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前言
塑封器件具有体积小、重量轻、成本低、电学性能优良等特点，在电子元器件封装中应用越来越广泛。随着塑封器件在各个领域的应用范围逐渐扩大，对于要求严苛的应用领域，工业级塑封原材料及技术已不能满足高可靠性的要求。金鉴实验室深入研究塑封器件的性能和可靠性，特别关注在失效案例中绝缘胶异常导致的问题。这类失效问题往往较隐蔽，不易被察觉，主要表现为失效情况不稳定、受环境应力的影响较大、失效器件数量多且不易筛选剔除等现象。
相对于传统公司止步于失效点的查找的一级失效原因，专注LED领域的金鉴创新在于对失效点背后的原材料和生产工艺剖析，深入骨髓地找出三级失效原因，从而能够指导客户改进来料检验和生产工艺。在一项典型的塑封器件绝缘胶失效案例中，金鉴实验室进行了深入分析，并提出了改进措施以及在设计时的注意事项。
·失效现象
本文的器件样品是一种非门塑封器件，该器件经历了老炼(125℃，96h)，温度冲击(－55℃～70℃、10次循环)，高低温存储(－40℃～60℃)，温度循环(－40℃～60℃，5次5h)等试验后，器件的性能合格。但是，在交变湿热试验(30℃～60℃，85%ＲH、10次24h)后，器件的输入端与地之间出现漏电，导致短路。 在第一次测试中，输入端对地短路，但在将样品在常温环境下放置约48小时后，第二次测试显示输入端对地的阻抗恢复正常（在MΩ级别）。进行温度循环试验后，第三次测试结果显示器件仍然合格，未出现失效。进一步对样品进行低温存储后的测试显示，在第四次测试中，电路输入端对地之间出现漏电，阻值约为40kΩ（正常值应大于20MΩ）。这表明失效样品的两个引脚之间的阻抗不稳定，间歇性出现小于MΩ级的阻抗值，从而影响了器件的性能。
·失效原因分析
根据该样品塑封结构和内部电连接情况判断，造成输入端对地之间的漏电失效原因如图1所示。原因可能有芯片内部异常、芯片玷污或变形、键合丝异常、塑封应力较大、绝缘胶异常等。
图1 失效原因
1、芯片问题
芯片在制造工艺中存在异常或遭受外部异常应力的情况下，可能会导致芯片自身的功能异常。对某批次芯片本身是否存在异常进行了验证，采用化学方法去除芯片周围的塑封料和基板，对芯片引脚进行扎针测试，发现芯片输入端与地的阻抗为正常值，芯片表面无异常。
2、封装问题
图二 失效样品
在样品封装过程中发现，键合丝存在错误键合或交线等异常情况可能导致输入端对地短路的问题。针对这一失效情况，进行了进一步的研究，并对失效样品的X射线形貌进行了分析，如图2所示。通过对比失效样品与良品电路的X射线形貌，研究人员发现失效样品的键合情况与良品电路的键合情况是一致的，没有出现异常形态。这进一步排除了键合丝异常导致失效的可能性。
塑封器件的芯片表面覆盖着塑封料，该塑封料可能对芯片施加应力，从而导致器件失效的情况。通过采用机械方法去除芯片表面的塑封料，并对引脚间的阻抗进行测试，实验发现失效样品的输入端与地之间存在漏电现象。这表明，即使塑封应力消除后，失效问题并未完全消失，从而排除了芯片表面塑封料应力导致失效的可能性。
另外，芯片表面的玷污或变形也可能导致芯片短路的情况。通过在高倍显微镜下观察芯片表面，实验室未发现失效芯片表面有玷污或变形的现象，因此排除了芯片玷污或变形导致电路短路的可能性。进一步分析器件塑封结构示意图如图3所示，可以看出，芯片衬底电位为地，塑封载体连接输入端电位，而芯片底部与塑封载体之间通过绝缘胶隔离。
通常情况下，绝缘胶能够有效隔离电位，即输入端与地之间不存在电流通路。然而，如果绝缘胶存在异常，其绝缘性能会下降，导致输入端与地之间产生漏电，从而影响器件的性能。通过采用机械方法去除失效样品的塑封基板，并测试其输入端与地之间的I-V特性，实验发现漏电现象消失。因此，可以推断漏电通路位于衬底和基板之间的绝缘胶部位。
综上分析，确定失效样品输入端与地之间的漏电故障是芯片与基板之间的绝缘胶异常所致。
·失效机理分析
图4 失效样品
失效样品的芯片与基板之间采用了绝缘胶来隔离输入端与地之间的电位。绝缘胶的厚度和质量对器件的输入端与地之间的绝缘效果有着重要影响，直接影响输入与地之间的阻抗值。
对失效样品和良品电路进行剖面分析，并对器件中的绝缘胶对比检查，发现失效样品比良品电路的芯片粘胶即绝缘胶的空洞更大，如图4所示。潮湿环境下，绝缘胶空洞所在位置容易发生爬电现象，使绝缘胶的绝缘强度进一步下降，最终导致输入端和地之间的绝缘胶产生漏电。
图5 失效样品
对失效样品进行纵向切面分析，如图5所示。可以看出，芯片背部背金层存在脱落情况。因为绝缘胶中掺杂的脱落背金层导电，所以会降低绝缘胶的绝缘性能。
通过解剖失效样品结构并结合电路故障现象进行分析可知：
绝缘胶中的空洞导致有效厚度变薄：失效样品中绝缘胶存在空洞，使得绝缘胶的实际厚度变薄，降低了其绝缘性能。在输入端与地之间的应力作用下，绝缘胶中的空洞可能会导致击穿现象，从而引起短路。
绝缘胶中掺杂有脱落的镀金层：实验发现绝缘胶中掺杂有脱落的镀金层，这种镀金层的存在可能会导致绝缘胶的局部强度变化，容易发生击穿和漏电现象。在绝缘胶异常与湿热环境的共同作用下，进一步加剧了绝缘胶的问题，最终导致芯片与基板之间发生短路。
综合以上分析，绝缘胶中的空洞和掺杂物质的存在是导致失效样品输入端与地之间短路的主要原因。这些问题在湿热环境下可能会进一步恶化，加剧器件的失效现象。
·改进措施
目前，工业级塑封无法完全消除绝缘胶产生空洞的情况。为避免绝缘胶中产生空洞、芯片背金层脱落混入绝缘胶等引起器件失效的问题，可从器件结构设计方面采取相应措施，以提升器件的可靠性。结合器件的失效分析情况，金鉴实验室提出以下器件结构设计的建议：
准确定义器件各引脚之间的电位关系：建议在设计阶段准确定义器件各引脚之间的电位关系，尽量避免使用绝缘胶隔离不同电位。确保绝缘胶粘结两端的电位相同时，绝缘胶仅起粘结作用，即使出现轻微的绝缘胶漏电，也不会影响器件的可靠性。这一方法可从源头上避免绝缘胶异常导致的器件失效。去除背金层：针对背金层无明确用途的器件，在需要使用绝缘胶粘结时，建议尽量去除背金层后再使用。这样可以避免背金层在粘结过程中脱落混入绝缘胶，降低绝缘胶绝缘性能下降的风险。
增加绝缘胶厚度和添加绝缘颗粒：建议在使用绝缘胶粘结器件时，根据实际情况适当增加绝缘胶的厚度，并在绝缘胶中添加绝缘颗粒，以精确控制胶层的厚度均匀性。这种方法可以有效避免绝缘胶厚度不均匀导致的漏电问题，提高器件的可靠性。以上建议旨在优化器件结构设计，提升器件的可靠性，降低绝缘胶异常导致的失效风险。金鉴围绕高质量LED产品的诞生，从外延片生产、芯片制作、器件封装到LED驱动电源、灯具等产品应用环节，从LED原材料、研发和生产工艺角度，为客户提供以失效分析为核心，以材料表征、参数测试、可靠性验证、来料检验和工艺管控为辅的一站式LED行业解决方案，可以有效协助客户及时了解产品质量，提升产品良率及可靠性。
·结论
在部分工业级塑封器件中，绝缘胶产生空洞、掺有金属杂质等异常情况可能导致绝缘胶异常，进而在温度和湿度应力下引发漏电问题，甚至导致器件功能失效。在设计高可靠性的器件时，需要特别关注绝缘胶不达到理想绝缘的情况。
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