塑封器件需要做哪些可靠性試驗(yàn)？

作者：網(wǎng)絡(luò) 編輯：瑞凱儀器來(lái)源：網(wǎng)絡(luò) 發(fā)布日期： 2021.07.29

1、引言

    塑封是目前廣泛被使用的器件封裝形式，是一種非密封性封裝，其主要特點(diǎn)是重量輕、尺寸小、成本低，但散熱差、易吸潮。隨著塑封器件尤其是塑封微電路越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，塑封微電路在軍用領(lǐng)域的應(yīng)用也逐步增多。對(duì)于塑封器件可靠性，應(yīng)在滿足常規(guī)可靠性試驗(yàn)要求的基礎(chǔ)上，針對(duì)塑封特點(diǎn)和一些可能的失效模式、失效機(jī)理，進(jìn)行一些特殊的試驗(yàn)。
    本文介紹了塑封器件可靠性與試驗(yàn)方法，包括：
    ●濕度敏感度試驗(yàn)
    ●溫度循環(huán)
    ●濕度偏置試驗(yàn)HAST試驗(yàn)
    ●高壓蒸煮試驗(yàn)

2、標(biāo)準(zhǔn)

美國(guó)EIA(Electronic industries Association)和JEDEC(Joint Electron Device EngineeringCouncil)針對(duì)塑封器件的可靠性及相關(guān)試驗(yàn)要求制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，如圖1。對(duì)于所有的塑封器件均要滿足JESD47標(biāo)準(zhǔn)要求，JESD47包括一些一般試驗(yàn)要求(如環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)、電應(yīng)力試驗(yàn)、非破壞性物理試驗(yàn)和破壞性物理試驗(yàn)等)、特殊試驗(yàn)要求(ESD、Latch-up等)、磨損可靠性試驗(yàn)要求(電遷移EM、與時(shí)間有關(guān)的擊穿TDDB、熱載流子注入HCI等)和可燃性試驗(yàn)要求，根據(jù)器件封裝特點(diǎn)及可靠性要求可適當(dāng)選擇試驗(yàn)方法。尤其是對(duì)一種新技術(shù)、新工藝或新產(chǎn)品時(shí)。
J-STD-020A濕度敏感度試驗(yàn)對(duì)表貼器件濕度敏感度進(jìn)行等級(jí)評(píng)定，其它兒個(gè)標(biāo)準(zhǔn)則具體針對(duì)溫循、穩(wěn)態(tài)溫濕度壽命試驗(yàn)、高加速應(yīng)力試驗(yàn)(HAST)、高壓蒸煮等試驗(yàn)提供試驗(yàn)方法。

3．濕度敏感度等級(jí)評(píng)價(jià)

濕度敏感度是塑封表面貼裝(SMDs)器件的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)塑封器件吸收了潮氣后，在回流焊高溫工藝中潮氣迅速被汽化體積膨脹，從而造成封裝分層、內(nèi)部裂紋、鍵合損傷、引線斷、芯片位移、鈍化層裂紋等，甚至封裝內(nèi)發(fā)出爆裂的聲響，就是常說(shuō)的“爆米花”效應(yīng)。

濕度敏感度等級(jí)評(píng)價(jià)試驗(yàn)是為了定級(jí)器件對(duì)濕度應(yīng)力的敏感性，試驗(yàn)后器件的外包封上被打上相應(yīng)的敏感度等級(jí)，根據(jù)器件濕度敏感度等級(jí)，在器件包裝、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、傳遞、裝配過(guò)程都應(yīng)采取相應(yīng)的措施，避免引入損傷。濕度敏感度等級(jí)決定了器件可以暴露在潮濕中的時(shí)間。

濕度敏感度試驗(yàn)適用于所有的表面貼裝器件，包括 PBGAs、SOICs、PLCCs、TQFPs、PQFPs、RQFPs、TSOPs、soJs等。

為了進(jìn)行濕度敏感度等級(jí)評(píng)價(jià)，Altera推薦采用100%對(duì)流回流系統(tǒng)以滿足J-STD-020A標(biāo)準(zhǔn)所要求的回流焊剖面。

在試驗(yàn)中，對(duì)于小、薄尺寸器件，由于回流過(guò)程中為了滿足大器件回流要求，小器件體溫度將超過(guò)220℃以上的溫度，為了補(bǔ)償這一差異，小尺寸封裝器件要求耐受235℃溫度。表2給出小尺寸器件回流條件。

試驗(yàn)過(guò)程中器件達(dá)到試驗(yàn)溫度的速率也會(huì)影響封裝可靠性，表3給出兩種典型的對(duì)流回流技術(shù)(完全對(duì)流和R對(duì)流)的回流剖面。

如果器件通過(guò)Ⅰ級(jí)濕度敏感度試驗(yàn)，那么可以認(rèn)為該器件是非濕度敏感性器件，不需要干燥包裝。如果器件僅僅通過(guò)6級(jí)濕度敏感度試驗(yàn)，說(shuō)明該器件是極度濕度敏感器件，僅僅干燥包裝不足以提供應(yīng)有的保護(hù)，必須在裝配前采取烘焙等措施。

4、溫度循環(huán)試驗(yàn)

溫度循環(huán)試驗(yàn)主要是考察塑封器件對(duì)高低溫的耐受能力。試驗(yàn)后器件不應(yīng)有明顯的損傷，如裂紋、碎裂或斷裂。表4給出溫度循環(huán)試驗(yàn)等級(jí)。

溫度循環(huán)試驗(yàn)還可以暴露由不同材料組成的封裝的缺陷。器件的封裝包含有不同的材料，當(dāng)封裝經(jīng)歷不同的極限溫度時(shí)，由于其溫度系數(shù)存在差異膨脹和收縮的速率各不相同，圖2給出了圖⒉給出不同溫度系數(shù)材料受熱膨脹的差異。當(dāng)兩種材料緊密接觸時(shí)，膨脹表現(xiàn)為兩種材料膨脹的合成，即兩種材料擴(kuò)展了同樣的長(zhǎng)度，對(duì)材料1來(lái)說(shuō)引入了額外的應(yīng)力。當(dāng)材料經(jīng)受低溫收縮時(shí)情況也一樣。這樣在材料的接觸部位就會(huì)產(chǎn)生剪應(yīng)力，當(dāng)器件快速進(jìn)行高低溫沖擊時(shí)，接觸部位的剪應(yīng)力有壓應(yīng)力到張應(yīng)力往復(fù)變化，如果溫度極限應(yīng)力足夠強(qiáng)，材料就會(huì)發(fā)生裂紋或位移，從而造成器件金屬引線和金屬化層發(fā)生位移。如圖3。

這種剪應(yīng)力集中的地方在芯片的四角上，尤其是面積比較大的芯片更要注意。封裝的裂縫會(huì)向下延伸到器件，以至于造成鈍化層下面的金屬化層和多晶硅層斷裂。金屬引線的位移會(huì)造成漏洞甚至短路。
為了避免這種失效的發(fā)生，應(yīng)按JESD22-A 104-A，對(duì)照表4分級(jí)對(duì)器件進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)考察。

5、濕度偏置試驗(yàn)

    評(píng)價(jià)器件在潮濕環(huán)境下的可靠性可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度濕度偏置壽命試驗(yàn)(JESD22A-101-B)，該試驗(yàn)方法采用溫度、濕度和電應(yīng)力來(lái)加速潮氣進(jìn)入器件封裝。試驗(yàn)在85℃和 85%RH條件下進(jìn)行。這種試驗(yàn)方法不能暴露器件封裝組合材料或封裝裝配缺陷。
    試驗(yàn)在高低溫交變濕熱試驗(yàn)箱中進(jìn)行以提供適當(dāng)?shù)臏囟群拖鄬?duì)濕度，同時(shí)還要提供必要的電連接以實(shí)現(xiàn)加偏置。試驗(yàn)是在極限應(yīng)力條件下進(jìn)行。
    在試驗(yàn)中采用兩種偏置方式：連續(xù)偏置和周期性偏置。
    連續(xù)偏置下直流偏置被連續(xù)地加到器件上。當(dāng)器件溫度高于腔體環(huán)境溫度10℃以內(nèi)，或當(dāng)器件耗散功率低于200mW，連續(xù)偏置比周期性偏置更嚴(yán)酷。當(dāng)器件的耗散功率高于200mW，必須重新計(jì)算芯片的溫度，即功率×熱阻，如果計(jì)算出來(lái)的結(jié)果高于試驗(yàn)規(guī)范5℃以上，則應(yīng)采用周期性偏置。
    對(duì)于周期性偏置，直流電壓以一定的頻率和占空比被間歇地加到器件上。對(duì)于一個(gè)特定器件如果偏置引入的溫升高于腔體環(huán)境溫度10℃以上，周期性偏置比連續(xù)偏置更嚴(yán)酷。在周期性偏置電關(guān)斷期間潮氣聚積在芯片上。對(duì)于多數(shù)器件來(lái)說(shuō)周期性偏置通常采用1小時(shí)通1小時(shí)斷的方式。

6、HAST 試驗(yàn)

同樣采用高加速應(yīng)力試驗(yàn)(HAST)來(lái)評(píng)價(jià)器件在潮濕環(huán)境下的可靠性(JESD22-A110-A)。與濕度偏置試驗(yàn)相同，HAST試驗(yàn)箱也采用電應(yīng)力、高溫和高濕應(yīng)力的組合應(yīng)力形式，加速退化失效。在偏置應(yīng)力下試驗(yàn)的環(huán)境條件是130℃和85%RH。HAST試驗(yàn)?zāi)軌蚪沂痉庋b材料、密封性以及封裝材料與引線之間的缺陷。
HAST中的電應(yīng)力同濕度偏置試驗(yàn)的一樣，但Vcc采用條件。由于HAST試驗(yàn)腔體條件很嚴(yán)酷，試驗(yàn)用的老化板必須經(jīng)過(guò)特殊設(shè)計(jì)。

7、高壓蒸煮試驗(yàn)

高壓蒸煮試驗(yàn)是評(píng)價(jià)非密封器件抗潮濕能力的一種加速應(yīng)力試驗(yàn)，試驗(yàn)應(yīng)力采用較嚴(yán)酷的氣壓、濕度和溫度——PCT試驗(yàn)箱，來(lái)加劇潮氣從外部通過(guò)封裝材料、金屬引腳邊緣進(jìn)入芯片表面。JESD22-A102-B對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。

試驗(yàn)條件如表5。

    高壓蒸煮試驗(yàn)主要暴露器件相關(guān)的四類失效：
    其一、焊盤、金屬化腐蝕性失效。高壓蒸煮試驗(yàn)中高氣壓將水蒸氣通過(guò)封裝壓到器件中，直至器件表面，對(duì)于鍵合焊盤和鈍化層有缺陷的金屬化層將產(chǎn)生腐蝕作用。
    其二，浮柵漏電失效。對(duì)于一些非揮發(fā)性器件如閃存和EEPROM，在浮柵存有電荷，如果潮氣通過(guò)鈍化層到達(dá)浮柵，很快就會(huì)將浮柵上存儲(chǔ)的電荷泄漏掉，造成器件失效。
    其三，鉛錫遷移導(dǎo)致漏電失效。器件在封裝工藝中清洗失當(dāng)，在潮熱環(huán)境下鉛錫會(huì)生長(zhǎng)出數(shù)狀須來(lái)，造成引線之間漏電甚至短路。
    其四，封裝外部損傷。

8、結(jié)論

利用上述試驗(yàn)考核、評(píng)價(jià)塑封器件的可靠性，并通過(guò)持續(xù)改進(jìn)封裝可靠性和降低現(xiàn)場(chǎng)使用失效率，從而保證終用戶的產(chǎn)品可靠性需求。上述試驗(yàn)方法都是極限應(yīng)力條件下的加速退化試驗(yàn)，目的是揭示設(shè)計(jì)和工藝引入的缺陷，以及塑封器件可能發(fā)生的退化機(jī)理。這些信息對(duì)于塑封器件的傳遞、裝配、分類和儲(chǔ)存都具有指導(dǎo)作用。

作者：恩云飛

信息產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所

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