高可靠性塑封器件質(zhì)量控制措施

蔣穎丹，梁 琦

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇 無錫 214035）

1 引言

20世紀(jì)60年代，塑封器件因其低成本、高產(chǎn)量、小體積等優(yōu)勢(shì)，出現(xiàn)后即得到工業(yè)界的廣泛關(guān)注和普遍接受。但是，早期塑封器件存在諸如樹脂玻璃轉(zhuǎn)換溫度低、材料熱膨脹系數(shù)匹配度不夠等可靠性問題，與陶瓷等氣密性封裝形式相比，失效率較高，因此一度被認(rèn)為不適用于軍事、航天等高可靠性領(lǐng)域。目前，隨著低應(yīng)力、高純度塑封材料的研制，高質(zhì)量鈍化層的應(yīng)用以及自動(dòng)化模制設(shè)備的推廣，塑封器件總體可靠性水平大大提高。

1987年，Motorola公司Lidback等人對(duì)133 747個(gè)塑封器件、4 647個(gè)氣密封裝器件進(jìn)行溫度循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為-65～150 ℃，1 000次循環(huán)。結(jié)果顯示，塑封器件失效率為0.083%，氣密封裝器件失效率0.099%[1]。另?yè)?jù)美國(guó)TI公司報(bào)道，90年代初期，塑封器件失效率估計(jì)為0.3～3.0個(gè)失效/106器件小時(shí)，與氣密封裝器件不相上下。國(guó)內(nèi)對(duì)塑封器件高可靠性應(yīng)用的研究起步較晚，但目前已取得顯著成效。根據(jù)高可靠性領(lǐng)域電子元器件管理中心掌握的情況，高可靠性領(lǐng)域的在研產(chǎn)品中已普遍存在應(yīng)用塑料半導(dǎo)體器件的現(xiàn)象，其中國(guó)產(chǎn)塑封半導(dǎo)體器件約占32%，進(jìn)口塑封半導(dǎo)體器件約占68%[2]。

本文分析塑封器件缺陷，從設(shè)計(jì)和工藝角度給出預(yù)防措施，說明塑封器件高可靠性應(yīng)用的可行性，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)塑封高可靠性應(yīng)用器件的篩選、鑒定檢驗(yàn)等質(zhì)量控制措施，進(jìn)行探討和研究。

2 塑封器件缺陷分析

早期失效指產(chǎn)品因?yàn)樵O(shè)計(jì)或工藝偏差造成的質(zhì)量缺陷，可通過后續(xù)篩選、檢驗(yàn)剔除。使用期失效指已完成生產(chǎn)的產(chǎn)品潛在缺陷，經(jīng)包裝、運(yùn)輸、安裝、使用等過程引發(fā)失效。使用期失效與時(shí)間、應(yīng)力有關(guān)。

2.1 熱機(jī)械缺陷

熱機(jī)械缺陷通常由于塑封料與各種面接材料之間熱膨脹系數(shù)的失配造成。當(dāng)環(huán)境溫度急劇變化時(shí)，器件模壓復(fù)合物與引線框之間因熱膨脹系數(shù)差異會(huì)發(fā)生分層和開裂。塑封器件內(nèi)部產(chǎn)生的熱縮應(yīng)力在芯片或引線框架上產(chǎn)生大的拉力、剪切力，也可能在環(huán)氧樹脂模塑化合物和芯片、芯片基座、引線框架之間產(chǎn)生分層或開裂。在極端低溫下，塑封料耐開裂強(qiáng)度的能力下降，熱應(yīng)力加劇，導(dǎo)致分層、開裂現(xiàn)象更顯著。器件裂紋會(huì)造成器件開路、短路，引起電性能失效，同時(shí)為潮氣、雜質(zhì)、沾污進(jìn)入器件內(nèi)部提供了通道?？刂圃撊毕荩稍谠O(shè)計(jì)階段采取以下措施：（1）芯片封裝、引線框架、粘接、鈍化所用材料的熱膨脹系數(shù)應(yīng)盡可能匹配；（2）采用低應(yīng)力環(huán)氧樹脂化合物和粘接材料，防止產(chǎn)生過大應(yīng)力；（3）封裝設(shè)計(jì)時(shí)避免尖邊和尖角；（4）合理確定器件工作、貯存、試驗(yàn)溫度范圍。

2.2 腐蝕

由于塑封器件本身的透濕性和吸水性，潮氣可直接通過塑封料擴(kuò)散到芯片表面，或者通過塑封料與外引線框架界面進(jìn)入器件內(nèi)部，沿著內(nèi)引線與塑封料的封接界面進(jìn)入芯片表面。若潮氣中帶有較多離子沾污物，離子雜質(zhì)進(jìn)行水解，可能和焊接處的金-鋁金屬間化合物中的鋁發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使芯片鍵合區(qū)發(fā)生腐蝕。若芯片表面鈍化層存在缺陷，潮氣會(huì)腐蝕芯片金屬化層。腐蝕引起的主要失效模式包括電參數(shù)漂移、漏電流過大、短路、開路等。有些失效模式不穩(wěn)定，在一定條件下有可能恢復(fù)部分器件功能，但只要發(fā)生了腐蝕，對(duì)器件長(zhǎng)期使用的可靠性將埋下隱患[3]。器件使用和貯存流程中，高溫和加載電壓的變化，會(huì)加速腐蝕引起失效的過程。為避免與腐蝕有關(guān)的失效，可采取以下措施：

（1）選用水解雜質(zhì)小于10×10-6的模塑材料；（2）配置密封料時(shí)，使用離子凈化器和離子吸收器，減少密封料中的離子雜質(zhì)；（3）通過設(shè)計(jì)改善，增強(qiáng)封裝劑與引線框架的粘附力，延遲潮氣入侵時(shí)間；（4）壓焊點(diǎn)采用防潮涂層保護(hù)，完善芯片表面鈍化層，以盡可能屏蔽濕氣；（5）確保引線框架表面無砂眼、無裂縫、無空隙、無雜質(zhì)，塑封料與框架金屬間有較好的粘接性。

2.3 爆米花效應(yīng)

塑封器件在焊接期間受熱，管殼中所吸附的水分迅速汽化，內(nèi)部水汽壓力使模制材料（環(huán)氧化合物）膨脹。如果管殼內(nèi)潮氣量過大，焊接時(shí)間或溫度控制不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)分層、開裂現(xiàn)象，即爆米花效應(yīng)。ANSI/IPC-SM-786《潮氣敏感的IC管殼加工的推薦程序》中指出，以下因素會(huì)明顯增加管殼開裂的風(fēng)險(xiǎn)：內(nèi)部潮氣含量大于重量的0.11%；焊接溫度超過220 ℃；焊接溫度變化率大于10 ℃·s-1。相應(yīng)地，可采取以下措施防止器件發(fā)生爆米花效應(yīng)：（1）選擇能有效防止潮氣入侵和粘接力強(qiáng)的模制化合物，潮氣含量低的粘接材料；（2）清除芯片基片毛邊和銳利邊緣；（3）器件焊接前預(yù)先烘烤器件，清除內(nèi)部潮氣，焊接時(shí)控制最高焊接溫度與溫度變化率；（4）器件運(yùn)輸和貯存期間，應(yīng)帶有干燥劑。

2.4 生產(chǎn)工藝缺陷

2.4.1 封裝缺陷

封裝缺陷通常表現(xiàn)為：氣泡、剝離、芯片基片位移和引線彎曲不當(dāng)。可能造成塑封體開裂、芯片金屬化層變形、焊頭翹起、互連線腐蝕斷開、開路、短路等現(xiàn)象，引起器件失效。采取以下措施，可有所改善：（1）模塑過程中，應(yīng)充分排出模具中的氣體，有效防止空氣截留；（2）保證引線框架具備足夠清潔度，避免沾污，焊接時(shí)，防止引線框架被氧化。

2.4.2 芯片粘接缺陷

芯片粘接缺陷通常由于芯片與基片粘接不良、粘接材料中有空洞、工藝過程控制不良等因素造成。可能導(dǎo)致器件熱量分布不均勻，芯片脫落或斷裂，引起器件致命失效。預(yù)防措施包括：（1）粘接材料熱膨脹系數(shù)須與芯片、封裝材料匹配；（2）粘接時(shí)，控制環(huán)境潮氣，防止粘接用聚合材料吸入大量潮氣。

2.4.3 鈍化層缺陷

鈍化層缺陷包括粘接不良、開裂、空隙，會(huì)造成器件開路、不穩(wěn)定、漏電流過大等現(xiàn)象。當(dāng)模塑化合物收縮產(chǎn)生的應(yīng)力超過鈍化層材料的強(qiáng)度時(shí)，會(huì)引起鈍化層開路，幾何尺寸越大，收縮應(yīng)力越大。注意事項(xiàng)及措施包括：（1）采用低應(yīng)力模制化合物，減小鈍化層承受的應(yīng)力；（2）在應(yīng)力較大的區(qū)域，如芯片角和邊緣，不應(yīng)設(shè)計(jì)有源電路。

3 高可靠性塑封器件質(zhì)控措施

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，天水華天封裝工藝工程師選用作了特殊處理的銅框架，低水汽含量、高粘接力環(huán)氧樹脂塑封料，低水汽含量、高剪切強(qiáng)度銀漿，具有一定硬度和延展性的高純金絲，盡可能弱化影響粘接強(qiáng)度的因素。上芯后進(jìn)行特殊前固化（無氧化），防止框架氧化，清除銀漿中吸附的水汽。壓焊后對(duì)引線框架進(jìn)行等離子干法清潔處理，保證框架沒有氧化和外來物沾污，適當(dāng)提高塑封壓力和保溫時(shí)間。封裝樣品在高溫貯存、強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱、再流焊試驗(yàn)后，經(jīng)超聲檢測(cè)，未發(fā)生分層，按GJB597A-96標(biāo)準(zhǔn)B級(jí)產(chǎn)品要求進(jìn)行例行試驗(yàn)和長(zhǎng)壽命試驗(yàn)后，仍未發(fā)生分層。該試驗(yàn)結(jié)果表明，通過失效機(jī)理分析，選擇合適的封裝材料，改進(jìn)工藝技術(shù)，可以有效地在設(shè)計(jì)、工藝加工階段，控制缺陷數(shù)量，大大降低塑封器件早期失效及使用期失效的可能性。

此外，需要一套行之有效的規(guī)范，在生產(chǎn)階段通過篩選、鑒定檢驗(yàn)的方式，剔除有缺陷的不合格品，降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，使產(chǎn)品滿足高可靠性應(yīng)用的要求。

NASA在2003年6月頒布了《PEM-INST-001塑封微電路的選擇、篩選和鑒定規(guī)程》，歸納、總結(jié)了多年來軍方特別是航天領(lǐng)域在高可靠性系統(tǒng)中應(yīng)用PEM的大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和取得的成果，并在此基礎(chǔ)上為PEM在高可靠領(lǐng)域應(yīng)用提供了一個(gè)共性平臺(tái)[5]。美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）于2005年5月發(fā)布了《塑封微電路空間應(yīng)用的可靠性/使用導(dǎo)則》。另外，NASA/GSFC的《塑封微電路降額、貯存與鑒定報(bào)告》、EIA協(xié)會(huì)發(fā)布的《SSB-1-C在軍用航空和其他嚴(yán)酷環(huán)境條件下使用塑封微電路與半導(dǎo)體器件導(dǎo)則》等文件，均為塑封器件應(yīng)用在高可靠性領(lǐng)域提供了降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)的指導(dǎo)方法與措施。SSB-1-C對(duì)不同可靠性等級(jí)要求塑封器件的工作溫度范圍給出了界定，詳見表1。工業(yè)級(jí)以上質(zhì)量等級(jí)塑封產(chǎn)品，包括車載、軍用、宇航等，均屬于高可靠性塑封器件。

相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)塑封器件在高可靠性領(lǐng)域的應(yīng)用，尚缺乏專用標(biāo)準(zhǔn)，用來指導(dǎo)相關(guān)研制和生產(chǎn)工作。目前只有GJB7400-2011 《合格制造廠認(rèn)證用半導(dǎo)體集成電路通用規(guī)范》中規(guī)定了塑封器件質(zhì)量保證等級(jí)（N級(jí)）的封裝技術(shù)特性試驗(yàn)、篩選、鑒定、質(zhì)量一致性檢驗(yàn)要求。此項(xiàng)規(guī)范可作為塑封軍用器件質(zhì)量控制的一個(gè)通用標(biāo)準(zhǔn)。

表1 SSB-1-C規(guī)定塑封器件工作溫度范圍

為了降低塑封器件在高可靠性領(lǐng)域應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)，篩選、鑒定檢驗(yàn)程序一般重點(diǎn)考慮以下方面的試驗(yàn)：耐潮濕性、環(huán)境適應(yīng)性及工作特性、高溫老煉壽命。

3.1 高可靠性塑封器件篩選

篩選分為非應(yīng)力篩選和應(yīng)力篩選。非應(yīng)力篩選用于剔除設(shè)計(jì)、工藝上的明顯缺陷，以及部分早期失效的產(chǎn)品，主要有外部目檢、X射線、超聲掃描、電測(cè)試等。應(yīng)力篩選必須對(duì)器件施加足夠負(fù)載，加速有缺陷器件失效，剔除潛在缺陷的器件。溫度循環(huán)、高溫老煉等均屬于應(yīng)力篩選。篩選項(xiàng)不能引入新的失效機(jī)理，應(yīng)科學(xué)設(shè)計(jì)和安排。

圖1是SSB-1-C給出的塑封器件典型篩選流程圖[6]。主要包括外部目檢、溫度循環(huán)、X射線、超聲掃描、高溫老煉等項(xiàng)目，PDA要求小于5%。

圖1 美國(guó)EIA推薦的PEM典型篩選流程圖

針對(duì)國(guó)內(nèi)塑封軍用器件的生產(chǎn)，GJB7400-2011給出了篩選要求，具體試驗(yàn)方法和條件引用GJB548B-2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》，篩選試驗(yàn)流程見圖2。與國(guó)外篩選流程比較，該標(biāo)準(zhǔn)流程由于主要針對(duì)器件制造廠能力評(píng)估而制定，因此更嚴(yán)格。

其中，溫度循環(huán)用于測(cè)定器件承受極端高、低溫的能力，試驗(yàn)條件可參照GJB548B-2005方法1010.1嚴(yán)格控制。高溫老煉試驗(yàn)的目的是為了剔除具有固有缺陷或工藝控制不當(dāng)引入的缺陷，可能造成與時(shí)間和應(yīng)力有關(guān)的早期失效的器件。老煉溫度范圍應(yīng)該根據(jù)實(shí)際使用環(huán)境選擇，如宇航用器件老煉溫度須達(dá)到125 ℃。

為了盡可能減少搬運(yùn)次數(shù)，篩選一般只要求做頂視面X射線檢查。發(fā)現(xiàn)以下情況被視為不合格：

（1）空洞：接觸區(qū)空洞超過整個(gè)接觸面積的1/2；單個(gè)空洞橫貫芯片的整個(gè)長(zhǎng)度或?qū)挾确秶?，并超過整個(gè)預(yù)定接觸面積的10%；（2）半導(dǎo)體芯片的裂紋、破裂或碎片；（3）半導(dǎo)體芯片底部過分的凹入；（4）有缺陷的密封；（5）不合適的間隙。

圖3是對(duì)某軍用塑封QFP100產(chǎn)品進(jìn)行X射線檢查時(shí)，剔除的典型不合格品圖像。

超聲檢測(cè)是檢測(cè)塑封器件分層情況的最有效手段。塑封器件篩選中的超聲檢測(cè)，主要用于找出器件的芯片表面及引出端焊線鍵合區(qū)的嚴(yán)重缺陷，通常也只要求做頂部檢查。接收判據(jù)包括：

（1）裂紋：塑料封裝內(nèi)與鍵合引線交叉的裂縫；從任一引線指至任一內(nèi)部特征物（引腳、芯片、芯片粘接側(cè)翼）的內(nèi)部裂紋，其長(zhǎng)度超過相應(yīng)間距的1/2；任何延伸至封裝表面的裂紋；（2）空洞：跨越鍵合絲的模塑料的任何空洞；芯片區(qū)內(nèi)有任何模塑料內(nèi)部的空洞，其他區(qū)域大于0.25 mm；（3）分層：芯片與模塑料間任何可測(cè)量的分層；引出端引線鍵合區(qū)的任何分層；大于引腳內(nèi)部長(zhǎng)度2/3的分層。

圖3 高可靠性塑封器件X射線檢查典型不合格品

圖4是對(duì)某軍用塑封QFP100產(chǎn)品進(jìn)行超聲檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)明顯分層的圖像。

圖4 高可靠性塑封器件超聲檢測(cè)分層圖像

3.2 高可靠性塑封器件鑒定檢驗(yàn)

塑封器件鑒定檢驗(yàn)主要包括全參數(shù)電測(cè)試、環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、封裝特性評(píng)價(jià)試驗(yàn)、穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)等。對(duì)可靠性要求較高的塑封器件，必須盡可能進(jìn)行全面有效的試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制?？紤]到檢驗(yàn)時(shí)間和成本，可靠性試驗(yàn)項(xiàng)目的選擇必須有針對(duì)性。表2列出了GJB7400-2011對(duì)N級(jí)塑封器件的主要鑒定考核要求。

A組檢驗(yàn)包括產(chǎn)品在高溫、低溫、常溫條件下的全參數(shù)電測(cè)試，根據(jù)產(chǎn)品規(guī)范判定是否合格。B組檢驗(yàn)主要是產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)，包括器件可焊性能力評(píng)價(jià)，塑封器件焊接溫度條件要求達(dá)到245±5 ℃。C組為穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)，對(duì)于軍用以上的可靠性等級(jí)，要求滿足1 000 h，125 ℃或等效條件。塑封器件D組試驗(yàn)與陶封等氣密性封裝器件的試驗(yàn)相比，在熱沖擊、溫度循環(huán)、強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)前后，分別引入了超聲檢測(cè)項(xiàng)目，用于評(píng)價(jià)器件分層變化情況。

4 結(jié)論

隨著塑封器件在高可靠性領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛，高可靠性塑封產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)需求越來越緊迫。不僅要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝加工著手，分析可能存在的缺陷，并采取相應(yīng)措施避免，還要共同努力，推動(dòng)權(quán)威的、具有指導(dǎo)意義的標(biāo)準(zhǔn)體系發(fā)展，為高可靠性塑封器件研制、生產(chǎn)的質(zhì)量保證打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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