表貼塑封器件的老煉方法初步研究

王偉明，郝紅偉，袁 媛，馬伯志，李路明

（清華大學(xué) 航空航天學(xué)院，北京 100084）

0 引言

當(dāng)前高可靠性應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Ω黝愋聝x器、新設(shè)備的需求越來越迫切，工業(yè)級(jí)表貼塑封器件具有體積小、性能高、品種多和采購方便等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于產(chǎn)品的小型化、高性能和縮短研制周期具備優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，盡管塑封器件與高等級(jí)器件在可靠性上存在一定的差別[1]，但器件制造商在技術(shù)和工藝上的持續(xù)進(jìn)步，使得與塑封器件有關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)已逐步得到降低。因此，工業(yè)級(jí)表貼塑封器件在最近幾年越來越受到重視，研究逐漸增多，在保證篩選的前提下，開始有限地應(yīng)用于高可靠性領(lǐng)域[2-4]。

按照制造商的規(guī)范，工業(yè)級(jí)器件只是嚴(yán)格按照規(guī)定的方法生產(chǎn)（produce-it-right），而軍用/宇航用器件不但是按照規(guī)則生產(chǎn)而且要特照規(guī)定的方法試驗(yàn)（produce-it-to-rules plus test-it-right）。因此，塑封器件應(yīng)用于高可靠性領(lǐng)域，必須進(jìn)行全面的試驗(yàn)，進(jìn)行考核、評(píng)估。其中，高溫老煉試驗(yàn)是至關(guān)重要的一類試驗(yàn)。目前直插器件的老煉方法比較成熟，而對(duì)表貼塑封器件的老煉研究相對(duì)較少，目前常規(guī)方法是進(jìn)行板級(jí)鑒定[4]。本文重點(diǎn)對(duì)目前較常用的部分類型表貼塑封器件老煉方法進(jìn)行了研究，可給表貼塑封器件的可靠性篩選提供參考。

1 表貼塑封器件篩選原則

NASA標(biāo)準(zhǔn)PEM-INST-001《塑封微電路選擇、篩選和鑒定指南》中，對(duì)塑封器件給出了指導(dǎo)性建議[5]，其中關(guān)鍵性建議是對(duì)器件進(jìn)行全面測(cè)試，并在最大電應(yīng)力或功率應(yīng)力下進(jìn)行老煉篩選試驗(yàn)。老煉可以使器件在溫度應(yīng)力和電應(yīng)力作用下使缺陷盡早暴露，剔除有潛在缺陷的早期失效元器件。對(duì)于功能復(fù)雜的器件，如單片機(jī)等，通常要在自動(dòng)測(cè)試設(shè)備上開發(fā)測(cè)試程序，購買特殊封裝需要的夾具，開發(fā)專門的老煉系統(tǒng)和軟件等。本文參考上述原則，采用在最大溫度應(yīng)力和電或者功率應(yīng)力下對(duì)器件進(jìn)行老煉，對(duì)器件測(cè)試采用老煉設(shè)備在線測(cè)試與專用設(shè)備離線測(cè)試相結(jié)合的方法。

2 元器件高溫動(dòng)態(tài)老煉測(cè)試系統(tǒng)

本文試驗(yàn)采用的表貼塑封器件高溫動(dòng)態(tài)老煉測(cè)試系統(tǒng)基本構(gòu)成見圖1。它主要由主控計(jì)算機(jī)、高溫試驗(yàn)箱、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和老煉電源系統(tǒng)等幾個(gè)部分組成。其中主控計(jì)算機(jī)用于老煉圖形庫的編輯、維護(hù)及老煉開始時(shí)進(jìn)行老煉器件選擇、老煉參數(shù)設(shè)定、波形數(shù)據(jù)的發(fā)送、老煉狀態(tài)動(dòng)態(tài)回檢、網(wǎng)絡(luò)管理通信、器件數(shù)據(jù)與老煉資料打印等。系統(tǒng)的其他部分置于大型機(jī)柜中。機(jī)柜上部的高溫老煉試驗(yàn)箱用于提供高溫動(dòng)態(tài)老煉的高溫環(huán)境，試驗(yàn)箱內(nèi)提供10個(gè)老煉通道，與試驗(yàn)箱配套的老煉板采用耐高溫基板（T＞175 ℃）及耐高溫元器件老煉座。老煉板設(shè)計(jì)滿足小批量、多品種的要求。主控計(jì)算機(jī)和所有部件間通過 RS485網(wǎng)絡(luò)互連實(shí)現(xiàn)分布式控制。

圖1 封裝級(jí)老煉系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Framework of package-level burn-in test system

本試驗(yàn)中使用的設(shè)備有分立器件老煉、電容器老煉和集成電路老煉等設(shè)備，見圖2。動(dòng)態(tài)老煉時(shí)，器件接上電源和地，輸出管腳接負(fù)載，在輸入管腳接上適當(dāng)?shù)男盘?hào)來激勵(lì)，施加溫度和電應(yīng)力老煉數(shù)小時(shí)。老煉過程中實(shí)時(shí)采集芯片運(yùn)行信息，做器件的動(dòng)態(tài)測(cè)試。

圖2 試驗(yàn)采用的老煉設(shè)備Fig.2 Burn-in test equipment

3 表貼塑封器件老煉特點(diǎn)

目前直插器件的老煉方法比較成熟，而對(duì)表貼塑封器件尚有一些問題需要進(jìn)一步探討和解決。由于元器件結(jié)溫控制在二次老煉篩選過程中起著決定性的作用，因此對(duì)元器件的老煉效果有著十分重要的影響。

本文采用的是系統(tǒng)結(jié)溫閉環(huán)控制方案，即從器件老煉的結(jié)溫控制入手，提出簡(jiǎn)單適用的基于等效熱阻估算和器件殼溫控制的老煉試驗(yàn)方法。如圖3所示，以器件結(jié)溫為控制目標(biāo)，以器件殼溫作為反饋量，根據(jù)殼溫動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)元器件所施加的功率或者老煉箱溫度，以達(dá)到較為精確的控制結(jié)溫的目的。

圖3 器件結(jié)溫控制框圖Fig.3 Control chart of the device junction temperature

3.1 結(jié)溫控制與熱阻的關(guān)系

老煉芯片的結(jié)溫一般可以描述為：

式中：TJ表示芯片結(jié)溫；TAC指環(huán)境溫度或者殼溫；P為芯片工作功耗；θJAC是芯片結(jié)到環(huán)境或者殼的熱阻。由于TAC可以設(shè)置為某一確定值，所以要確定老煉時(shí)結(jié)溫的關(guān)鍵就在于確定功率P和熱阻θJAC的乘積。芯片的工作功耗容易知道，只要熱阻確定，就能確定出芯片的結(jié)溫。因此，確定熱阻參數(shù)對(duì)老煉是非常重要的。芯片結(jié)溫在老煉過程中起著決定性的作用[6]，由此可知熱阻對(duì)老煉效果有十分重大的影響。

3.2 表貼塑封器件和直插器件結(jié)溫控制的主要區(qū)別

本文分析了表貼塑封器件與直插器件老煉過程中結(jié)溫控制的主要區(qū)別。直插器件和表貼塑封器件老煉時(shí)的器件外部導(dǎo)熱體主要由焊盤（老煉夾具和老煉板間的連接）和夾具金屬接觸件（與器件管腿接觸的銅）兩部分組成。對(duì)于直插器件，一般器件外部導(dǎo)熱體的體積與器件管腿體積相差不大；而對(duì)于表貼塑封器件，一般器件外部導(dǎo)熱體的體積比表貼器件管腿體積大得多，這將導(dǎo)致結(jié)到殼的熱阻值發(fā)生顯著變化，對(duì)表貼塑封器件需要考慮等效熱阻變化對(duì)結(jié)溫的影響。

熱阻是器件結(jié)溫的決定因素之一，熱阻值由器件生產(chǎn)商給出，但是，一般與之對(duì)應(yīng)的是指定的標(biāo)準(zhǔn)焊盤。因此，表貼塑封器件老煉時(shí)需要獲得與整個(gè)器件外部導(dǎo)熱體對(duì)應(yīng)的等效熱阻值。同時(shí)，由于表貼塑封器件老煉時(shí)要放在老煉夾具內(nèi)部，需要考慮夾具對(duì)結(jié)溫控制的影響。這樣就需要得到表貼塑封器件放于老煉夾具內(nèi)，老煉時(shí)器件結(jié)到殼的等效熱阻值，用以較為精確地控制器件結(jié)溫。

根據(jù)安森美公司提供的等效熱阻計(jì)算軟件，MMBZ6V2ALT1器件（封裝SOT-23）在PCB板厚和覆銅厚度條件相同的情況下，僅將與器件管腿接觸的銅面積設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)焊盤（即對(duì)于該封裝的常用焊盤）面積的10倍，與本文實(shí)際應(yīng)用情況相當(dāng)，器件熱阻大約為原熱阻的76.7%，對(duì)比計(jì)算結(jié)果見圖4。

圖4 用熱計(jì)算軟件計(jì)算MMBZ6V2ALT1器件的熱阻對(duì)比Fig.4 The comparision of MMBZ6V2ALT1 thermal resistance valuesusing thermal calculation software

在圖4中，右半部分銅面積為250.0 mm2，是左半部分的10倍；而右半部分的熱阻為408.8 /W℃，約為左半部分的76.7%，說明一般表貼塑封器件實(shí)際應(yīng)用的夾具導(dǎo)熱體所占比重較大。如果在老煉過程中根據(jù)器件手冊(cè)提供的熱阻值進(jìn)行老煉，而不考慮表貼器件外部導(dǎo)熱體的影響，那么就可能存在控制TJ偏小、溫度應(yīng)力偏小的問題。考慮到正常應(yīng)用時(shí)的焊盤情況與老煉時(shí)不同，因此，獲取老煉時(shí)的等效熱阻值是非常必要的。本文在室溫下，對(duì)器件施加同樣功率，結(jié)果放在常用焊盤上的器件殼溫高于放在老煉夾具內(nèi)的器件殼溫。實(shí)際上，老煉夾具上與器件管腿接觸的銅充當(dāng)了散熱器的角色即等效熱阻降低，因此，老煉器件要達(dá)到同樣的結(jié)溫，需要增大所加功率。

3.3 表貼塑封器件老煉時(shí)的等效熱阻獲取方法

3.3.1 利用廠商提供的熱計(jì)算工具

可以采用向元器件廠商索要熱計(jì)算軟件的方法來獲得老煉時(shí)等效熱阻的數(shù)據(jù)。如圖4所示為安森美公司提供的熱計(jì)算軟件，通過該軟件可以輸入對(duì)應(yīng)的PCB銅面積，從而得到相應(yīng)的器件熱阻值，即在熱計(jì)算軟件中把PCB焊盤參數(shù)根據(jù)老煉夾具做具體修改，獲得對(duì)應(yīng)的熱阻值，用以控制老煉時(shí)的溫度應(yīng)力。

3.3.2 利用溫度敏感參數(shù)

因?yàn)閷?duì)器件封裝級(jí)的老煉，不可能將測(cè)溫儀器放置在器件的結(jié)上來測(cè)量器件結(jié)溫，因此利用熱敏感參數(shù)來獲取器件結(jié)溫是個(gè)很好的辦法。其工作原理是：利用器件內(nèi)部二極管PN結(jié)的正向電壓來表征溫度，因?yàn)閮烧咧g有著非常好的線性關(guān)系，進(jìn)而計(jì)算出熱阻。此種方法一般適用于內(nèi)部有二極管的器件，可以采用該方法的器件和對(duì)應(yīng)的熱敏感參數(shù)見表1[7]。

表1 熱敏感器件和對(duì)應(yīng)的熱敏感參數(shù)Table 1 Sensitive temperature devices and their corresponding sensitive temperature parameters

圖5為Si1022R（MOSFET）導(dǎo)通電阻RDS(on)和結(jié)溫TJ間的關(guān)系曲線，線性關(guān)系非常好。在實(shí)際的老煉中，可以通過調(diào)整老煉設(shè)備給器件施加的功率使導(dǎo)通電阻RDS(on)為圖5中的某一個(gè)值，可知對(duì)應(yīng)的結(jié)溫，這樣可以根據(jù)式(1)計(jì)算出老煉時(shí)器件的等效熱阻值。

圖5 Si1022R導(dǎo)通電阻RDS(on)和結(jié)溫的關(guān)系曲線Fig.5 The pass-resistance(RDS(on)) versus the junction temperature for Si1022R device

3.3.3 試驗(yàn)測(cè)量的方法

上述兩種方法都是對(duì)熱阻的估算，可以大致估算出達(dá)到器件結(jié)溫應(yīng)施加功率，但對(duì)于表貼器件老煉，最終都要通過試驗(yàn)的方法來驗(yàn)證達(dá)到器件最大結(jié)溫所應(yīng)施加的功率。

以Si1022R為例，3次老煉試驗(yàn)（試驗(yàn)1、試驗(yàn)2和試驗(yàn)3）的條件和結(jié)果見表2。每次試驗(yàn)均由器件老煉前測(cè)試、老煉試驗(yàn)和老煉后測(cè)試3部分組成。測(cè)試參數(shù)為V(BR)DSS，VGS(th)，IGSS，ID(on)，RDS(on)，VSD，IDSS等。測(cè)溫儀器采用YOKOGAWA MV2020， K型熱電偶（直徑0.15 mm）通過老煉夾具上的微型測(cè)溫孔被粘到器件的表面。溫度測(cè)量精度為±(0.15% rdg +0.7 ℃)，顯示精度為 0.1 oC，可以同時(shí)實(shí)時(shí)顯示20路溫度對(duì)時(shí)間的波形。（注：rdg是指儀器顯示讀數(shù)）

表2 Si1022R器件的老煉試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Burn-in test data of Si1022R device

1）老煉試驗(yàn)1

首先對(duì)器件進(jìn)行老煉前測(cè)試，20個(gè)器件各測(cè)試參數(shù)全部合格。老煉時(shí)器件耗散功率為150 mW，測(cè)得器件殼溫為58 ℃，老煉結(jié)束后從老煉夾具中取出器件。老煉結(jié)束后 96 h內(nèi)測(cè)量器件，一批次20個(gè)器件各測(cè)試參數(shù)全部正常。

2）老煉試驗(yàn)2

首先對(duì)器件進(jìn)行老煉前測(cè)試，20個(gè)器件各測(cè)試參數(shù)全部合格。老煉時(shí)功率為247 mW時(shí)，此時(shí)器件殼溫測(cè)量為72 ℃，老煉結(jié)束后從老煉夾具中取出器件。老煉結(jié)束后 96 h內(nèi)測(cè)量器件，部分指標(biāo)超出器件手冊(cè)中給出的正常范圍值，如Vgs(th)小于規(guī)定的1 V的最小值，由測(cè)試結(jié)果判斷一批次20個(gè)器件全部損壞。說明試驗(yàn)中結(jié)溫大于器件150 ℃的最大結(jié)溫，即溫度應(yīng)力施加過大，導(dǎo)致器件損壞。

3）老煉試驗(yàn)3

首先對(duì)器件進(jìn)行老煉前測(cè)試，20個(gè)器件各測(cè)試參數(shù)全部合格。老煉時(shí)器件耗散功率為180 mW，測(cè)得器件殼溫為63 ℃，老煉結(jié)束后從老煉夾具中取出器件。老煉結(jié)束后 96 h內(nèi)測(cè)量器件，一批次20個(gè)器件各測(cè)試參數(shù)全部正常。

例如，圖6為老煉后的器件，采用Keithley測(cè)試儀按器件手冊(cè)中的條件，測(cè)試的Vgs(th)值。老煉試驗(yàn)3的器件測(cè)試結(jié)果見圖6(a)：在VDS=VGS，漏電流ID為0.25 mA時(shí)，Vgs(th)為1.8 V，在1～2.5 V正常值的范圍內(nèi)；老煉試驗(yàn) 2的器件測(cè)試結(jié)果見圖6(b)：在VDS=VGS，漏電流ID為0.25 mA時(shí)，Vgs(th)為3.5 mV，超出1～2.5 V正常值范圍。

圖6 Keithley測(cè)試儀器測(cè)試Si1022 Vgs(th)曲線Fig.6 Si1022 test curve of Vgs(th) value with Keithley measuring instrument

該老煉試驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果與根據(jù) 3.3.2節(jié)得到的等效熱阻值425 ℃/W計(jì)算得到的結(jié)溫基本相符，計(jì)算方法按照式(1)，器件結(jié)溫理論計(jì)算過程及結(jié)果見表2的第5列。對(duì)老煉試驗(yàn)1和3計(jì)算結(jié)溫分別為122 ℃和 139.5 ℃，均小于器件最大結(jié)溫 150 ℃，理論上判斷器件在老煉試驗(yàn)1和3的功率和殼溫下老煉不會(huì)損壞；老煉試驗(yàn)2計(jì)算結(jié)溫為176.9 ℃，大于150 ℃，理論上判斷器件在老煉試驗(yàn)2的功率和殼溫下老煉會(huì)損壞。理論計(jì)算和試驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果基本相符。參照 NASA標(biāo)準(zhǔn)，本研究選擇老煉試驗(yàn)3的條件作為器件老煉的條件，在最大溫度應(yīng)力和功率下對(duì)器件進(jìn)行老煉。

4 結(jié)論

1）本文從器件老煉的結(jié)溫控制入手，提出簡(jiǎn)單適用的基于等效熱阻估算和器件殼溫控制的表貼塑封器件老煉試驗(yàn)方法。研究表明，老煉工藝的確定需要經(jīng)過后續(xù)的板級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證。

2）給出幾種獲取等效熱阻的方法。本文給出的封裝級(jí)熱阻獲取方法，雖然一般不能精確地得到熱阻值，但試驗(yàn)證明，作為老煉用封裝級(jí)等效熱阻參數(shù)快速確定的工程化技術(shù)，這些方法具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

3）本文對(duì)包括SC-75、UCSP、QFP等封裝形式的元器件進(jìn)行了老煉試驗(yàn)，同時(shí)采用Keithley半導(dǎo)體分析系統(tǒng)等測(cè)試儀器，對(duì)元器件進(jìn)行了測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)表貼塑封元器件的初步可靠性篩選。篩選后的元器件已應(yīng)用于工程實(shí)踐，通過了板級(jí)溫度沖擊、溫度循環(huán)、隨機(jī)振動(dòng)和功率老煉的一系列的試驗(yàn)考核。

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