摘要：

在氣密性陶瓷封裝、金屬封裝元器件在體積、重量、性能等方面無法滿足使用要求時(shí)，設(shè)計(jì)師不得不選用塑封元器件，且軍 用塑封器件多是來自國外進(jìn)口。航空航天等高可靠領(lǐng)域?qū)λ芊馄骷氖褂萌找鎻V泛，但尚缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范指導(dǎo)選用，用戶單位需要根據(jù)塑封器件常見的故障模式和失效機(jī)理，采用X光、聲掃、高溫高壓蒸煮試驗(yàn)以及老煉篩選等手段，評(píng)價(jià)塑封器件的可靠性，增加使用塑封器件的信心。

0 引言

塑封材料的升級(jí)改進(jìn)和生產(chǎn)工藝技術(shù)的日漸提高，可以有力提升塑封器件的可靠性水平。**系統(tǒng)朝著高性能、小型化、輕型化和高集成化的方向發(fā)展，陶瓷和金屬封裝的元器件在小型化和輕型化方面不能滿足要求，隨著塑封器件可靠性的提高，軍 用領(lǐng)域已經(jīng)逐步大量接受并使用進(jìn)口塑封元器件，國產(chǎn)塑封器件在材料和工藝方面相比國外差距較大，存在不容忽視的使用可靠性問題。本文介紹了塑封元器件的故障模式和機(jī)理，研究采用針對(duì)性的可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)（鑒定試驗(yàn)），以提高用戶在高可靠領(lǐng)域使用塑封器件的信心。

1 塑封料與引線框架介紹

■ 1.1 塑封料的組成與作用

塑封料是一種多組分的高分子復(fù)合材料，主要由一種高分子熱固性樹脂所組成，其中包括多種有機(jī)成分和無機(jī)成分。塑封料的基本構(gòu)成包括：

聚合物：主要作用是無機(jī)物和有機(jī)物的橋梁；

催化劑：主要作用是加快交聯(lián)反應(yīng)速度；

填充劑：主要作用是提高物理性能，降低膨脹系數(shù)、吸水性和成本；

添加劑：主要作用是提高脫模性能，改善流動(dòng)性、提高材料的阻燃性能、染色、降低雜質(zhì)含量等。

■ 1.2 引線框架的基本性質(zhì)

引線框架的主要作用是承托芯片和外引管腳，連接器件與印刷電路板，實(shí)現(xiàn)器件功能與印制板金屬介質(zhì)的互通，目前市場上的基材主要分為銅質(zhì)和鐵質(zhì)兩種。一般選用鐵質(zhì)引線導(dǎo)線框架，表面鍍銅，銅的特點(diǎn)為導(dǎo)電性與導(dǎo)熱度都極 佳。

在工程應(yīng)用中，一方面應(yīng)盡量尋找膨脹系數(shù)接近的引線框架和塑封料，另一方面增加塑封料與框架間的粘合力，用來消除溫度變化過程中不同材料之間產(chǎn)生的不平衡應(yīng)力。

2 塑封元器件失效分析

■ 2.1 溫度失效

軍 用元器件的溫度一般介于 -55℃ ~125℃之間，工業(yè)級(jí)塑封元器件工作溫度介于 -40℃ ~85℃之間，而商用塑封器件溫度在 0℃ ~70℃之間。對(duì)于塑封元器件在高可靠領(lǐng)域的應(yīng)用，必須考慮其溫度范圍。并且，塑封器件相對(duì)于陶封、金封器件，散熱性能較差，這也是需要充分考慮，降額設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

由于軍 用塑封器件相比民用產(chǎn)品要經(jīng)歷更為嚴(yán)苛的環(huán)境條件，比如機(jī)械振動(dòng)、低氣壓、高低溫差、鹽霧、砂塵、輻照等，其中嚴(yán)酷溫差的變化引起的熱脹冷縮效應(yīng)，導(dǎo)致器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力。內(nèi)部應(yīng)力作用在塑封器件的管芯、引線框架、引線及塑封材料等結(jié)構(gòu)處，可能在薄弱環(huán)節(jié)處產(chǎn)生裂紋、變形、拉扯、扭曲等可靠性問題，尤其容易造成鍵合引線的斷裂；如果支撐管芯的框架因?yàn)閮?nèi)部應(yīng)力而產(chǎn)生裂紋，將導(dǎo)致器件散熱性能下降，對(duì)管芯造成損傷，影響器件的長期使用可靠性等。

■ 2.2 潮氣入侵失效

一系列文獻(xiàn)研究表明濕氣侵入封裝是造成該失效的主要原因。塑封體本身吸濕特性和塑封料與引線框架的界面浸入是濕氣侵入塑封器件的主要兩種方式。塑封元器件潮氣侵入往往是上述兩種方式綜合作用的結(jié)果。

潮氣的侵入往往伴隨著雜質(zhì)離子的污染，這是導(dǎo)致塑封器件失效的重要因素，隨著塑封器件生產(chǎn)工藝的提高，塑封材料的改進(jìn)以及鈍化層技術(shù)的發(fā)展，塑封器件的可靠性水平逐步提升，降低了雜質(zhì)離子污染管芯的幾率。

潮氣入侵嚴(yán)重威脅塑封元器件的可靠性，通過HAST（高加速應(yīng)力試驗(yàn)）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，潮氣入侵塑封元器件內(nèi)部出現(xiàn)的故障模式主要有以下三種：

(1) 第 一種為鈍化層開裂，潮氣及其附帶的雜質(zhì)離子可以通過鈍化層裂紋侵入芯片內(nèi)部，威脅內(nèi)部芯片金屬系統(tǒng)；

(2) 第 二種為鍵合點(diǎn)退化，潮氣及其附帶的雜質(zhì)離子對(duì)鍵合點(diǎn)產(chǎn)生腐蝕作用，導(dǎo)致鍵合力下降，接觸不 良影響電性能；

(3) 第 三種是芯片開裂，芯片結(jié)構(gòu)遭到破壞，極可能引發(fā)功能失效。

為了定量評(píng)價(jià)塑封集成電路耐潮氣影響的能力，IPC/JEDEC 制定了一套關(guān)于潮氣敏感度的標(biāo)準(zhǔn)（詳情搜索J-STD-020），該標(biāo)準(zhǔn)主要用于幫助 IC 制造商用以確認(rèn)并定義其所生產(chǎn)的元器件到底符合哪種潮濕敏感度等級(jí)，不同敏感度等級(jí)的元器件有相應(yīng)的使用貯存要求，用戶也應(yīng)將其做為一個(gè)重要考核項(xiàng)目，作為選擇器件的重要參考。

■ 2.3 內(nèi)部分層失效

塑封體的分層主要由于內(nèi)應(yīng)力造成 , 內(nèi)部分層將導(dǎo)致鈍化層開裂、管芯開裂、電路鍵合

性能退化等現(xiàn)象，是導(dǎo)致電路失效的重要原因。內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的主要原因有兩種：

一是塑封料在高溫下會(huì)發(fā)生液化再固化的過程，在這個(gè)過程中塑封料會(huì)產(chǎn)生收縮，而塑封料和接觸界面的不同材料的熱膨脹系數(shù)不一致所產(chǎn)生的應(yīng)力，當(dāng)不同部位的應(yīng)力差達(dá)到一

定值，將造成器件損傷。

不同材料擁有不同的熱膨脹系數(shù)，因此溫度變化條件下，不可避免的會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，當(dāng)內(nèi)部應(yīng)力足夠大時(shí)有可能在薄弱環(huán)節(jié)產(chǎn)生裂紋、變形等可靠性問題，內(nèi)部水分和雜質(zhì)離子的不斷積累，容易造成塑封元器件內(nèi)部電化學(xué)腐蝕，對(duì)塑封器件的長期使用可靠性造成隱患。

在焊接期間，塑封器件上的熱源主要來自以下三種：氣相回流焊加熱、紅外回流焊加熱和波峰焊加熱。峰值溫度在220℃ ~265℃左右，持續(xù)時(shí)間在 5~40s 左右。濕氣容易在塑封料和引線框架結(jié)合不好處擴(kuò)散，焊接期間的高溫將會(huì)使水汽變成高壓蒸汽，造成塑封器件內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力導(dǎo)致開裂，從而引發(fā)“爆米花現(xiàn)象”。

3 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及指南

■ 3.1 PEM-INST-001《塑封微電路選擇、篩選和鑒定指南》PEM-INST-001《塑封微電路選擇、篩選和鑒定指南》是由美國 NASA 發(fā)布，該指南對(duì)塑封器件的選擇和使用給出了指導(dǎo)性建議，需要強(qiáng)調(diào)的是該文件不是標(biāo)準(zhǔn)，而是指導(dǎo)使用方降低塑封器件使用風(fēng)險(xiǎn)的指南。選擇塑封器件是基于其功能優(yōu)勢(shì)和可用性，而不是為了節(jié)省成本，保證塑封器件可靠性所必需的步驟通常會(huì)抵消任何初始明顯的成本優(yōu)勢(shì)。該指南中指出塑封器件質(zhì)量水平難以表征的原因主要有以下三個(gè)方面 :

(1) 對(duì)塑封器件制造商的專有設(shè)計(jì)、材料、芯片的追溯以及生產(chǎn)工藝和程序了解不足；

(2) 沒有權(quán)威機(jī)構(gòu)對(duì)塑封器件的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督，制造商內(nèi)部建立的可靠性保障體系沒有得到保證和控制，使得同一制造商的不同批次的產(chǎn)品不可以同等接收；

(3) 良性環(huán)境下工作的塑封器件能否在惡劣的環(huán)境下提供可接受的性能和可靠性沒有評(píng)估。

要嚴(yán)格控制塑封器件的來源，塑封器件市場魚龍混雜，良莠不齊，要選用來源正規(guī)的生產(chǎn)廠家，杜絕假冒偽劣塑封產(chǎn)品；其次還需要對(duì)塑封器件進(jìn)行全 面測試和老煉篩選試驗(yàn)，以剔除早期失效，并在鑒定中進(jìn)行全參數(shù)電測試、環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、封裝特性評(píng)價(jià)試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)等來評(píng)估塑封器件的質(zhì)量可靠性。

該指南指出通過篩選和鑒定試驗(yàn)，對(duì)具體的熱、機(jī)械和輻射影響進(jìn)行全 面評(píng)估，增加了未知可靠性的塑封器件應(yīng)用在高可靠領(lǐng)域用戶的使用信心。塑封器件的使用僅在性能需求、軍 用高可靠性領(lǐng)域無替代產(chǎn)品、項(xiàng)目愿意接受高風(fēng)險(xiǎn)的前提下選用。

該指南提出塑封元器件典型鑒定試驗(yàn)流程如圖 1 所示。

（該指南中指出：若不是考慮到經(jīng)濟(jì)因素，HTOL 試驗(yàn)與溫度循環(huán)試驗(yàn)可采用不同樣品進(jìn)行。）

■ 3.2 GJB 7400-2011《合格制造廠認(rèn)證用半導(dǎo)體集成電路通用規(guī)范》

國內(nèi)塑封半導(dǎo)體集成電路鑒定檢驗(yàn)主要依據(jù) GJB 7400-2011《合格制造廠認(rèn)證用半導(dǎo)體集成電路通用規(guī)范》進(jìn)行，標(biāo)準(zhǔn)包括了器件應(yīng)滿足的質(zhì)量和可靠性保證要求，并規(guī)定了塑封半導(dǎo)體器件質(zhì)量保證等級(jí)：N 級(jí)。

GJB 7400-2011 中 4.4 節(jié)鑒定檢驗(yàn)中描述“鑒定檢驗(yàn)應(yīng)按附錄 B 中 B.2.4.2 和 B2.4.3 的規(guī)定進(jìn)行”，但附錄 B 中并無相應(yīng)條款，國內(nèi)大多數(shù)單位按規(guī)范“表 6 塑封 QML 器件 D 組檢驗(yàn)”來完成塑封器件的鑒定考核，作者認(rèn)為 D 組項(xiàng)目中zui為核心的為 D3 和 D4 分組試驗(yàn)項(xiàng)目，如表 1 所示。

■ 3.3 比較分析

圖 1 和表 2 比較，可以明顯看出 GJB 7400-2011 給出的塑封器件鑒定項(xiàng)目及條件比 PEM-INST-001 提出的鑒定項(xiàng)目嚴(yán)酷的多。

目前國產(chǎn)塑封器件按 N 級(jí)進(jìn)行鑒定試驗(yàn)，大多數(shù)是無法通過 D4a）組試驗(yàn)，主要原因 4a）組中的熱沖擊和溫度循環(huán)試驗(yàn)樣品 22 只是疊加進(jìn)行的，且 -65℃ ~+150℃的溫度范圍也十分嚴(yán)苛。熱沖擊主要考察塑封材料在溫度急劇變化，熱脹冷縮可能造成材料的開裂、接觸不 良、性能變化等現(xiàn)象；而溫度循環(huán)側(cè)重在測定器件承受極端高低溫的能力，以及極端高低溫交替變化對(duì)器件的影響，當(dāng)樣品經(jīng)受極端溫度循環(huán)時(shí)，塑封內(nèi)部各材料熱膨脹系數(shù)不匹配，缺陷部位會(huì)受應(yīng)力不斷擴(kuò)大，從而導(dǎo)致失效。同一組樣品經(jīng)受 100次熱沖擊和 1000 次溫度循環(huán)后，大多數(shù)產(chǎn)品會(huì)失效，進(jìn)行S-CAM 檢查時(shí)，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)芯片與塑封料的大面積分層。

國內(nèi)一些單位無法通過 GJB 7400-2011 的 N 級(jí)考核，又苦于無其他標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，只能降低 N 級(jí)項(xiàng)目的考核要求，改變樣品分組和降低試驗(yàn)條件形成所謂的 N1 級(jí)考核，典型條件如表 2 所示。

4 結(jié)束語

塑封器件在高可靠領(lǐng)域的應(yīng)用是科技發(fā)展的必然趨勢(shì)，高可靠性塑封產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)需求越發(fā)緊迫。目前 GJB7400-2011 為塑封器件主要的軍 用參考標(biāo)準(zhǔn)，其提出的鑒定項(xiàng)目及條件過于嚴(yán)苛，個(gè)人認(rèn)為不適用于實(shí)際需要，推動(dòng)塑封產(chǎn)品的應(yīng)用不僅要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝改進(jìn)著手，還需要器件生產(chǎn)廠家、鑒定機(jī)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)化院所三方共同努力：一方面，軍 用元器件使用主機(jī)廠所要為器件生產(chǎn)廠家提供需求牽引；一方面，三方應(yīng)協(xié)調(diào)溝通主動(dòng)作為，促進(jìn)具有權(quán)威且結(jié)合實(shí)際具有指導(dǎo)意義的標(biāo)準(zhǔn)體型的建立，為器件生產(chǎn)廠家和器件使用單位提供參考依據(jù)。