1、引言

    塑(su)封(feng)(feng)是(shi)目前廣泛(fan)(fan)被(bei)使用的器(qi)件封(feng)(feng)裝形式，是(shi)一(yi)種非密(mi)封(feng)(feng)性(xing)封(feng)(feng)裝，其主要(yao)特點是(shi)重(zhong)量(liang)輕、尺寸小(xiao)、成(cheng)本低，但散(san)熱(re)差、易吸潮。隨著塑(su)封(feng)(feng)器(qi)件尤其是(shi)塑(su)封(feng)(feng)微電路越來越廣泛(fan)(fan)的應用，塑(su)封(feng)(feng)微電路在軍用領域的應用也逐(zhu)步增多。對于塑(su)封(feng)(feng)器(qi)件可(ke)(ke)靠性(xing)，應在滿足常(chang)規可(ke)(ke)靠性(xing)試(shi)驗要(yao)求的基礎(chu)上，針(zhen)對塑(su)封(feng)(feng)特點和一(yi)些(xie)可(ke)(ke)能的失(shi)效(xiao)模式、失(shi)效(xiao)機理，進(jin)行一(yi)些(xie)特殊的試(shi)驗。
    本文介紹了塑封器件(jian)可靠性與試驗方法，包括：
    ●濕(shi)度敏感度試驗
    ●溫度(du)循環
    ●濕度偏(pian)置(zhi)試驗(yan)HAST試驗(yan)
    ●高壓蒸煮試(shi)驗(yan)

    2、標準

    美(mei)國EIA(Electronic industries Association)和JEDEC(Joint Electron Device EngineeringCouncil)針對(dui)塑(su)封(feng)器件的(de)可(ke)靠性(xing)及相關試(shi)驗要(yao)(yao)求制定了相應(ying)的(de)標準(zhun)，如圖(tu)1。對(dui)于所有的(de)塑(su)封(feng)器件均要(yao)(yao)滿(man)足JESD47標準(zhun)要(yao)(yao)求，JESD47包括一(yi)些一(yi)般試(shi)驗要(yao)(yao)求(如環境應(ying)力試(shi)驗、電應(ying)力試(shi)驗、非破壞(huai)性(xing)物(wu)(wu)理試(shi)驗和破壞(huai)性(xing)物(wu)(wu)理試(shi)驗等)、特殊試(shi)驗要(yao)(yao)求(ESD、Latch-up等)、磨損可(ke)靠性(xing)試驗要(yao)求(qiu)(電遷(qian)移EM、與時間有關的擊穿TDDB、熱載流子注(zhu)入HCI等)和(he)可(ke)(ke)燃性(xing)試驗要(yao)求(qiu)，根據器(qi)件封裝(zhuang)特點及可(ke)(ke)靠(kao)性(xing)要(yao)求(qiu)可(ke)(ke)適當選(xuan)擇試驗方法。尤其是對一種新技術、新工(gong)藝(yi)或新產品時。
    J-STD-020A濕(shi)度(du)敏感度(du)試(shi)驗對(dui)表貼器件濕(shi)度(du)敏感度(du)進行等(deng)級評定，其(qi)它兒個標準則具(ju)體針對(dui)溫(wen)循、穩態溫(wen)濕(shi)度(du)壽命試(shi)驗、高加速應力試(shi)驗(HAST)、高壓蒸煮等(deng)試(shi)驗提供試(shi)驗方法(fa)。

    3．濕度敏感度等(deng)級評價

    濕度敏感度是塑封表(biao)面(mian)貼裝(SMDs)器件(jian)的一個重要指標。當塑封器件(jian)吸收了潮氣(qi)(qi)后，在回流焊高(gao)溫工藝中潮氣(qi)(qi)迅速被汽化體積膨脹，從而造(zao)成封裝分層(ceng)、內部裂紋、鍵(jian)合損傷、引線斷、芯片位移、鈍化層(ceng)裂紋等，甚至封裝內發(fa)出爆裂的聲響(xiang)，就是常說的“爆米花”效應。

    濕(shi)(shi)度(du)(du)(du)敏感(gan)(gan)度(du)(du)(du)等(deng)(deng)級(ji)評(ping)價(jia)試驗(yan)(yan)是為了定級(ji)器(qi)件(jian)(jian)對濕(shi)(shi)度(du)(du)(du)應力(li)的敏感(gan)(gan)性(xing)，試驗(yan)(yan)后器(qi)件(jian)(jian)的外包(bao)(bao)封上被(bei)打上相(xiang)(xiang)應的敏感(gan)(gan)度(du)(du)(du)等(deng)(deng)級(ji)，根據器(qi)件(jian)(jian)濕(shi)(shi)度(du)(du)(du)敏感(gan)(gan)度(du)(du)(du)等(deng)(deng)級(ji)，在(zai)器(qi)件(jian)(jian)包(bao)(bao)裝、儲存、運輸、傳遞、裝配過程都應采取相(xiang)(xiang)應的措施(shi)，避免引入損(sun)傷。濕(shi)(shi)度(du)(du)(du)敏感(gan)(gan)度(du)(du)(du)等(deng)(deng)級(ji)決(jue)定了器(qi)件(jian)(jian)可以暴露在(zai)潮濕(shi)(shi)中的時間。

    濕度敏感(gan)度試驗(yan)適(shi)用于所有的表面貼裝器(qi)件，包括 PBGAs、SOICs、PLCCs、TQFPs、PQFPs、RQFPs、TSOPs、soJs等。

為了進行濕度(du)敏感度(du)等級評價，Altera推薦采用100%對流(liu)回(hui)流(liu)系統(tong)以滿足(zu)J-STD-020A標準所要(yao)求(qiu)的回(hui)流(liu)焊(han)剖面。

    在試(shi)驗中，對于(yu)小、薄(bo)尺寸器(qi)件，由(you)于(yu)回流(liu)(liu)過(guo)程中為(wei)了滿足大器(qi)件回流(liu)(liu)要求，小器(qi)件體溫度(du)將超過(guo)220℃以上的溫度(du)，為(wei)了補償這一差異，小尺寸封裝器(qi)件要求耐(nai)受235℃溫度(du)。表2給出小尺寸器(qi)件回流(liu)(liu)條(tiao)件。

    試驗過程中器件達到試驗溫(wen)度的速率也會影(ying)響(xiang)封(feng)裝可(ke)靠性(xing)，表3給出兩種(zhong)典型的對流(liu)(liu)(liu)回(hui)流(liu)(liu)(liu)技術(完全對流(liu)(liu)(liu)和R對流(liu)(liu)(liu))的回(hui)流(liu)(liu)(liu)剖面。

    如果器(qi)件通(tong)過(guo)Ⅰ級(ji)濕(shi)度(du)敏(min)感(gan)(gan)度(du)試(shi)驗，那(nei)么(me)可以認(ren)為該(gai)器(qi)件是非濕(shi)度(du)敏(min)感(gan)(gan)性器(qi)件，不需要干(gan)燥包(bao)裝(zhuang)(zhuang)。如果器(qi)件僅(jin)僅(jin)通(tong)過(guo)6級(ji)濕(shi)度(du)敏(min)感(gan)(gan)度(du)試(shi)驗，說明(ming)該(gai)器(qi)件是極度(du)濕(shi)度(du)敏(min)感(gan)(gan)器(qi)件，僅(jin)僅(jin)干(gan)燥包(bao)裝(zhuang)(zhuang)不足以提(ti)供應有的保護，必須在裝(zhuang)(zhuang)配前(qian)采取烘焙等措施。

    4、溫度循環試驗

    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)循環試驗(yan)還可以暴露由不(bu)(bu)同(tong)(tong)材(cai)料(liao)組成的(de)(de)封裝(zhuang)(zhuang)的(de)(de)缺陷。器(qi)件的(de)(de)封裝(zhuang)(zhuang)包(bao)含(han)有不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)材(cai)料(liao)，當(dang)(dang)封裝(zhuang)(zhuang)經歷不(bu)(bu)同(tong)(tong)的(de)(de)極限溫(wen)度(du)時(shi)(shi)，由于其溫(wen)度(du)系(xi)數(shu)存在差異膨脹和收(shou)縮的(de)(de)速率各(ge)不(bu)(bu)相同(tong)(tong)，圖(tu)2給(gei)出了圖(tu)⒉給(gei)出不(bu)(bu)同(tong)(tong)溫(wen)度(du)系(xi)數(shu)材(cai)料(liao)受熱膨脹的(de)(de)差異。當(dang)(dang)兩(liang)種(zhong)材(cai)料(liao)緊密接(jie)觸時(shi)(shi)，膨脹表現為兩(liang)種(zhong)材(cai)料(liao)膨脹的(de)(de)合成，即兩(liang)種(zhong)材(cai)料(liao)擴展了同(tong)(tong)樣(yang)(yang)的(de)(de)長度(du)，對材(cai)料(liao)1來說引入了額外(wai)的(de)(de)應(ying)(ying)力(li)。當(dang)(dang)材(cai)料(liao)經受低(di)溫(wen)收(shou)縮時(shi)(shi)情(qing)況也一樣(yang)(yang)。這樣(yang)(yang)在材(cai)料(liao)的(de)(de)接(jie)觸部(bu)位就(jiu)會(hui)(hui)產生剪應(ying)(ying)力(li)，當(dang)(dang)器(qi)件快速進(jin)行(xing)高(gao)低(di)溫(wen)沖擊時(shi)(shi)，接(jie)觸部(bu)位的(de)(de)剪應(ying)(ying)力(li)有壓應(ying)(ying)力(li)到張應(ying)(ying)力(li)往復變化，如果(guo)溫(wen)度(du)極限應(ying)(ying)力(li)足夠強，材(cai)料(liao)就(jiu)會(hui)(hui)發生裂紋或位移，從而造成器(qi)件金(jin)屬(shu)(shu)引線和金(jin)屬(shu)(shu)化層(ceng)發生位移。如圖(tu)3。

    這種剪應(ying)力集中的(de)地方(fang)在芯片的(de)四(si)角(jiao)上，尤其是面(mian)積比較大的(de)芯片更要(yao)注意。封裝的(de)裂縫會向下延伸(shen)到器件，以至于(yu)造(zao)成鈍(dun)化層(ceng)下面(mian)的(de)金(jin)屬(shu)化層(ceng)和(he)多晶硅層(ceng)斷裂。金(jin)屬(shu)引線的(de)位(wei)移會造(zao)成漏洞甚至短路。
 ;   為了(le)避(bi)免這種失效(xiao)的發生，應按JESD22-A 104-A，對照表4分級對器件進(jin)行溫度循環試驗考察。

    5、濕度偏置試驗

 ;   評價(jia)器(qi)件(jian)在潮濕(shi)(shi)環境(jing)下的可(ke)靠性(xing)可(ke)以進(jin)行穩態溫(wen)度(du)(du)濕(shi)(shi)度(du)(du)偏(pian)置壽命試(shi)驗(JESD22A-101-B)，該試(shi)驗方法采(cai)用溫(wen)度(du)(du)、濕(shi)(shi)度(du)(du)和電應(ying)力來加速潮氣進(jin)入器(qi)件(jian)封裝。試(shi)驗在85℃和 85%RH條件(jian)下進(jin)行。這種試(shi)驗方法不能暴露器(qi)件(jian)封裝組合材料或(huo)封裝裝配缺陷(xian)。
    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(cai)用兩種偏置方式：連續偏置和周期性偏置。
    連續(xu)偏(pian)置(zhi)(zhi)下直流偏(pian)置(zhi)(zhi)被連續(xu)地加到器(qi)件上。當器(qi)件溫(wen)(wen)度高(gao)于腔體環境溫(wen)(wen)度10℃以內(nei)，或(huo)當器(qi)件耗散功(gong)率(lv)(lv)低于200mW，連續(xu)偏(pian)置(zhi)(zhi)比(bi)周(zhou)期性偏(pian)置(zhi)(zhi)更嚴酷。當器(qi)件的(de)耗散功(gong)率(lv)(lv)高(gao)于200mW，必須重新計算芯片(pian)的(de)溫(wen)(wen)度，即功(gong)率(lv)(lv)×熱阻，如果計算出來的(de)結果高(gao)于試驗規范(fan)5℃以上，則應采(cai)用周(zhou)期性偏(pian)置(zhi)(zhi)。
    對(dui)于(yu)(yu)周(zhou)期(qi)性(xing)偏(pian)置(zhi)(zhi)(zhi)，直(zhi)流電壓(ya)以(yi)一定的頻率和(he)占空比被間歇地加到器(qi)件(jian)(jian)上。對(dui)于(yu)(yu)一個(ge)特定器(qi)件(jian)(jian)如(ru)果偏(pian)置(zhi)(zhi)(zhi)引入的溫(wen)升高于(yu)(yu)腔體(ti)環(huan)境溫(wen)度10℃以(yi)上，周(zhou)期(qi)性(xing)偏(pian)置(zhi)(zhi)(zhi)比連(lian)續偏(pian)置(zhi)(zhi)(zhi)更(geng)嚴酷。在周(zhou)期(qi)性(xing)偏(pian)置(zhi)(zhi)(zhi)電關斷期(qi)間潮(chao)氣聚(ju)積(ji)在芯片(pian)上。對(dui)于(yu)(yu)多數器(qi)件(jian)(jian)來說周(zhou)期(qi)性(xing)偏(pian)置(zhi)(zhi)(zhi)通(tong)常采用1小(xiao)時通(tong)1小(xiao)時斷的方式。

    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(zhi)試(shi)(shi)驗(yan)的一樣，但Vcc采用條(tiao)件(jian)(jian)。由于HAST試(shi)(shi)驗(yan)腔體條(tiao)件(jian)(jian)很嚴酷，試(shi)(shi)驗(yan)用的老化板必須經過特殊設計。

    7、高壓(ya)蒸(zheng)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(jian)如(ru)表5。

    高壓蒸煮試驗主(zhu)要(yao)暴露器(qi)件相關的四(si)類失(shi)效：
    其一(yi)、焊(han)盤、金屬化腐蝕性失效。高壓蒸煮試驗中(zhong)高氣壓將水蒸氣通過(guo)封裝壓到器件中(zhong)，直(zhi)至器件表面，對于鍵(jian)合(he)焊(han)盤和(he)鈍化層(ceng)有(you)缺陷的金屬化層(ceng)將產生(sheng)腐蝕作用。
    其(qi)二，浮(fu)柵漏電(dian)失效(xiao)。對于(yu)一(yi)些非(fei)揮發(fa)性(xing)器(qi)件(jian)如閃存和EEPROM，在浮(fu)柵存有電(dian)荷，如果潮氣(qi)通過鈍化層(ceng)到達浮(fu)柵，很(hen)快就會將(jiang)浮(fu)柵上存儲(chu)的(de)電(dian)荷泄漏掉，造成器(qi)件(jian)失效(xiao)。
    其三，鉛(qian)錫(xi)遷移導致漏電失(shi)效。器(qi)件(jian)在封裝工(gong)藝中清洗失(shi)當，在潮(chao)熱(re)環境下鉛(qian)錫(xi)會生長(chang)出數狀須來，造(zao)成引線之(zhi)間漏電甚(shen)至短路。
    其四，封裝(zhuang)外部損(sun)傷。

    8、結論

    利用(yong)上述試驗考(kao)核、評價(jia)塑封(feng)器(qi)(qi)件的(de)(de)(de)(de)(de)可(ke)靠(kao)性(xing)，并通過(guo)持續改進封(feng)裝(zhuang)可(ke)靠(kao)性(xing)和降(jiang)低現(xian)場使用(yong)失效率(lv)，從(cong)而保證(zheng)終(zhong)用(yong)戶的(de)(de)(de)(de)(de)產品(pin)可(ke)靠(kao)性(xing)需求。上述試驗方法都(dou)是極(ji)限應力條件下的(de)(de)(de)(de)(de)加速退化試驗，目的(de)(de)(de)(de)(de)是揭示設計和工藝引(yin)入的(de)(de)(de)(de)(de)缺陷，以及(ji)塑封(feng)器(qi)(qi)件可(ke)能發生的(de)(de)(de)(de)(de)退化機理(li)。這(zhe)些信息對于塑封(feng)器(qi)(qi)件的(de)(de)(de)(de)(de)傳遞、裝(zhuang)配、分類和儲存都(dou)具有指導作用(yong)。

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