1、引言

    塑封是目前廣泛被使（shǐ）用的器件封裝形式，是一種非密封性封（fēng）裝，其主要特（tè）點是重量輕、尺寸小、成本低，但散熱差、易吸潮。隨著塑封（fēng）器件尤其是塑封微（wēi）電路越來（lái）越廣泛的應用，塑封（fēng）微電路在軍用領域的應用也逐步增多。對於塑封器件可靠性，應在（zài）滿（mǎn）足（zú）常規（guī）可靠性試驗要求的基（jī）礎上，針對塑（sù）封特點和一些可（kě）能的失效模式、失效機理，進行一些特殊的試驗。
    本文介紹了塑封器件可靠性與試驗方（fāng）法，包括（kuò）：
    ●濕度（dù）敏感度試驗
    ●溫度循環
    ●濕度偏置試驗HAST試驗
    ●高壓蒸（zhēng）煮試驗

    2、標準

    美國EIA(Electronic industries Association)和JEDEC(Joint Electron Device EngineeringCouncil)針對塑封器件的（de）可（kě）靠性及相關試驗要求製（zhì）定了相應的標準，如圖1。對於所有的塑封器件均要滿足JESD47標準要求，JESD47包括一些一（yī）般試驗要求(如環境應力試驗、電應力試驗、非破壞性物理試驗和破壞性物理試驗等)、特殊試驗要求(ESD、Latch-up等)、磨損可靠性試（shì）驗要求(電遷移EM、與時間有關的擊穿TDDB、熱載流子注入HCI等)和可燃（rán）性試驗要求，根據器（qì）件封裝特點及可靠性要求可適（shì）當選擇試驗方法。尤其是對一種新技術、新（xīn）工藝或新產品時。
    J-STD-020A濕度敏感度試驗對（duì）表（biǎo）貼器件（jiàn）濕度敏感度進行等級評定，其它兒（ér）個標準則具體針對溫循、穩態溫濕（shī）度壽命試驗、高加速應力試（shì）驗(HAST)、高壓蒸煮等試（shì）驗提供試驗方法。

    3．濕度敏感（gǎn）度等級評價

    濕度敏感度是塑封表麵貼裝(SMDs)器（qì）件的一個（gè）重要指標。當（dāng）塑封器件吸收了潮氣後，在回流焊高溫工藝（yì）中（zhōng）潮氣迅速被汽化體積膨脹，從而造成封裝（zhuāng）分（fèn）層、內部裂紋、鍵合損傷、引線斷、芯片位移、鈍化層裂紋等，甚至封裝內發出爆裂的聲（shēng）響，就是常說的“爆米花”效應。

    濕度（dù）敏感度等級評價（jià）試驗是為了定級器件對濕度（dù）應力的敏感性，試驗後器件的外包封上被打（dǎ）上相應的敏感度等級，根（gēn）據器件濕度敏感度等級，在器件包裝、儲存、運輸、傳遞、裝（zhuāng）配過程都應采取相應的措施，避免引入損傷。濕度敏感度等級決定了器件可以暴露在潮濕中的時間。

    濕度敏感度試驗適用於所有的表麵貼裝器件，包括 PBGAs、SOICs、PLCCs、TQFPs、PQFPs、RQFPs、TSOPs、soJs等。

為了進行濕（shī）度敏感度等級評價，Altera推薦采用100%對流（liú）回流係統以滿足J-STD-020A標準所要求的回流（liú）焊剖麵。

    在試驗中，對於小、薄（báo）尺寸（cùn）器件，由於回流過程中為了滿足大器（qì）件回流要求，小器件體溫度將超過220℃以（yǐ）上的溫度，為了補償這一差異，小尺寸封裝器件要求耐受（shòu）235℃溫（wēn）度。表2給出小（xiǎo）尺寸器件回流條（tiáo）件。

    試驗過程中器（qì）件達到試（shì）驗溫度（dù）的速率也會影響封裝（zhuāng）可靠（kào）性，表3給出兩種典型的對流回流技術(完全對流和R對流)的回流剖麵。

    如果器件通過Ⅰ級濕度敏（mǐn）感度試驗，那麽可以認為（wéi）該器件是非濕度敏感性器件，不需要幹燥包裝。如（rú）果器件僅僅通過6級濕度敏感度試驗，說明該（gāi）器件是極度濕度敏感器（qì）件，僅僅幹燥包裝不足以提供應有的保護，必須在裝配前采取烘焙等措（cuò）施。

    4、溫度循環（huán）試驗

    溫度循環試驗主要是考察塑封器（qì）件對高（gāo）低溫的耐受（shòu）能力（lì）。試驗後器件不應有明顯的損傷，如裂紋（wén）、碎裂或斷裂（liè）。表4給出溫度循（xún）環試驗等（děng）級。

    溫度循環試驗還可以暴露由不同材料組成的封裝的缺陷（xiàn）。器件的封（fēng）裝包含有不同的材料，當封裝經（jīng）曆不同的極限溫度時，由於其溫度係數（shù）存在差異膨脹（zhàng）和收（shōu）縮的速率（lǜ）各不相（xiàng）同，圖2給出了（le）圖⒉給出不同溫度係數材料受熱膨脹的差異。當兩種材料緊（jǐn）密接觸時，膨脹表現為兩種材料（liào）膨脹的合成（chéng），即兩種材料擴展了同樣的長度，對材料1來（lái）說引（yǐn）入了額（é）外的應力。當材料經受低溫收縮時情況也一樣。這樣在材料的接觸部位就會產生剪應力，當器件快速（sù）進行高低溫衝擊時，接觸部（bù）位的（de）剪（jiǎn）應力有壓應力到張應力往複變化，如果溫度極限應力足夠強，材料就會發生裂紋（wén）或位移，從而造成器件金屬引線和金屬化層發生位移。如圖3。

    這種剪應力集中的地方在芯片的四角上，尤其是麵積比較大的芯片更要注意（yì）。封裝的裂縫會向下延伸到器件，以至於造成鈍化層下（xià）麵的金（jīn）屬化層和多（duō）晶矽層斷（duàn）裂。金屬引線的位移會造成漏洞甚至短路。
    為（wéi）了避免這種失（shī）效的發生，應按JESD22-A 104-A，對照表4分級對（duì）器件進行溫度循環試驗考察。

    5、濕度（dù）偏置試驗

    評（píng）價器件在潮濕環境下的可（kě）靠性可以進（jìn）行穩態溫（wēn）度濕度偏置壽命試驗(JESD22A-101-B)，該試驗方法采用溫度、濕度和電應力來加速潮氣進入器件（jiàn）封裝。試驗在85℃和 85%RH條件下（xià）進行。這種試驗方法不能暴露器件封裝組合材料（liào）或封裝裝（zhuāng）配缺陷。
    試驗在高（gāo）低溫交變濕熱試驗箱中進行以提供（gòng）適當的溫度和相對濕度，同時還要提（tí）供必要的電（diàn）連（lián）接以實（shí）現加偏置（zhì）。試驗（yàn）是在極限應力條件下進行。
    在試驗中采用兩種偏置方式：連續偏置和周期性偏置。
    連續偏置下直流偏置被連續地加到（dào）器件（jiàn）上。當器件溫度高於腔體環（huán）境（jìng）溫度10℃以內，或當器件耗（hào）散功率低於200mW，連續偏置比（bǐ）周（zhōu）期（qī）性（xìng）偏置更嚴（yán）酷。當（dāng）器件的耗散功率高於200mW，必須（xū）重新計算芯片的溫度，即功率（lǜ）×熱阻，如果計算出（chū）來的結果高於（yú）試驗規範5℃以（yǐ）上，則應采用（yòng）周期（qī）性偏置。
    對於周期性偏（piān）置，直流電（diàn）壓以一定（dìng）的頻率和占（zhàn）空（kōng）比被間歇地加到器件上。對於一個特定器件如（rú）果（guǒ）偏置引入的溫升高於腔體環境溫度10℃以上，周期（qī）性偏置比連續偏置更嚴酷。在周期性偏（piān）置電關斷期（qī）間潮氣聚積在芯（xīn）片上。對於多數器件來說周期性偏置通常采用1小時通1小時斷的方式。

    6、HAST 試驗

    同樣采用高加（jiā）速應力試驗(HAST)來評價器件（jiàn）在潮濕環境下的可靠性(JESD22-A110-A)。與濕度（dù）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（huà）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（cái）料與引線之間（jiān）的缺陷。
    HAST中的（de）電應力同濕度偏置試驗的一樣，但Vcc采用條件。由於HAST試驗腔（qiāng）體條件很嚴酷，試驗用的老化板必（bì）須經過特殊設（shè）計。

    7、高壓蒸煮（zhǔ）試驗

    高壓蒸煮試驗是（shì）評價非密封器件抗潮濕能力（lì）的（de）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（shì）驗箱，來加劇（jù）潮氣從外部通過封裝（zhuāng）材料、金屬引腳邊緣（yuán）進入芯片表麵。JESD22-A102-B對試驗進行了詳細的規定。

    試驗條件如表5。

    高壓蒸煮試驗主要暴露器件（jiàn）相關的（de）四類失效：
    其一、焊盤（pán）、金屬化（huà）腐蝕性失效。高壓蒸煮試驗中高氣壓將水蒸（zhēng）氣通過封裝壓到（dào）器件中（zhōng），直至器（qì）件表麵，對於鍵合焊盤和鈍化層有缺陷的金屬化層將產生腐蝕作用。
    其二，浮柵漏電失效。對於一些非揮發性器件如閃存和（hé）EEPROM，在浮柵存有（yǒu）電荷（hé），如果潮氣（qì）通過鈍化層到達浮柵，很快就會將浮柵上存儲的電荷泄漏掉，造成器件失效。
    其（qí）三，鉛錫遷移（yí）導致漏電失（shī）效。器件在封裝工藝中清洗失當，在潮熱（rè）環（huán）境下鉛錫會（huì）生長出數（shù）狀須來（lái），造成引線之間漏電甚（shèn）至（zhì）短路。
    其四，封裝外部損傷。

    8、結論

    利用（yòng）上述試驗考核、評價塑封器件的可靠性，並通過持續改進封裝可靠（kào）性和降低現（xiàn）場使用失效率，從而保證終用戶的產（chǎn）品可靠性需求。上述試驗方法都是極限應（yīng）力條件（jiàn）下的加速退化試驗，目的是（shì）揭示設計和工藝（yì）引入（rù）的缺陷，以及塑封器件可能發生的退化機（jī）理。這些信息對（duì）於（yú）塑封器件的傳遞、裝配（pèi）、分類和儲存都具有指（zhǐ）導作（zuò）用。

信息（xī）產業（yè）部（bù）電子第五研究所

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