塑封器（qì）件需要做哪些可靠性試驗（yàn）？
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發（fā）布日期： 2021.07.29
1、引言
塑（sù）封是目前（qián）廣泛被使用的（de）器件封裝形式，是一種非密封性封裝，其主要特點是重量輕、尺寸小、成本低，但散熱差、易吸潮。隨著塑（sù）封（fēng）器件尤其是塑封微電路越來越廣泛的應用（yòng），塑封微電路在軍用（yòng）領域的應用也逐步增多。對於塑（sù）封器件可靠性，應在滿足（zú）常規可靠性試驗要求的基礎上，針對塑封特點和一些可能的失效模式、失效（xiào）機理，進行一些特殊的試驗。
本文介（jiè）紹了塑封器件可靠（kào）性（xìng）與試驗方（fāng）法，包括（kuò）：
●濕度敏感度試驗
●溫度循環
●濕度偏置試驗HAST試驗
●高壓蒸煮試驗
2、標準
美國（guó）EIA(Electronic industries Association)和JEDEC(Joint
Electron Device EngineeringCouncil)針對塑封（fēng）器件的可靠性及相關試驗要求製定（dìng）了相應的標準，如圖1。對於所有（yǒu）的塑封器件均要滿足JESD47標準要求，JESD47包括一些一般試驗要求(如環境應力試驗（yàn）、電應力（lì）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)、磨損可靠性試驗（yàn）要求(電遷移EM、與時間有關的擊穿TDDB、熱載（zǎi）流子注入HCI等)和可燃性試驗要（yào）求，根（gēn）據器（qì）件封裝特點及可靠性要求可（kě）適（shì）當（dāng）選擇試驗方法。尤其是對一種新技術（shù）、新工藝或新產品時。
J-STD-020A濕（shī）度敏感（gǎn）度試驗對表貼器件濕度敏感度進行等級評定，其它兒個標準（zhǔn）則具體針對（duì）溫循、穩態溫濕度壽命試驗、高加速應力試驗(HAST)、高壓蒸煮等試驗提供試驗方法。
3．濕度敏感度等級評價（jià）
濕度敏（mǐn）感度是塑封表麵貼裝(SMDs)器件的一個重要（yào）指標。當塑（sù）封器件吸收了（le）潮氣後，在（zài）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（céng）、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（nèi）發（fā）出（chū）爆裂的聲響，就是常說的“爆米花”效應。
濕（shī）度敏感度等級評價試驗是為（wéi）了（le）定級器（qì）件對濕（shī）度應力的敏（mǐn）感性，試驗（yàn）後器件的外包封上被打上（shàng）相應的敏感度等級，根據器件濕度敏感（gǎn）度等級，在器件（jiàn）包裝、儲存、運輸、傳遞、裝配過程都應采取（qǔ）相應的措施，避免引入損傷。濕（shī）度敏感度等級決定了器件（jiàn）可以暴（bào）露在潮濕中的時間（jiān）。
濕（shī）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。
為了進行濕度敏（mǐn）感度等級評價，Altera推（tuī）薦采用100%對流回（huí）流係統以滿足J-STD-020A標準所要求的回流焊剖麵。
在試驗中，對於小（xiǎo）、薄尺寸器件，由於回流過程中為了滿足大器件回（huí）流要求，小器件體溫度將超過220℃以上的溫度，為了補（bǔ）償這一（yī）差異，小（xiǎo）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。
試驗過程中器件達到試驗溫度的（de）速（sù）率也會影響（xiǎng）封裝可靠性，表3給出（chū）兩種典型的對流回流技術(完全對流和（hé）R對流)的回流剖麵。
如果（guǒ）器（qì）件通過Ⅰ級濕度敏感度試驗，那麽可以認為（wéi）該器件（jiàn）是非濕度敏感性器件，不需要幹燥包裝。如果器件僅（jǐn）僅通過6級濕度（dù）敏感度（dù）試驗，說明該（gāi）器（qì）件是極度濕度敏感器件，僅僅（jǐn）幹（gàn）燥包裝（zhuāng）不足以提供應（yīng）有的保護，必須在裝配前采取烘（hōng）焙等措施。
4、溫度循環試（shì）驗
溫度循環試驗主要是考察塑封器件（jiàn）對高低（dī）溫的耐受能力。試驗後器件不應有（yǒu）明顯的損傷，如裂紋、碎裂或斷裂。表4給出（chū）溫（wēn）度循環試驗等級。
溫度循環試驗還可以暴露由不同材料組成的封裝的缺陷。器件的封（fēng）裝包含有不同的材料，當封裝經曆不同的極限溫度時，由於（yú）其溫度係數存在差（chà）異膨（péng）脹和收縮的速率各不相同，圖2給出了圖⒉給出不同溫度係數材料受熱膨脹的差異（yì）。當兩種材料緊密接觸（chù）時，膨脹表現為兩種（zhǒng）材料膨脹的合成，即兩種（zhǒng）材料擴展了同樣的長度（dù），對材料（liào）1來說引入了額外的應力（lì）。當材料經受低溫收縮時情況也一樣。這樣在材料的接（jiē）觸部位就會產生剪（jiǎn）應力，當（dāng）器件快速進行高低溫衝擊時，接（jiē）觸部（bù）位的剪（jiǎn）應力有壓（yā）應力到張應力往複變化，如果溫（wēn）度（dù）極限應力足夠強，材料就會發生裂紋或位移，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（lì）集（jí）中的地方在芯片的四（sì）角上，尤其是麵積比較大的芯（xīn）片更要注意。封裝的裂縫會向下延伸到器件，以至於造成鈍化層下麵（miàn）的金（jīn）屬化層和多晶矽層斷裂。金屬引線（xiàn）的位移會造成漏洞甚至短（duǎn）路。
為了避免這種失效的發生，應按JESD22-A 104-A，對（duì）照表4分級對器件進行溫度循環試驗考察。
5、濕度偏置試驗
評價器件在潮（cháo）濕環境下的可靠性可以進行穩態溫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封裝。試驗在85℃和
85%RH條件下進行。這（zhè）種（zhǒng）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（bì）要的電（diàn）連接以實現加偏置。試驗是（shì）在極限應力條件下進行。
在試驗（yàn）中采用兩種偏置方式：連續偏置和周期性偏（piān）置。
連續偏置下直流偏置被連續地加到器件上。當器（qì）件溫度高於腔體環境溫度10℃以內，或當器件耗散功率低於200mW，連續（xù）偏置比周期性偏置更嚴酷。當（dāng）器件的耗散功（gōng）率高於200mW，必（bì）須重新計算芯片的溫度，即功率×熱阻，如果（guǒ）計算出來的結果高於試驗規範5℃以上，則應采用周期性偏置。
對於周期性偏置，直流電（diàn）壓以一定的頻率和占空比被間歇地加到器件上。對於一個特定器件如果偏置引入的溫升高於腔體環境溫度10℃以（yǐ）上，周期（qī）性（xìng）偏置比連續偏置更（gèng）嚴酷。在周期性偏置（zhì）電關（guān）斷期間潮氣聚積在芯片上。對（duì）於多（duō）數（shù）器件來說周期性偏置通常采用（yòng）1小時通1小時斷（duàn）的方式。
6、HAST 試驗
同樣采用（yòng）高加速應力試驗(HAST)來評（píng）價器件在潮濕環境下的可（kě）靠性(JESD22-A110-A)。與濕度偏置試驗相（xiàng）同，HAST試驗箱也（yě）采用電應力、高（gāo）溫（wēn）和高濕應力的組合應力形式（shì），加速退化失效。在偏置應力下（xià）試驗的環境條件是130℃和85%RH。HAST試驗能（néng）夠揭示封裝材料、密（mì）封性以及封裝材料與引線之（zhī）間的缺陷。
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試驗腔體條（tiáo）件很嚴酷，試驗（yàn）用的老化板必須經過特殊設計。
7、高壓蒸煮試驗
高壓蒸煮試驗是評價非（fēi）密封器件抗潮濕能力的一種（zhǒng）加速應力試驗，試驗（yàn）應力采用（yòng）較嚴酷的氣壓、濕度和溫度——PCT試驗（yàn）箱，來加劇潮氣從外（wài）部通過封裝材料、金屬引腳邊緣進入芯片（piàn）表麵。JESD22-A102-B對試驗（yàn）進（jìn）行了詳細（xì）的規定。
試驗條件如表5。
高壓蒸煮試驗主要暴露器件相關的四類失效：
其一、焊盤、金屬化腐蝕性失效。高（gāo）壓蒸煮試驗中高氣（qì）壓將水蒸氣（qì）通（tōng）過封裝壓到器件中（zhōng），直至器件表麵，對於鍵合焊盤和鈍化（huà）層有缺陷的金屬化（huà）層將產生腐蝕作用。
其二，浮柵漏電失效（xiào）。對於一些非揮發性器（qì）件如閃存和EEPROM，在浮柵存有（yǒu）電（diàn）荷，如果潮氣通過鈍化層到達（dá）浮（fú）柵（shān），很快就會將浮柵上存儲的電（diàn）荷泄漏掉，造成器件失效。
其三，鉛錫遷移導致漏電失效（xiào）。器件在封裝（zhuāng）工藝中清洗失當，在潮熱環境下鉛錫會生（shēng）長出數狀須來，造成引線之間漏電甚至（zhì）短（duǎn）路。
其四，封裝外部損（sǔn）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（gǎi）進封裝可靠性（xìng）和降低現場使用失效率，從而保證終用戶的產品可靠性需求。上述試驗方法都（dōu）是極限（xiàn）應力條件（jiàn）下的加速退化試驗，目的是揭示設計和工藝引入的缺陷，以及塑封器件可能發生的（de）退化機理。這些信息對於塑封器件的傳（chuán）遞、裝配、分類和儲存都具有指導作用。
作者：恩雲飛
信息（xī）產業部電子（zǐ）第五研究（jiū）所
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