塑封器件需要做哪些可靠性試驗？
作者：
網(wǎng)絡(luò)
編輯：
瑞凱儀器
來源：
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。對于塑封器件可靠性，應(yīng)在滿足常規(guī)可靠性試驗要求的基礎(chǔ)上，針對塑封特點和一些可能的失效模式、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法，包括：
●濕度敏感度試驗
●溫度循環(huán)
●濕度偏置試驗HAST試驗
●高壓蒸煮試驗
2、標準
美國EIA(Electronic industries Association)和JEDEC(Joint
Electron Device EngineeringCouncil)針對塑封器件的可靠性及相關(guān)試驗要求制定了相應(yīng)的標準，如圖1。對于所有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(huán)境應(yīng)力試驗、電應(yīng)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)、磨損可靠性試驗要求(電遷移EM、與時間有關(guān)的擊穿TDDB、熱載流子注入HCI等)和可燃性試驗要求，根據(jù)器件封裝特點及可靠性要求可適當(dāng)選擇試驗方法。尤其是對一種新技術(shù)、新工藝或新產(chǎn)品時。
J-STD-020A濕度敏感度試驗對表貼器件濕度敏感度進行等級評定，其它兒個標準則具體針對溫循、穩(wěn)態(tài)溫濕度壽命試驗、高加速應(yīng)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
濕度敏感度是塑封表面貼裝(SMDs)器件的一個重要指標。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，就是常說的“爆米花”效應(yīng)。
濕度敏感度等級評價試驗是為了定級器件對濕度應(yīng)力的敏感性，試驗后器件的外包封上被打上相應(yīng)的敏感度等級，根據(jù)器件濕度敏感度等級，在器件包裝、儲存、運輸、傳遞、裝配過程都應(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于所有的表面貼裝器件，包括 PBGAs、SOICs、PLCCs、TQFPs、PQFPs、RQFPs、TSOPs、soJs等。
為了進行濕度敏感度等級評價，Altera推薦采用100%對流回流系統(tǒng)以滿足J-STD-020A標準所要求的回流焊剖面。
在試驗中，對于小、薄尺寸器件，由于回流過程中為了滿足大器件回流要求，小器件體溫度將超過220℃以上的溫度，為了補償這一差異，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。
試驗過程中器件達到試驗溫度的速率也會影響封裝可靠性，表3給出兩種典型的對流回流技術(shù)(完全對流和R對流)的回流剖面。
如果器件通過Ⅰ級濕度敏感度試驗，那么可以認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6級濕度敏感度試驗，說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，必須在裝配前采取烘焙等措施。
4、溫度循環(huán)試驗
溫度循環(huán)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(yīng)有明顯的損傷，如裂紋、碎裂或斷裂。表4給出溫度循環(huán)試驗等級。
溫度循環(huán)試驗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，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，膨脹表現(xiàn)為兩種材料膨脹的合成，即兩種材料擴展了同樣的長度，對材料1來說引入了額外的應(yīng)力。當(dāng)材料經(jīng)受低溫收縮時情況也一樣。這樣在材料的接觸部位就會產(chǎn)生剪應(yīng)力，當(dāng)器件快速進行高低溫沖擊時，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，材料就會發(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，對照表4分級對器件進行溫度循環(huán)試驗考察。
5、濕度偏置試驗
評價器件在潮濕環(huán)境下的可靠性可以進行穩(wěn)態(tài)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(yīng)力來加速潮氣進入器件封裝。試驗在85℃和
85%RH條件下進行。這種試驗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(dāng)?shù)臏囟群拖鄬穸龋瑫r還要提供必要的電連接以實現(xiàn)加偏置。試驗是在極限應(yīng)力條件下進行。
在試驗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酷。當(dāng)器件的耗散功率高于200mW，必須重新計算芯片的溫度，即功率×熱阻，如果計算出來的結(jié)果高于試驗規(guī)范5℃以上，則應(yīng)采用周期性偏置。
對于周期性偏置，直流電壓以一定的頻率和占空比被間歇地加到器件上。對于一個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)偏置更嚴酷。在周期性偏置電關(guān)斷期間潮氣聚積在芯片上。對于多數(shù)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
同樣采用高加速應(yīng)力試驗(HAST)來評價器件在潮濕環(huán)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(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)力下試驗的環(huán)境條件是130℃和85%RH。HAST試驗?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)力同濕度偏置試驗的一樣，但Vcc采用條件。由于HAST試驗腔體條件很嚴酷，試驗用的老化板必須經(jīng)過特殊設(shè)計。
7、高壓蒸煮試驗
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(yīng)力試驗，試驗應(yīng)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(guī)定。
試驗條件如表5。
高壓蒸煮試驗主要暴露器件相關(guān)的四類失效：
其一、焊盤、金屬化腐蝕性失效。高壓蒸煮試驗中高氣壓將水蒸氣通過封裝壓到器件中，直至器件表面，對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)境下鉛錫會生長出數(shù)狀須來，造成引線之間漏電甚至短路。
其四，封裝外部損傷。
8、結(jié)論
利用上述試驗考核、評價塑封器件的可靠性，并通過持續(xù)改進封裝可靠性和降低現(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)力條件下的加速退化試驗，目的是揭示設(shè)計和工藝引入的缺陷，以及塑封器件可能發(fā)生的退化機理。這些信息對于塑封器件的傳遞、裝配、分類和儲存都具有指導(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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