1、引言

    塑(su)(su)(su)封(feng)(feng)是目前廣泛被使(shi)用(yong)的器(qi)件(jian)封(feng)(feng)裝(zhuang)形式，是一(yi)種非密(mi)封(feng)(feng)性封(feng)(feng)裝(zhuang)，其主要(yao)特(te)點是重(zhong)量輕、尺寸小、成(cheng)本(ben)低，但散熱差、易吸潮。隨著塑(su)(su)(su)封(feng)(feng)器(qi)件(jian)尤(you)其是塑(su)(su)(su)封(feng)(feng)微(wei)電(dian)路(lu)越(yue)來(lai)越(yue)廣泛的應(ying)用(yong)，塑(su)(su)(su)封(feng)(feng)微(wei)電(dian)路(lu)在軍用(yong)領域的應(ying)用(yong)也逐步增多(duo)。對于(yu)塑(su)(su)(su)封(feng)(feng)器(qi)件(jian)可(ke)靠性，應(ying)在滿(man)足(zu)常規可(ke)靠性試驗(yan)要(yao)求的基礎上，針對塑(su)(su)(su)封(feng)(feng)特(te)點和(he)一(yi)些可(ke)能(neng)的失效(xiao)模式、失效(xiao)機(ji)理，進行一(yi)些特(te)殊的試驗(yan)。
    本文介紹(shao)了塑(su)封器件(jian)可(ke)靠性與試驗方(fang)法，包(bao)括：
    ●濕度敏(min)感度試驗
    ●溫度循環(huan)
    ●濕度偏(pian)置試(shi)驗(yan)HAST試(shi)驗(yan)
    ●高壓蒸煮試驗

    2、標準

    美國EIA(Electronic industries Association)和(he)(he)JEDEC(Joint Electron Device EngineeringCouncil)針對塑封(feng)器件(jian)的可(ke)靠性(xing)及相關試(shi)(shi)驗要(yao)(yao)求(qiu)(qiu)(qiu)制定了(le)相應(ying)(ying)(ying)的標(biao)準，如圖1。對于所有(you)的塑封(feng)器件(jian)均(jun)要(yao)(yao)滿足JESD47標(biao)準要(yao)(yao)求(qiu)(qiu)(qiu)，JESD47包括一些一般試(shi)(shi)驗要(yao)(yao)求(qiu)(qiu)(qiu)(如環(huan)境應(ying)(ying)(ying)力試(shi)(shi)驗、電應(ying)(ying)(ying)力試(shi)(shi)驗、非破壞性(xing)物理試(shi)(shi)驗和(he)(he)破壞性(xing)物理試(shi)(shi)驗等)、特殊(shu)試(shi)(shi)驗要(yao)(yao)求(qiu)(qiu)(qiu)(ESD、Latch-up等)、磨損可(ke)靠性(xing)試(shi)驗要(yao)(yao)求(電遷(qian)移EM、與(yu)時(shi)間有關的擊(ji)穿(chuan)TDDB、熱(re)載流子注入HCI等)和可(ke)(ke)燃性試(shi)驗要(yao)(yao)求，根據器件封裝特點及可(ke)(ke)靠性要(yao)(yao)求可(ke)(ke)適當選擇試(shi)驗方法。尤其是對(dui)一(yi)種新技術、新工藝或新產品(pin)時(shi)。
    J-STD-020A濕度敏感度試(shi)(shi)驗(yan)(yan)對表貼器(qi)件濕度敏感度進行(xing)等(deng)級評定，其它兒(er)個標準則具體(ti)針對溫(wen)循、穩態(tai)溫(wen)濕度壽命(ming)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)、高加速(su)應力試(shi)(shi)驗(yan)(yan)(HAST)、高壓蒸(zheng)煮等(deng)試(shi)(shi)驗(yan)(yan)提供試(shi)(shi)驗(yan)(yan)方法。

    3．濕度敏感度等級評(ping)價

    濕度敏感度是(shi)塑封(feng)表(biao)面貼(tie)裝(zhuang)(SMDs)器件的一個重要指標。當塑封(feng)器件吸收了潮氣(qi)后，在(zai)回(hui)流焊高溫工藝中潮氣(qi)迅速被汽化體(ti)積膨(peng)脹，從而造成封(feng)裝(zhuang)分層(ceng)、內(nei)部裂紋、鍵(jian)合損傷、引(yin)線斷、芯片(pian)位(wei)移、鈍化層(ceng)裂紋等，甚(shen)至封(feng)裝(zhuang)內(nei)發(fa)出爆裂的聲響(xiang)，就是(shi)常說的“爆米(mi)花”效(xiao)應。

    濕(shi)度(du)敏(min)感度(du)等(deng)級(ji)評價試驗是為了(le)定級(ji)器(qi)(qi)件對濕(shi)度(du)應力的(de)敏(min)感性，試驗后器(qi)(qi)件的(de)外包封上被打上相應的(de)敏(min)感度(du)等(deng)級(ji)，根(gen)據器(qi)(qi)件濕(shi)度(du)敏(min)感度(du)等(deng)級(ji)，在器(qi)(qi)件包裝、儲存、運(yun)輸(shu)、傳遞、裝配過程都應采取相應的(de)措施(shi)，避免引入損傷(shang)。濕(shi)度(du)敏(min)感度(du)等(deng)級(ji)決(jue)定了(le)器(qi)(qi)件可以暴露(lu)在潮濕(shi)中的(de)時間。

    濕(shi)度敏感(gan)度試(shi)驗適用于所有的(de)表(biao)面貼裝(zhuang)器件，包括 PBGAs、SOICs、PLCCs、TQFPs、PQFPs、RQFPs、TSOPs、soJs等。

為了進(jin)行濕度敏感度等級評價，Altera推薦采(cai)用(yong)100%對(dui)流(liu)(liu)回流(liu)(liu)系(xi)統以滿(man)足J-STD-020A標準(zhun)所要(yao)求(qiu)的回流(liu)(liu)焊剖面。

    在(zai)試驗中，對于小(xiao)(xiao)、薄尺(chi)寸器(qi)(qi)件(jian)，由于回流過程中為(wei)了(le)滿足大(da)器(qi)(qi)件(jian)回流要求，小(xiao)(xiao)器(qi)(qi)件(jian)體溫度將超過220℃以上的溫度，為(wei)了(le)補償這一(yi)差異，小(xiao)(xiao)尺(chi)寸封裝器(qi)(qi)件(jian)要求耐受235℃溫度。表2給(gei)出小(xiao)(xiao)尺(chi)寸器(qi)(qi)件(jian)回流條件(jian)。

    試驗過程中器件達(da)到(dao)試驗溫度(du)的速率也會(hui)影響封裝可(ke)靠性(xing)，表3給出(chu)兩種典型的對流(liu)回流(liu)技(ji)術(完全對流(liu)和R對流(liu))的回流(liu)剖面。

    如(ru)果器(qi)件(jian)通過Ⅰ級濕度(du)(du)敏(min)(min)感度(du)(du)試驗，那么可以認為該器(qi)件(jian)是非濕度(du)(du)敏(min)(min)感性(xing)器(qi)件(jian)，不需要干燥包裝。如(ru)果器(qi)件(jian)僅(jin)僅(jin)通過6級濕度(du)(du)敏(min)(min)感度(du)(du)試驗，說明該器(qi)件(jian)是極(ji)度(du)(du)濕度(du)(du)敏(min)(min)感器(qi)件(jian)，僅(jin)僅(jin)干燥包裝不足以提供應(ying)有(you)的保護，必須(xu)在(zai)裝配前采取(qu)烘焙等措施(shi)。

    4、溫(wen)度循環試驗

    溫度循環試驗主要是考察塑封器件對高低溫的耐受能力。試驗后器件不應有明顯的損傷，如裂紋、碎裂或斷裂。表4給出溫度循環試驗等級。

    溫(wen)度(du)循(xun)環試驗還可以暴露由(you)不(bu)(bu)同(tong)材料(liao)(liao)組成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)封裝的(de)(de)(de)缺陷。器(qi)件的(de)(de)(de)封裝包含有不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)材料(liao)(liao)，當(dang)(dang)(dang)封裝經歷不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)(de)極限(xian)溫(wen)度(du)時(shi)，由(you)于(yu)其溫(wen)度(du)系數存在差異膨(peng)脹(zhang)和收(shou)縮(suo)的(de)(de)(de)速率各(ge)不(bu)(bu)相同(tong)，圖(tu)2給出了(le)圖(tu)⒉給出不(bu)(bu)同(tong)溫(wen)度(du)系數材料(liao)(liao)受(shou)熱(re)膨(peng)脹(zhang)的(de)(de)(de)差異。當(dang)(dang)(dang)兩(liang)種材料(liao)(liao)緊密接(jie)觸時(shi)，膨(peng)脹(zhang)表現為兩(liang)種材料(liao)(liao)膨(peng)脹(zhang)的(de)(de)(de)合成(cheng)(cheng)，即兩(liang)種材料(liao)(liao)擴(kuo)展了(le)同(tong)樣(yang)的(de)(de)(de)長度(du)，對材料(liao)(liao)1來說(shuo)引入了(le)額(e)外的(de)(de)(de)應(ying)力(li)。當(dang)(dang)(dang)材料(liao)(liao)經受(shou)低溫(wen)收(shou)縮(suo)時(shi)情(qing)況也一樣(yang)。這樣(yang)在材料(liao)(liao)的(de)(de)(de)接(jie)觸部位(wei)(wei)(wei)就會(hui)產生(sheng)(sheng)剪應(ying)力(li)，當(dang)(dang)(dang)器(qi)件快速進行高低溫(wen)沖擊(ji)時(shi)，接(jie)觸部位(wei)(wei)(wei)的(de)(de)(de)剪應(ying)力(li)有壓應(ying)力(li)到張應(ying)力(li)往復(fu)變化，如果(guo)溫(wen)度(du)極限(xian)應(ying)力(li)足(zu)夠強，材料(liao)(liao)就會(hui)發生(sheng)(sheng)裂紋或位(wei)(wei)(wei)移，從而(er)造成(cheng)(cheng)器(qi)件金屬引線和金屬化層發生(sheng)(sheng)位(wei)(wei)(wei)移。如圖(tu)3。

    這種剪應力集(ji)中(zhong)的地方在芯片的四角上，尤其是(shi)面(mian)積比較大的芯片更要注意。封裝(zhuang)的裂縫會向下延伸到器(qi)件，以至(zhi)于造(zao)成鈍化(hua)(hua)層下面(mian)的金屬化(hua)(hua)層和多(duo)晶(jing)硅(gui)層斷裂。金屬引(yin)線(xian)的位移會造(zao)成漏(lou)洞甚至(zhi)短路。
    為(wei)了(le)避免(mian)這(zhe)種失效的發生(sheng)，應(ying)按JESD22-A 104-A，對(dui)照表4分級對(dui)器(qi)件進行(xing)溫度循環試驗(yan)考察。

    5、濕度偏置試驗

    評(ping)價(jia)器件(jian)(jian)在潮濕(shi)環境(jing)下的可靠性(xing)可以(yi)進行(xing)(xing)穩態溫(wen)度(du)濕(shi)度(du)偏置壽命(ming)試驗(yan)(JESD22A-101-B)，該(gai)試驗(yan)方法(fa)采(cai)用(yong)溫(wen)度(du)、濕(shi)度(du)和(he)電(dian)應力來(lai)加速潮氣(qi)進入器件(jian)(jian)封(feng)裝(zhuang)。試驗(yan)在85℃和(he) 85%RH條(tiao)件(jian)(jian)下進行(xing)(xing)。這種試驗(yan)方法(fa)不能暴露器件(jian)(jian)封(feng)裝(zhuang)組合材料或(huo)封(feng)裝(zhuang)裝(zhuang)配缺陷。
    試驗在高低溫交變濕熱試驗箱中進行以提供適當的溫度和相對濕度，同時還要提供必要的電連接以實現加偏置。試驗是在極限應力條件下進行。
    在試驗中采用(yong)兩種偏置方式：連續偏置和周(zhou)期性偏置。
    連(lian)(lian)續(xu)(xu)偏置(zhi)(zhi)下直流偏置(zhi)(zhi)被連(lian)(lian)續(xu)(xu)地加到器(qi)(qi)件(jian)上(shang)。當器(qi)(qi)件(jian)溫(wen)度高于(yu)(yu)腔體(ti)環(huan)境(jing)溫(wen)度10℃以(yi)內(nei)，或當器(qi)(qi)件(jian)耗散(san)功率(lv)低于(yu)(yu)200mW，連(lian)(lian)續(xu)(xu)偏置(zhi)(zhi)比周期性(xing)(xing)偏置(zhi)(zhi)更嚴(yan)酷。當器(qi)(qi)件(jian)的耗散(san)功率(lv)高于(yu)(yu)200mW，必須重新(xin)計(ji)算芯片(pian)的溫(wen)度，即(ji)功率(lv)×熱阻，如果計(ji)算出(chu)來的結果高于(yu)(yu)試驗規范5℃以(yi)上(shang)，則應(ying)采(cai)用周期性(xing)(xing)偏置(zhi)(zhi)。
    對(dui)于(yu)(yu)周(zhou)期(qi)(qi)性偏(pian)置(zhi)，直流電壓以(yi)一(yi)定的(de)(de)頻率(lv)和占空(kong)比被間歇地加到器件(jian)上(shang)(shang)。對(dui)于(yu)(yu)一(yi)個特定器件(jian)如果偏(pian)置(zhi)引入的(de)(de)溫(wen)升高于(yu)(yu)腔體(ti)環境溫(wen)度10℃以(yi)上(shang)(shang)，周(zhou)期(qi)(qi)性偏(pian)置(zhi)比連續偏(pian)置(zhi)更嚴酷。在周(zhou)期(qi)(qi)性偏(pian)置(zhi)電關(guan)斷期(qi)(qi)間潮氣聚積在芯片上(shang)(shang)。對(dui)于(yu)(yu)多數器件(jian)來說(shuo)周(zhou)期(qi)(qi)性偏(pian)置(zhi)通常采用1小(xiao)時(shi)通1小(xiao)時(shi)斷的(de)(de)方式。

    6、HAST 試驗

    同樣采用高加速應力試驗(HAST)來評價器件在潮濕環境下的可靠性(JESD22-A110-A)。與濕度偏置試驗相同，HAST試驗箱也采用電應力、高溫和高濕應力的組合應力形式，加速退化失效。在偏置應力下試驗的環境條件是130℃和85%RH。HAST試驗能夠揭示封裝材料、密封性以及封裝材料與引線之間的缺陷。
    HAST中的電應(ying)力(li)同濕度偏置試驗的一樣，但Vcc采用(yong)條件(jian)。由于(yu)HAST試驗腔體(ti)條件(jian)很(hen)嚴酷，試驗用(yong)的老化(hua)板必須經(jing)過(guo)特殊(shu)設(she)計。

    7、高壓蒸煮試驗

    高壓蒸煮試驗是評價非密封器件抗潮濕能力的一種加速應力試驗，試驗應力采用較嚴酷的氣壓、濕度和溫度——PCT試驗箱，來加劇潮氣從外部通過封裝材料、金屬引腳邊緣進入芯片表面。JESD22-A102-B對試驗進行了詳細的規定。

    試驗條件如表(biao)5。

    高壓蒸(zheng)煮試(shi)驗主要(yao)暴露器件相關的四類(lei)失(shi)效：
    其一、焊(han)盤(pan)、金屬化腐蝕性失效。高壓(ya)蒸煮(zhu)試驗(yan)中高氣壓(ya)將(jiang)(jiang)水蒸氣通過封裝壓(ya)到(dao)器件中，直至器件表面，對于鍵合焊(han)盤(pan)和鈍化層有(you)缺(que)陷的金屬化層將(jiang)(jiang)產生腐蝕作用。
    其(qi)二，浮(fu)柵漏電失效(xiao)(xiao)。對(dui)于一(yi)些非揮發(fa)性器件(jian)如閃存(cun)和EEPROM，在浮(fu)柵存(cun)有電荷，如果潮氣(qi)通過(guo)鈍化層到達(da)浮(fu)柵，很快就會(hui)將浮(fu)柵上存(cun)儲(chu)的電荷泄漏掉，造成器件(jian)失效(xiao)(xiao)。
    其三，鉛(qian)錫遷移(yi)導致漏(lou)電(dian)失(shi)(shi)效(xiao)。器件在封裝工藝中清洗失(shi)(shi)當(dang)，在潮熱環境(jing)下鉛(qian)錫會生長出數狀須來，造成(cheng)引線之(zhi)間漏(lou)電(dian)甚至(zhi)短(duan)路。
    其(qi)四，封裝外部損傷(shang)。

    8、結論(lun)

    利用(yong)上述(shu)試(shi)驗考核、評價塑(su)封(feng)(feng)器(qi)件(jian)(jian)的(de)可靠(kao)性(xing)，并通過(guo)持續改(gai)進封(feng)(feng)裝可靠(kao)性(xing)和降低現場使用(yong)失效率(lv)，從而保證終(zhong)用(yong)戶的(de)產品(pin)可靠(kao)性(xing)需求。上述(shu)試(shi)驗方法都是(shi)極限應力條件(jian)(jian)下(xia)的(de)加速退化(hua)試(shi)驗，目的(de)是(shi)揭示(shi)設計和工(gong)藝引入的(de)缺陷，以及(ji)塑(su)封(feng)(feng)器(qi)件(jian)(jian)可能發生(sheng)的(de)退化(hua)機(ji)理。這些(xie)信息對于塑(su)封(feng)(feng)器(qi)件(jian)(jian)的(de)傳(chuan)遞、裝配、分(fen)類和儲存都具有(you)指(zhi)導作用(yong)。

信息(xi)產業部電(dian)子第(di)五研究所

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