集成電路長(zhǎng)期可靠性的研究

聶紀(jì)平

（上海貝嶺股份有限公司，上海 200233）

1 引言

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)于特殊應(yīng)用的集成電路產(chǎn)品的高可靠性提出了新的要求，不但在產(chǎn)品的評(píng)估階段對(duì)產(chǎn)品的高可靠性進(jìn)行評(píng)估，并且在產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程中采取手段確保產(chǎn)品的高可靠性。本文從封裝可靠性、長(zhǎng)時(shí)間壽命實(shí)驗(yàn)和產(chǎn)品老化三個(gè)方面的評(píng)估出發(fā)，對(duì)集成電路的可靠性進(jìn)行了分析，特別是對(duì)特殊產(chǎn)品的評(píng)估方面，有廣闊的應(yīng)用前景。

2 PLCC封裝的長(zhǎng)期可靠性評(píng)估

PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）塑料有引線芯片載體封裝是微電子器件常用的一種封裝形式，四周都有管腳，外形尺寸比DIP封裝小得多。PLCC封裝適合用SMT表面安裝技術(shù)在PCB上安裝布線，具有外形尺寸小、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

對(duì)于PLCC封裝的微電子器件，塑料封裝材料在長(zhǎng)期工作條件下由于內(nèi)部封裝應(yīng)力改變可能會(huì)對(duì)器件可靠性產(chǎn)生影響。因此有時(shí)需要對(duì)某些特殊要求的PLCC封裝器件進(jìn)行封裝材料可靠性的專門評(píng)估檢測(cè)。

但是從國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀來(lái)看，目前還沒有一種對(duì)于PLCC器件的封裝材料可靠性的測(cè)試、檢驗(yàn)方法。當(dāng)前采用的一般是PLCC器件的加速壽命試驗(yàn)，都采用加電狀態(tài)，評(píng)估的只是器件本身的可靠性要求，并不能完全反映封裝材料的問題。而且由于加電狀態(tài)溫度不能太高，并不能真正考察封裝對(duì)于PLCC器件的可靠性影響。

當(dāng)前對(duì)PLCC器件可靠性評(píng)估中，對(duì)于封裝材料可靠性評(píng)估及檢測(cè)方法[1]提出了一種新型的針對(duì)特殊要求的PLCC器件封裝材料的長(zhǎng)期可靠性的評(píng)估和檢測(cè)方法。本方法采用大于150 ℃、不加電條件下，來(lái)有效地評(píng)估微電子器件在25年壽命條件下的封裝材料可靠性。

具體的設(shè)備和步驟如下：

樣品的具體老化條件可以選取下列方法的一種，進(jìn)行長(zhǎng)期的高溫存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)。

（1）150 ℃，540 h；

（2）175 ℃，180 h。

在試驗(yàn)完成后，對(duì)器件進(jìn)行測(cè)試，確認(rèn)器件的失效比例。從貝嶺公司的具體產(chǎn)品來(lái)看，通過(guò)本測(cè)試的500個(gè)器件，可以確保25年的器件長(zhǎng)期可靠性。從具體的實(shí)驗(yàn)來(lái)看，兩個(gè)方法都可以確保25年的長(zhǎng)期可靠性，這是通過(guò)同期的HTOL壽命實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證的。當(dāng)然封裝實(shí)驗(yàn)的加速因子當(dāng)前沒有權(quán)威的理論公式，本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論也需要進(jìn)一步完善。

3 長(zhǎng)期壽命試驗(yàn)的研究

對(duì)于某些特殊用途的微電子器件，可能需要長(zhǎng)時(shí)間的加電連續(xù)工作，如有些通訊類和軍用芯片需要保證連續(xù)工作25年和非常低的現(xiàn)場(chǎng)失效率。在這種情況下需要對(duì)器件的可靠性進(jìn)行評(píng)估。對(duì)于長(zhǎng)壽命高可靠的微電子器件的壽命評(píng)估，由于時(shí)間較長(zhǎng)，一般采用加速壽命試驗(yàn)，即采用加大溫度條件的方法促使器件在短期內(nèi)失效，從而預(yù)測(cè)在正常工作條件下的器件可靠性，但并不改變受試樣品的失效分布。對(duì)于一般微電子器件，由于其物理本質(zhì)，所以采用的加速溫度一般不大于125 ℃。

當(dāng)前的集成電路，在通訊和安全方面的應(yīng)用和一般消費(fèi)類不同，需要滿足很高的可靠性要求，針對(duì)這類要求，一般需要進(jìn)行加速長(zhǎng)期壽命試驗(yàn)來(lái)考核產(chǎn)品的長(zhǎng)期壽命和失效率。

3.1 針對(duì)關(guān)于長(zhǎng)期加速壽命試驗(yàn)的描述

長(zhǎng)期加速壽命試驗(yàn)關(guān)鍵是對(duì)加速因子的評(píng)估，按照J(rèn)ETEC標(biāo)準(zhǔn)的要求，加速因子的理論計(jì)算公式如下：

其中，不同的產(chǎn)品應(yīng)用對(duì)于參數(shù)的定義有差別，按照UL217的規(guī)范[2]，對(duì)于報(bào)警器芯片的參數(shù)定義如下：

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，計(jì)算出煙霧報(bào)警器芯片的加速因子：

如果進(jìn)行3000 h的壽命試驗(yàn)，相當(dāng)于器件在常溫下工作68年。

3.2 相關(guān)失效率的計(jì)算

但是，長(zhǎng)期壽命試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間較長(zhǎng)，可以評(píng)估的芯片較少，需要根據(jù)概率論的要求，計(jì)算出產(chǎn)品的FIT（百萬(wàn)小時(shí)失效率）。根據(jù)上述的數(shù)據(jù)，如果24個(gè)器件3000 h全部通過(guò)，意味著在60%置信度的情況下，F(xiàn)IT的計(jì)算公式如下：

同類器件中摩托羅拉的145010和ALLEGRO的報(bào)警器芯片數(shù)據(jù)比較如表1。

表1 幾種報(bào)警器芯片失效率數(shù)據(jù)比較

可以看出，貝嶺的產(chǎn)品由于實(shí)驗(yàn)的芯片數(shù)量較少，積累不夠，因此和國(guó)際公司的數(shù)據(jù)有一定差別，但是已經(jīng)可以滿足UL關(guān)于FIT的要求。這也是當(dāng)前高可靠性芯片評(píng)估的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

同時(shí)，對(duì)于SOP封裝產(chǎn)品的封裝可靠性也進(jìn)行了評(píng)估，主要采用如表2所示的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，確保產(chǎn)品的封裝長(zhǎng)期可靠性。

4 產(chǎn)品全老化的檢驗(yàn)

上述兩個(gè)方法是在產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中對(duì)封裝和產(chǎn)品工藝和設(shè)計(jì)的評(píng)估，但是在具體的產(chǎn)品日常加工中，針對(duì)每個(gè)批次都需要進(jìn)行可靠性的監(jiān)控，確保將早期失效的器件篩選出來(lái)，降低客戶端的失效率。當(dāng)前采用的方法是老化篩選。

老化篩選有兩個(gè)方法，對(duì)于要求很高的產(chǎn)品，采用全老化的方法，對(duì)于全部器件進(jìn)行老化篩選。一般的條件是72 h，125 ℃。然后通過(guò)電性能測(cè)試，篩選掉不合格器件，如果某個(gè)批次老化后失效器件很多，需要進(jìn)行二次老化來(lái)確保質(zhì)量。

全老化對(duì)于器件的成本增加很多，當(dāng)前很多電路采用抽樣老化的方法。對(duì)于每個(gè)批次抽取200只進(jìn)行老化，來(lái)確保批次的可靠性，如果抽樣老化不通過(guò)，需要進(jìn)行全老化來(lái)確保產(chǎn)品的質(zhì)量，這個(gè)方法大大降低了全老化的成本，同時(shí)可以保障產(chǎn)品的質(zhì)量。

表2 SOP封裝可靠性評(píng)估實(shí)驗(yàn)

5 封裝材料的失效機(jī)制

從封裝材料的可靠性分析來(lái)看，主要的失效機(jī)制如表3。

表3 封裝材料主要失效機(jī)制

相關(guān)的失效圖片見圖1～圖4。

圖1 水汽滲透，銀漿沾污造成的銀遷移現(xiàn)象

圖2 可靠性試驗(yàn)后造成的焊接球焊脫離

圖3 可靠性試驗(yàn)造成的芯片分層

圖4 應(yīng)力引起芯片裂縫

6 結(jié)論和進(jìn)一步發(fā)展方向

首先，封裝可靠性可以參考PLCC封裝的實(shí)例，對(duì)其他的封裝形式進(jìn)行推廣，確保集成電路產(chǎn)品的長(zhǎng)期封裝可靠性。

其次，對(duì)于器件長(zhǎng)期可靠性的考核，可以參考本文和美軍標(biāo)的要求，或指定類似的要求，確保產(chǎn)品的長(zhǎng)期可靠性[3]。

第三，對(duì)于產(chǎn)品在測(cè)試過(guò)程中的老化篩選，當(dāng)前推薦采用抽樣老化，這樣既可節(jié)約成本，又可有效監(jiān)控在線可靠性。

[1] 聶紀(jì)平.塑料有引線芯片載體封裝器件的封裝材料可靠性檢測(cè)方法[P].中國(guó).02158990.9 ，2009.

[2] UL spec [S]. UL217. Single and Multiple Station Smoke Alarms.

[3] 賈新章，等.PPM水平下元器件內(nèi)在質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2001,19（5）：2-7.