效的晶相，还是需要弄清楚到底是怎样的一个过程(如果有的话)在控制劣化的速度，即决定劣化的温度依赖关系。另一方面，直接测量发生脆化转变所需的激活能量要求有相当数量的相似样品。一如所料，由于镀敷工艺可控性差、可变性大，不同焊盘间的差异会非常大，甚至在一个部件点内都是这样。因此能否将一个单独激活能值应用到所有出现劣化的焊盘上还有待商榷。 锡须 1986年，美国食品及药物管理局(FDA)曾警告某厂家制造的心脏起搏器因白铁皮外壳上生长出须状锡晶体，并使晶体短路而导致失效；锡须更于1988年使到一颗商业卫星失效。纯锡层上的须状晶体生长因此成为高可靠性应用中令人关注的问题。 实验观察到，长期保存的镀锡层在室温或稍高的温度环境下可以长出长达9mm的晶须。这种现象发生在无湿度和无电场的环境中，且不属于枝状晶体生长。对各种参数的敏感性测试表明，这种晶须生长在某些类型的机械负荷下可能会大幅增强。对此现象，目前还没有一种被广泛接受的解释，但一种基于重结晶理论的解释似乎有一定的合理性。按照这种解释，晶须的成核和生长至少依赖于方向适当的高激活能和低激活能晶界的局部组合，大体上讲，想防止锡层上生长晶须就必须要同时控制制造环境中多个因素，但如此控制水平尽管是有可能的，但也许不切实际。 通过限制锡层厚度来限制晶须的最终长度并不实际。实验表明，在厚度没有明显减小的区域中如果有很多的晶须存在，就会有很长距离的扩散发生。也许，将纯锡层从最终的组装件中祛除可算是为数不多的几种较安全的补救措施之一。人们普遍相信添加3%(按重量)或更多铅可防止晶须的形成；并且这种现象很少在锡铅焊点上发生。虽然偶尔观察到锡铅焊料中长出长达25~30μm的晶须，但可能是在高电流下电迁移效应导致的异常析出现象。 最近，微电子业界一直在推广使用纯锡镀部件，如陶瓷电容或电阻，这是业界向无铅焊接解决方案过渡的工作之一。此外，浸镀锡层也被大力推崇，用于保护有机垫层和电路板上铜焊盘的可焊接性。总之，人们关心的是镀锡层会否出现可焊性问题。当然，现在还无法知道新问世的无铅焊锡(如存在的话)中，到底那一种能够像锡铅那样抵御晶须的形成。 有迹象表明，厚度均匀的镀层可能有助于减少晶须的生长，但目前还不清楚其减少的程度，或镀层应该多厚才算合适。 底部填充技术 用硬质材料的防缺陷(防空隙)密封技术，如传统的倒装芯片底部填充技术，可以有效地抑制晶须的生长，并防止电路短路。它能够很好地保护导线接点和焊点免受机械负荷的影响，有效地消除连接点强度劣化导致的断裂。底部填充技术唯一不能改善的是由Kirkendall效应引起的焊点断裂失效，但这种效应通常可通过仔细的制造工艺控制加以避免。 倒装芯片组装一般采用底部填充技术，即用热疲劳强度相对较好的热固材料填充焊点，最大限度地降低焊接点在热漂移过程中的疲劳。而对BGA和CSP，通常使用的是可修复的受热软化材料。这种材料不会增加热阻，但这对医用植入器件不是大问题。修复的材料甚至也可以用于倒装芯片组装。较软的填充材料还会使整个组件更具柔性，且对抵御机械负荷导致的分层通常有较好的效果；这点也许十分重要，因为一旦在一个焊接点处出现问题，将导致灾难性的破坏。 不过，底部填充会引入另一种潜在的失效机理。填充物的流动和固化肯定会偶然形成一些小气泡，当中有些很容易会被束缚在两个接近的焊点间。一个本来应当完全密封的焊点表面如果存在一个足够小的暴露区域，其有效熔点就会因毛细管作用，以及焊点中压应力被有效释放而降低。根据已有的报道，无论是在接下来需进行的回流焊处理，以及在80℃温度下的长期存放过程中，都观察到焊锡被挤进这些空隙中的情况。 焊锡挤进气泡后，会降低焊点的热阻，但如前所述，这不是个大问题。挤进空隙的焊锡与近邻焊点连通显然会对精密器件构成真正的威胁。事实上，在统计意义上定量描述连通的风险极其困难，不可能有两个空隙出现在完全相同的焊点表面上和完全相同的位置上，因此焊锡挤出的发生和演变都很难预见。 最后需要强调的是，在医用植入器件的制造中，大多数填充材料经侵蚀清洗后都会大幅度劣化。材料的选取必须考虑材料是否在使用中出现分层、断裂和焊锡挤出现象的特性。 补救措施和加速测试 美国电子器件工程联合委员会(JEDEC)曾发表过题为“锡晶须生长测试”的文章，对两种存放测试和热老化循环测试做了详细规定。但是，由于锡晶须生长对众多参数表现出复杂的敏感性，如何确定“加速因子”从而将老化测试时间外推为长达数年的服务期，仍然还是个有待深入研究的问题。 避免使用纯净和几乎纯净的锡似乎是能完全防止晶须生长的唯一实际的方法。不幸的是，这会使某些正受推崇的无铅焊接合金也被排斥在外。无论如何，就算有焊锡晶须生长，还可以借助底部填充技术解决。采用某种热固填充材料可能是防止晶须生长的最有效手段，但热固填充材料通常不可返修。受热软化填充材料可降低焊锡挤进空隙的风险及因此造成的破坏性。填充物的热膨胀系数尽可能与焊锡接近也有助于降低挤压焊锡的应力，尽管这样会使填充物与组件和基片在热膨胀系数上的差异加大，从而无法实现真正的无应力密封。可见，到底该使用怎样的填充物还需要根据其它判别标准如柔软性等来决定。 减少焊锡挤出和近邻连通的方法之一是在焊盘周围使用单独的掩模开孔，不让两个或多个焊盘共用一个掩模开孔。填充物在掩模开孔中会形成空隙，但很难跨过开孔边界从一个焊点向另一个焊点扩散。采用单独的掩模开孔最直接的问题是成本，这种掩模设计用于公差要求较低的廉价电路板中。 对于加速老化测试，焊锡挤压现象似乎不具备显著的可再生性，因而没法建立有意义的加速因子或定义测试规程。此外，助长焊锡挤压效应的填充物空隙和裂缝通常非常细小，无法通过检查系统检测到，即使是使用超声波扫描显微镜也无法检测。因此在进行底部填充时，必须依赖于针对设计、材料选择和工艺参数的整体优化措施。 如前所述，连接点强度的劣化直接取决于使用环境中可能施加在实际产品上的种种机械负荷，定义特定的测试规程时就必须考虑这些负荷因素。除此之外，测试规程的原则也应该直截了当。 有迹象表明，正确控制电镀参数(pH 值、化学参数、温度、与焊盘相关潜在因素等等)以及确保磷浓度在10%左右有可能防止“黑盘”效应。如果不奏效，可用次磷酸盐降低熔剂能力。但目前还无法肯定这种方法是否能有效防止焊盘接触面上的金属间化合物出现偶然劣化。事实上，由于这种现象的变数大，很难找到一种实际的方法来检查或测试这些缺陷。因此，唯一可靠的补救措施只能是避免在医疗植入设备中采用ENIG焊盘表面处理技术。如果确实需要进行加速老化测试，最好的推测可能就是这种现象会因Ni3Sn4层的生长而受到限制，换句话说，测试结果可以按某一个激活能值(约14.6kcal/mole)外推到体温环境。 由于无法对金镀层的厚度实施有效且一致的控制，我们建议在锡铅焊接中不采用电镀镍/金的焊盘。然而，如果电镀镍/金焊盘无法避免，加速测试将涉及实际组件构造，而不仅仅是焊球，而且还要涉及到相关的机械负荷方式。最稳妥的方法是在测试前让(Ni,Au)Sn4层的构建全部完成，这样就无须其它热预处理。如果测试前的预处理同时还包括所有可能的回流处理和修复循环，那么，作为另一种方法，将实际的焊点在125℃老化500小时或在150℃下老化120小时就足够。如果要使用较大焊球来提高测试的使用性，或需要推测离板间距较大组件的可靠性，老化时间将以与离板间距的平方成比例的方式增加。 就焊点可靠性而言，铜焊盘还是最可靠的，无论是否有HASL涂镀层。引线连接应当金对金。无论那种情况，要降低Kirkendall空隙效应的显著发生，就得降低污染，且在焊接时确保焊盘上能获得足够的助焊剂。至于加速测试，引线连接点的测试结果一般可将加速因子设为1eV/mole(23 kcal/mole)基础上外推到实际使用环境。铜-锡金属间相的生长激活能一般也是每个分子1电子伏(eV)左右，也可能低到0.7电子伏，但也有文献引用了0.5-0.75电子伏之间的值。为稳妥起见，建议使用0.5电子伏(11.5 kcal/mole)，这样体温下的10年就相当于150℃下的17天。此外，预处理显然需要包括所有可能的回流处理和修复循环。 本文总结 要可靠实现医用植入器件的封装必须对制造工艺有基本的了解及仔细的控制。器件中存在长时劣化的机制，如果控制不当，这些机制会导致医用植入器件发生断路或短路而失效。通过仔细分析控制器件制造的各种因素，可以可靠地抑制这些导致失效的机制，使其不影响医疗设备的寿命。 已发现有锡晶须生长导致心脏起搏器失效的情况，但可通过祛除纯锡和接近纯锡表面的方法来防止。共晶锡铅焊锡并不存在这类问题。 另一种可能导致器件失效的机制是引线连接点或铜焊盘上的焊接点中出现Kirkendall空隙效应，器件甚至可能在没有大负荷的情况下失效。从可靠性的角度看，这类金属涂镀工艺仍然是推荐的连接方法，关键在于要仔细控制制造中的所有环节。 电镀镍/金层和化镍浸金Ni/Au(ENIG)都存在明显的可靠性问题，因此在可能情况下，还是建议采用铜。共晶锡铅焊点在电镀镍/金焊盘上的结合强度在使用几年后就可能大幅下降，在器件的机械设计中必须仔细考虑这种强度降低效应。ENIG焊盘显示出复杂的劣化机制；虽然目前对其还不能完全了解，但它对制造过程中的涂镀工艺的控制非常敏感。这种效应对不同电路板、不同位置，以及对某种涂镀工艺差异引起的不同镀层特点，表现出很大的变数，因而几乎不可能通过检查和加速老化测试获得肯定的结果。因此，建议在关键性的医用植入器件中避免使用这类金属涂镀工艺。 使用相对柔软的材料填充区域阵列器件能大幅降低长时劣化导致的失效风险。但需要对基片的设计、材料的选取及底部填充工艺参数进行优化，最大限度地降低空隙效应，尤其是近邻连接点之间的空隙，以及焊锡挤压效应。对填充材料也必须仔细测试其与清洗工艺的兼容性。 多年的封装技术研究已经形成了一整套组装构建方案。只要仔细恰当地实现这些方案，就可以将它们用于医疗电子设备中。当然，要可靠地实现医用植入器件的封装必须对制造工艺有基本的了解及仔细的控制。只有通过仔细分析控制器件制造的各种因素，才可以制造出可靠的器件。 作者： Peter Borgesen 环球仪器公司 Eric Cotts Binghamton大学物理与材料科学系 原载《国际电子商情》(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/4/2006)