器件的化学品暴露

作者 Bradley Smith,
质量与可靠性保证部
Allegro MicroSystems, LLC

 

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简介

Allegro™ MicroSystems, LLC (Allegro) 采用标准的内部铝互连线和外部镀锡铜端子制造半导体器件。硅基器件在标准的非气密环氧树脂封装内模压而成。客户希望在各种配置、应用和操作情况下使用 Allegro 器件,因而可能使 Allegro 器件在环境因素和湿度、化学溶剂、机油、变速箱油、融冰盐
等腐蚀性条件下暴露。Allegro 器件在不同的化学品中暴露,可能导致器件在某些条件下出现腐蚀和故障。本应用说明介绍了可能因腐蚀导致器件故障的应用类型和操作情况。请参阅 设计中心部分,了解与焊接和包覆有关的更多信息,包括应用说明 AN26009 - Allegro 产品焊接法(SMD 和通孔)AN27703.1 - 使用霍尔效应器件设计组件的准则 和 AN296080 - 使用反向偏压霍尔器件进行引线成形的准则


非气密环氧树脂封装

半导体行业采用的气密封装是一种陶瓷封装,它能将有源硅器件完全密封,以防止所有化学品渗入。半导体行业采用的非气密封装是一种塑料封装(填充环氧树脂),它只是覆盖而未完全密封有源硅器件,所以不能防止化学品渗入。例如,着色探伤检测的结果表明,在所有非气密封装的内部均能发现着色渗透剂,而气密封装内则没有发现。这是因为环氧树脂与外部端子(铜引线)的粘结并不完全紧密,它留在接口部位的毛细孔隙足以使化学品渗入。 

硅器件可能出现化学品渗入意味着 Allegro 对器件因腐蚀导致的故障不提供保修。所以客户应负责正确使用器件,以最大限度减少或防止器件在腐蚀性化学品中暴露。目前已知可能腐蚀内部有源硅器件的化学品包括(但不限于):氯化物、磷酸盐、强酸、强碱、汽车尾气、机油、变速箱油、融冰盐、人为污染和其他汽车流体。由于化学品种类繁多、商业配方不断万化、器件的运行环境充满未知,所以 Allegro 无法测试或确定可能导致腐蚀的化学品。因此,客户或最终用户须负责在实际应用环境或模拟中确定器件的最终配置。 

在图 1 中,硅器件上的铝互连线在汽车变速箱油中暴露后完全腐蚀,进而导致电路断电。通过傅里叶变换红外光谱 (FTIR) 分析确认,硅器件表面有变速箱油,说明变速箱油已完全渗入。包含器件的封装未采用包覆成型或共形敷膜处理。 

 

减少腐蚀的可能性

避免使用此类化学品,或在应用或组装器件时使用无腐蚀性的化学品,可防止 Allegro 器件在腐蚀性化学品中暴露。例如,如果要将器件焊接到电路板上,或进行其他钎焊操作,应使用不含卤化物的助焊剂。用于清除残留助焊剂的化学品也不得含有卤化物和磷酸盐(其中含有很多有机溶剂和有机化合物)。 

使用保护镀层覆盖包含器件的封装也能防止器件在化学品中暴露。共形涂覆是防止化学品渗入封装的有效工艺。通常,应先将器件封装焊接到电路板上,或以焊接方式固定在端子上,或在组件内安装,然后再进行共形涂覆。共形涂覆能以喷涂、浸泡、辊涂、灌封或在器件表面和周围注射的方式完成。注意,喷涂式涂覆不能完全密封所有表面,因为它是单向进行的,器件的底部可能未密封。浸泡或灌封式共形涂覆能更好地确保完全密封。可选择的共形敷膜种类多达几百种,最常用的是硅树脂、聚氨酯和环氧树脂。这些敷膜能进行加热固化、空气固化或紫外线固化处理。

使用塑料进行灌封或包覆成型可为恶劣环境下的器件封装提供进一步的保护。在防抱死系统、传动系统、凸轮正时系统或其他汽车应用中使用的霍尔效应传感器通常可采用这种工艺。为提高密封性能以防止化学品渗入,应将器件封装完全包封在模压塑料内。模压原料的纯度等级必须能保证其氯化物和磷酸盐的含量最低。使用尼龙 (PA) 模压材料可能出现问题,因为它容易吸水,从而会加速腐蚀。而尼龙 6 或尼龙 66 的吸水问题更严重,尼龙 612 的的吸水性稍差。聚苯硫醚 (PPS) 一点也不吸水,所以它是某些应用的最佳选择。应使用二次密封材料、灌封化合物或共形敷膜对组件内引出的导线、端子或连线进行包覆或密封处理。应该注意的是,一种塑料并不能充分密封另一种塑料。另外,不建议使用强力胶(氰基丙烯酸酯)。

加速腐蚀的和导致腐蚀故障的其他条件或因素包括时间、温度、湿度、腐蚀性化学品的浓度、渗入电子封装内的腐蚀性化学品的数量、化学品和水分的类型。客户在组装时直接处理器件产生的人为污染也可能导致腐蚀,所以需要使用手套和口罩,以避免在局部组装或安装电路板时出现这类腐蚀来源。Allegro 采取一切必要手段,通过使用手套、口罩和无菌连体服,确保在生产和组装的每一阶段防止污染。

通常,使用的密封材料的层数越多(建立更多屏障,防止化学品渗入),对器件的防护效果越好,长期可靠性就越高。因此,与只使用共形涂覆或包覆成型相比,在对器件进行共形涂覆后,再进行塑料包覆能大大提高防止化学品腐蚀的可靠性。客户必须根据预期应用要求、腐蚀性化学品暴露和所需的可靠性等级,选择最适用的配置。

化学品暴露 图 1
图 1.箭头指向器件上腐蚀和丢失的铝金属。注意,焊垫(圆形区域)上的金线腐蚀断开,致使该位置断电,进而导致器件故障。

 

 

腐蚀性污染物

随着时间推移,水分会浸出各种污染物,即使在包覆成型应用中也是如此。在组装过程中,加工高温可能加速浸出,但更严重的是长期影响。这可能导致最终产品运抵现场后形成腐蚀性化合物。卤化物和磷酸化合物是造成腐蚀的主要因素。在组装过程中应严禁使用含有卤化物(氯化物)和磷酸盐的材料。这不仅适用于助焊剂、焊料和锡膏,还适用于包覆材料。需要特别注意的是尼龙 (PA) 材料,因为它非常容易吸水。防止此类腐蚀的最佳途径是清除所有生产原料中的卤化物。例如,更高级的尼龙通常卤化物含量最低。除此之外,还应定期检查所有工艺阶段,以确保未引入任何污染源。污染源不仅包括生产时消耗的材料,还包括生产工人本身可能传播的物质。所以必须随时佩戴口罩、手套并穿着适当的消毒服。客户在组装操作时,应采取预防措施,防止用手指直接触摸器件或出现类似污染。注意,指印中含有高腐蚀性的盐分(氯化钠)。 

 

防止端子腐蚀

器件的端子(引线)是镀锡铜线,因此容易腐蚀。铜能被酸类、盐类、磷酸化合物和其他腐蚀性化学品腐蚀。此类化学品还会腐蚀锡。如果化学品暴露到了一定程度,铜引线和锡镀层会腐蚀溶解形成断路,残留的腐蚀物质会在引线之间产生漏电通道,或因枝晶生长造成短路,这会导致器件发生电路故障。如果其内部含有氯化物,或在焊接后未彻底洗净活性焊剂,腐蚀性助焊剂就可能产生腐蚀。助焊剂的商业名称有“水清洗助焊剂”或“免清洗助焊剂”之分。这两种助焊剂均应从电路板上清除,以防止残留助焊剂直接导致腐蚀,或破坏共形敷膜或包覆材料的密封性能。应用环境可能导致引线暴露于融冰盐、汽车流体(如自动变速箱油、机油、尾气)或其他化学品,随着时间推移,它们会导致腐蚀并彻底破坏端子的完整性。因此,应特别注意采用包覆化合物的共形敷膜、灌封或包封涂敷、端子以及整个封装。

 

汽车应用

在易暴露于融冰盐、自动变速箱油、手动变速箱油、机油、其他汽车流体、润滑油和汽车尾气的汽车应用中使用霍尔效应器件是最容易出现腐蚀的应用环境之一。这些年来,现场应用经验(数以亿计的器件)已使腐蚀性故障的数量大大减少,总腐蚀水平控制在十亿分率 (ppb) 以内。在设计、开发和制造汽车组件时,应尤其注意,以最大限度减少腐蚀性物质进入器件内部导致其损坏的可能性。Allegro 建议采用共形敷膜、包覆、灌封及其他工艺,以在这些腐蚀性环境中增加防护层。客户必须选择最适用的共形敷膜(如硅树脂、丙烯酸氨基甲酸酯和环氧树脂)和最可靠的涂敷工艺。注意,尼龙包覆不能提供万无一失的保护,因为尼龙会吸收水分和污染物。所以最好使用灌封化合物,如果必须使用尼龙(最好使用尼龙 612),应在 Allegro 封装和引线表面添加可靠的共形敷膜,然后再进行包覆。也可使用聚苯硫醚,因为它不存在吸水问题。

专业文献中的一些文章和论文明确指出自动变速箱油和其他汽车流体可能腐蚀电子器件。其中一篇文章是:《提高传感器的可靠性》,J. Titus 发表于《测试与测量世界》(3/1/2005)。另一篇是:《在汽车油中暴露的铜与铝互连线的腐蚀研究》,Toshiaki Ishii、Nobutake Tsuyuno、Toshiya Sato 和 Mitsuhiro Masuda 共同发表于《IEEE电子元件及封装技术期刊》2006 年 3 月第 1 期 29 卷。

 

结论

引用的论文阐释了有源硅电路极易受到腐蚀。Allegro 包封器件时采用的环氧树脂模塑料具有比裸硅电路更高的防护性能,但也绝非万无一失。还应采用附加包覆材料(如尼龙,最好是聚苯硫醚)、灌封化合物(环氧树脂)或正确涂敷的共形敷膜(表面区域 100% 密封),提供进一步的防护。这种防护能使可靠性目标接近 0 ppm 的行业理想标准,但并不能完全保证 0 ppm。此外,额外的防护还有助于汽车业实现 10-15 年的可靠性目标。但实现客户组件的可靠性目标是客户的责任,因此在应用过程中,如因在腐蚀性化学品中暴露导致客户组件内的器件腐蚀,Allegro 不承担任何责任。

 

 

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