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(wú)法滿(mǎn)足使用要求時(shí)，設計師不得不選用塑封元器件，且軍 用塑封器件多是來(lái)自國外進(jìn)口。航空航天等高可靠領(lǐng)域對塑封器件的使用日益廣泛，但尚缺乏統一的標準規范指導選用，用戶(hù)單位需要根據塑封器件常見(jiàn)的故障模式和失效機理，采用X光、聲掃、高溫高壓蒸煮試驗以及老煉篩選等手段，評價(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。武器系統朝著(zhù)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(mǎn)足要求，隨著(zhù)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(wèn)題。本文介紹了塑封元器件的故障模式和機理，研究采用針對性的可靠性評價(jià)技術(shù)（鑒定試驗），以提高用戶(hù)在高可靠領(lǐng)域使用塑封器件的信心。

1 塑封料與引線(xiàn)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合材料，主要由一種高分子熱固性樹(shù)脂所組成，其中包括多種有機成分和無(wú)機成分。塑封料的基本構成包括：

聚合物：主要作用是無(wú)機物和有機物的橋梁；

催化劑：主要作用是加快交聯(lián)反應速度；

填充劑：主要作用是提高物理性能，降低膨脹系數、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(xiàn)框架的基本性質(zhì)

引線(xiàn)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)現器件功能與印制板金屬介質(zhì)的互通，目前市場(chǎng)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(xiàn)導線(xiàn)框架，表面鍍銅，銅的特點(diǎn)為導電性與導熱度都極 佳。

在工程應用中，一方面應盡量尋找膨脹系數接近的引線(xiàn)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(lái)消除溫度變化過(guò)程中不同材料之間產(chǎn)生的不平衡應力。

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。對于塑封元器件在高可靠領(lǐng)域的應用，必須考慮其溫度范圍。并且，塑封器件相對于陶封、金封器件，散熱性能較差，這也是需要充分考慮，降額設計的關(guān)鍵因素。

由于軍 用塑封器件相比民用產(chǎn)品要經(jīng)歷更為嚴苛的環(huán)境條件，比如機械振動(dòng)、低氣壓、高低溫差、鹽霧、砂塵、輻照等，其中嚴酷溫差的變化引起的熱脹冷縮效應，導致器件內部結構之間產(chǎn)生內部應力。內部應力作用在塑封器件的管芯、引線(xiàn)框架、引線(xiàn)及塑封材料等結構處，可能在薄弱環(huán)節處產(chǎn)生裂紋、變形、拉扯、扭曲等可靠性問(wèn)題，尤其容易造成鍵合引線(xiàn)的斷裂；如果支撐管芯的框架因為內部應力而產(chǎn)生裂紋，將導致器件散熱性能下降，對管芯造成損傷，影響器件的長(cháng)期使用可靠性等。

■ 2.2 潮氣入侵失效

一系列文獻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(xiàn)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果。

潮氣的侵入往往伴隨著(zhù)雜質(zhì)離子的污染，這是導致塑封器件失效的重要因素，隨著(zhù)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。

潮氣入侵嚴重威脅塑封元器件的可靠性，通過(guò)HAST（高加速應力試驗）試驗發(fā)現，潮氣入侵塑封元器件內部出現的故障模式主要有以下三種：

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

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

(3) 第 三種是芯片開(kāi)裂，芯片結構遭到破壞，極可能引發(fā)功能失效。

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

■ 2.3 內部分層失效

塑封體的分層主要由于內應力造成 , 內部分層將導致鈍化層開(kāi)裂、管芯開(kāi)裂、電路鍵合

性能退化等現象，是導致電路失效的重要原因。內應力產(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(guò)程，在這個(gè)過(guò)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不一致所產(chǎn)生的應力，當不同部位的應力差達到一

定值，將造成器件損傷。

不同材料擁有不同的熱膨脹系數，因此溫度變化條件下，不可避免的會(huì )產(chǎn)生內部應力，當內部應力足夠大時(shí)有可能在薄弱環(huán)節產(chǎn)生裂紋、變形等可靠性問(wèn)題，內部水分和雜質(zhì)離子的不斷積累，容易造成塑封元器件內部電化學(xué)腐蝕，對塑封器件的長(cháng)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(lái)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，持續時(shí)間在 5~40s 左右。濕氣容易在塑封料和引線(xiàn)框架結合不好處擴散，焊接期間的高溫將會(huì )使水汽變成高壓蒸汽，造成塑封器件內部產(chǎn)生應力導致開(kāi)裂，從而引發(fā)“爆米花現象”。

3 相關(guān)標準及指南

■ 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，該指南對塑封器件的選擇和使用給出了指導性建議，需要強調的是該文件不是標準，而是指導使用方降低塑封器件使用風(fēng)險的指南。選擇塑封器件是基于其功能優(yōu)勢和可用性，而不是為了節省成本，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。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) 對塑封器件制造商的專(zhuān)有設計、材料、芯片的追溯以及生產(chǎn)工藝和程序了解不足；

(2) 沒(méi)有權威機構對塑封器件的產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行監督，制造商內部建立的可靠性保障體系沒(méi)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(méi)有評估。

要嚴格控制塑封器件的來(lái)源，塑封器件市場(chǎng)魚(yú)龍混雜，良莠不齊，要選用來(lái)源正規的生產(chǎn)廠(chǎng)家，杜絕假冒偽劣塑封產(chǎn)品；其次還需要對塑封器件進(jìn)行全 面測試和老煉篩選試驗，以剔除早期失效，并在鑒定中進(jìn)行全參數電測試、環(huán)境適應性試驗、封裝特性評價(jià)試驗、穩態(tài)壽命試驗等來(lái)評估塑封器件的質(zhì)量可靠性。

該指南指出通過(guò)篩選和鑒定試驗，對具體的熱、機械和輻射影響進(jìn)行全 面評估，增加了未知可靠性的塑封器件應用在高可靠領(lǐng)域用戶(hù)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(wú)替代產(chǎn)品、項目愿意接受高風(fēng)險的前提下選用。

該指南提出塑封元器件典型鑒定試驗流程如圖 1 所示。

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

■ 3.2 GJB 7400-2011《合格制造廠(chǎng)認證用半導體集成電路通用規范》

國內塑封半導體集成電路鑒定檢驗主要依據 GJB 7400-2011《合格制造廠(chǎng)認證用半導體集成電路通用規范》進(jìn)行，標準包括了器件應滿(mǎn)足的質(zhì)量和可靠性保證要求，并規定了塑封半導體器件質(zhì)量保證等級：N 級。

GJB 7400-2011 中 4.4 節鑒定檢驗中描述“鑒定檢驗應按附錄 B 中 B.2.4.2 和 B2.4.3 的規定進(jìn)行”，但附錄 B 中并無(wú)相應條款，國內大多數單位按規范“表 6 塑封 QML 器件 D 組檢驗”來(lái)完成塑封器件的鑒定考核，作者認為 D 組項目中zui為核心的為 D3 和 D4 分組試驗項目，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目及條件比 PEM-INST-001 提出的鑒定項目嚴酷的多。

目前國產(chǎn)塑封器件按 N 級進(jìn)行鑒定試驗，大多數是無(wú)法通過(guò) D4a）組試驗，主要原因 4a）組中的熱沖擊和溫度循環(huán)試驗樣品 22 只是疊加進(jìn)行的，且 -65℃ ~+150℃的溫度范圍也十分嚴苛。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(kāi)裂、接觸不 良、性能變化等現象；而溫度循環(huán)側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器件的影響，當樣品經(jīng)受極端溫度循環(huán)時(shí)，塑封內部各材料熱膨脹系數不匹配，缺陷部位會(huì )受應力不斷擴大，從而導致失效。同一組樣品經(jīng)受 100次熱沖擊和 1000 次溫度循環(huán)后，大多數產(chǎn)品會(huì )失效，進(jìn)行S-CAM 檢查時(shí)，經(jīng)常會(huì )發(fā)現芯片與塑封料的大面積分層。

國內一些單位無(wú)法通過(guò) GJB 7400-2011 的 N 級考核，又苦于無(wú)其他標準指導，只能降低 N 級項目的考核要求，改變樣品分組和降低試驗條件形成所謂的 N1 級考核，典型條件如表 2 所示。

4 結束語(yǔ)

塑封器件在高可靠領(lǐng)域的應用是科技發(fā)展的必然趨勢，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 用參考標準，其提出的鑒定項目及條件過(guò)于嚴苛，個(gè)人認為不適用于實(shí)際需要，推動(dòng)塑封產(chǎn)品的應用不僅要從產(chǎn)品設計、工藝改進(jìn)著(zhù)手，還需要器件生產(chǎn)廠(chǎng)家、鑒定機構與標準化院所三方共同努力：一方面，軍 用元器件使用主機廠(chǎng)所要為器件生產(chǎn)廠(chǎng)家提供需求牽引；一方面，三方應協(xié)調溝通主動(dòng)作為，促進(jìn)具有權威且結合實(shí)際具有指導意義的標準體型的建立，為器件生產(chǎn)廠(chǎng)家和器件使用單位提供參考依據。