HAST試驗(yàn)對塑封器件分層的影響分析

黃 煒，白 璐

（中國電子科技集團(tuán)公司 第二十四研究所，重慶 400060）

HAST試驗(yàn)對塑封器件分層的影響分析

黃 煒，白 璐

（中國電子科技集團(tuán)公司 第二十四研究所，重慶 400060）

選取三種具有一定代表性的塑封產(chǎn)品，嚴(yán)格按照軍用級標(biāo)準(zhǔn)GJB 7400對塑封電路篩選、預(yù)處理后，進(jìn)行HAST試驗(yàn)摸底，驗(yàn)證HAST環(huán)境試驗(yàn)對國產(chǎn)塑封器件的影響，并提出軍用塑封器件在設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)。

塑封器件；強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱；可靠性；塑封分層

引言

塑封器件具有體積小、重量輕、成本低、電性能指標(biāo)優(yōu)良等特點(diǎn)。在發(fā)達(dá)國家塑封器件的發(fā)展早已成熟，取代陶瓷封裝器件的趨勢已定，發(fā)達(dá)國家早在多年前便已成功地將塑封器件應(yīng)用在許多軍用電子設(shè)備中。而在我國，由于缺乏軍用塑封器件生產(chǎn)線，國內(nèi)工業(yè)級塑封線不能完全符合軍用級標(biāo)準(zhǔn)，特別是經(jīng)歷高溫高濕的環(huán)境試驗(yàn)后，塑封電路在超聲檢測時(shí)分層現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，因此，盡管塑封器件具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但在我國軍用電子元器件領(lǐng)域，大規(guī)模的以塑封器件代替陶瓷封裝電子元器件在短期內(nèi)還無法實(shí)現(xiàn)。

為驗(yàn)證國內(nèi)工業(yè)級塑封元器件與軍品塑封元器件要求的差距，須按國軍標(biāo)要求對其進(jìn)行一系列可靠性試驗(yàn)，評估我國現(xiàn)有工業(yè)級塑封器件的可靠性水平。為此，我們選取了不同封裝形式、不同封裝廠家、不同芯片面積與載體比例的三種具有一定代表性的塑封產(chǎn)品，嚴(yán)格按照軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 7400要求進(jìn)行了可靠性摸底試驗(yàn)。經(jīng)摸底發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)工業(yè)級塑封器件在按照GJB 7400進(jìn)行篩選、考核試驗(yàn)的摸底時(shí)，“超聲檢測分層面積超標(biāo)”是最主要的失效、淘汰原因。由于熱應(yīng)力與濕氣最容易引起塑封器件分層，而HAST試驗(yàn)是GJB 7400規(guī)定的塑封器件篩選、考核試驗(yàn)中熱應(yīng)力與濕氣應(yīng)力最為嚴(yán)苛的試驗(yàn)，因此本文針對強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)（HAST）對塑封器件分層的影響進(jìn)行分析。

1 HAST試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品預(yù)處理

我們選取1#、2#、3#三種不同封裝形式、不同封裝廠家、不同芯片面積與載體比例的塑封器件進(jìn)行HAST試驗(yàn)。三種器件封裝形式、封裝廠家及芯片面積與載體面積比例等具體參數(shù)如表1所示。

表1 塑封器件類型

根據(jù)GJB 7400要求，對上述三種工業(yè)級塑封器件進(jìn)行如下試驗(yàn)：首先對1#、2#及3#三種塑封器件進(jìn)行篩選（包括：溫度循環(huán)、老煉、電測試、X射線、超聲檢測等共計(jì)10余項(xiàng)），篩選完成后，抽取1#、2#及3#篩選合格電路各22只，按GJB 7400的D4分組試驗(yàn)要求進(jìn)行預(yù)處理試驗(yàn)（包括：125℃、24h烘焙，60℃、60%RH、40h濕浸試驗(yàn)、回流焊、清洗、烘干），對預(yù)處理后的上述三種塑封電路進(jìn)行電參數(shù)測試，測試結(jié)果全部合格（即預(yù)處理過程未發(fā)現(xiàn)失效）。

1.2 HAST試驗(yàn)及結(jié)論

1.2.1 130℃、85%RH 100h的HAST試驗(yàn)

首先對預(yù)處理之后電路進(jìn)行130℃、85%RH 100h強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)（HAST）。

對130℃、85%RH 100h HAST試驗(yàn)后電路進(jìn)行電參數(shù)測試，所有電路電參數(shù)測試結(jié)果均合格，相對試驗(yàn)前電參數(shù)未見明顯變化。

再對上述電路進(jìn)行超聲檢測，結(jié)果顯示：1#及2#合格，未出現(xiàn)分層現(xiàn)象，3#約有95%器件出現(xiàn)明顯的、嚴(yán)重的分層現(xiàn)象，三種塑封器件試驗(yàn)前超聲照片及HAST試驗(yàn)后超聲檢測照片如圖1、圖2所示。從圖2中可明顯觀察到3#試驗(yàn)后有大面積的分層現(xiàn)象。

圖1.a 1#試驗(yàn)前超聲照片

圖1.b 2#試驗(yàn)前超聲照片

圖1.c 3#試驗(yàn)前超聲照片

圖2 3#試驗(yàn)后超聲照片

1.2.2 130℃、85%RH 500h的HAST試驗(yàn)

對100h強(qiáng)加速穩(wěn)態(tài)濕熱試驗(yàn)后未分層的1#及2#電路繼續(xù)進(jìn)行500h的 HAST試驗(yàn)，試驗(yàn)后電路電參數(shù)測試均合格，超聲檢測結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象。

1.2.3 小結(jié)

由HAST試驗(yàn)結(jié)果可知，三種工業(yè)級塑封器件在經(jīng)歷100h HAST試驗(yàn)后，電參數(shù)均合格，未出現(xiàn)功能性失效，而且1#及2#未出現(xiàn)明顯分層現(xiàn)象；但3#出現(xiàn)了大量電路分層。說明目前國內(nèi)工業(yè)級塑封生產(chǎn)線仍不能完全滿足軍用級要求。按照國軍標(biāo)要求進(jìn)行可靠性試驗(yàn)之后電路雖電參數(shù)滿足指標(biāo)要求，但分層帶來的可靠性問題會(huì)極大地影響工業(yè)級塑封器件在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 HAST試驗(yàn)結(jié)論分析

2.1 HAST試驗(yàn)引起塑封器件分層失效機(jī)理

經(jīng)過HAST試驗(yàn)之后的塑封器件主要受到溫度應(yīng)力及濕氣兩方面的作用。

由于封裝體與焊盤及引線框架材料的熱膨脹系數(shù)均不一致，熱應(yīng)力作用下塑封器件內(nèi)不同材料的連接處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，如果應(yīng)力水平超過其中任何一種封裝材料的屈服強(qiáng)度或斷裂強(qiáng)度，便會(huì)導(dǎo)致器件分層。而且一般來說塑封料環(huán)氧樹脂的玻璃化溫度都不高，其熱膨脹系數(shù)和楊氏模量在玻璃化溫度附近區(qū)域?qū)囟茸兓浅Ｃ舾?，在極小的溫度變化量下，環(huán)氧塑封材料的熱膨脹系數(shù)和楊氏模量就會(huì)發(fā)生特別明顯的變化，導(dǎo)致塑封器件更容易出現(xiàn)可靠性問題。

塑封器件是以樹脂類聚合物為材料封裝的半導(dǎo)體器件，樹脂類材料本身并非致密具有吸附水汽的特性，封裝體與引線框架的粘接界面等處也會(huì)引入濕氣進(jìn)入塑封器件，當(dāng)塑封器件中水汽含量過高時(shí)會(huì)引起芯片表面腐蝕及封裝體與引線框架界面上的樹脂的離解，反過來進(jìn)一步加速了濕氣進(jìn)入塑封器件內(nèi)部，最終導(dǎo)致分層現(xiàn)象出現(xiàn)。

在HAST試驗(yàn)中熱應(yīng)力及濕氣共同作用，封裝體內(nèi)部水汽壓力快速升高，封裝體膨脹，進(jìn)一步加速了塑封器件分層。

2.2 試驗(yàn)后僅3#分層原因分析

2.2.1 芯片面積與載體面積比例的差異

對比同一塑封廠家加工的3#及2#的塑封參數(shù)可知，3#芯片面積與載體面積比例約30.77%，2#芯片面積與載體面積比例約為17.3%，3#與2#相比芯片面積與載體面積比例較大，即芯片面積占載體面積比例相對較多，塑封料與載體接觸面積相對較少，導(dǎo)致3#在嚴(yán)酷的試驗(yàn)條件下更易發(fā)生分層失效。

2.2.2 粘結(jié)材料的差異

對比1#與3#的塑封參數(shù)可知，1#與3#采用的粘結(jié)材料有所差異，1#采用絕緣膠粘結(jié)，而3#采用導(dǎo)電膠粘接。與3#相比，雖然1#芯片面積與載體面積比例也較接近，但經(jīng)歷相同條件HAST試驗(yàn)之后卻未發(fā)生明顯分層現(xiàn)象?？梢娬辰Y(jié)材料對塑封器件可靠性也有一定影響。

3 軍用塑封器件設(shè)計(jì)時(shí)需注意事項(xiàng)

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)論可以得出通過正確的選擇塑封材料及塑封參數(shù)等條件可適當(dāng)提高塑封器件可靠性：

1）對比相同廠家但芯片面積與載體面積比例不同的塑封器件試驗(yàn)結(jié)果可知，芯片面積與載體面積比例較接近的器件更易分層。由于芯片面積無法更改，在塑封尺寸的選擇時(shí)，可盡量選擇較大的載體尺寸，增大塑封料與載體接觸面積。如果載體面積也已固定，可適當(dāng)加大塑封材料灌封時(shí)的壓力，以便塑封材料與載體結(jié)合的更加緊密，減小造成塑封器件分層失效的可能。

2）對比不同塑封廠家加工的塑封器件HAST試驗(yàn)結(jié)果可知，由于粘結(jié)材料不同試驗(yàn)后分層情況也有所差異，導(dǎo)電膠粘結(jié)的塑封器件更易分層，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，可盡量選擇絕緣膠粘結(jié)，提升塑封器件可靠性。

3）針對已封裝完成無法改變塑封條件的器件，可采用真空涂敷工藝對工業(yè)級塑封元器件進(jìn)行三防處理的方法以增強(qiáng)塑封器件密封性，有助于提高工業(yè)級塑封器件可靠性，使其接近軍用環(huán)境下的使用要求，而且應(yīng)用在元器件上的三防材料（主要是丙烯酸樹脂、環(huán)氧樹脂、硅樹脂、 聚安基甲酸樹脂和聚對二甲笨）多數(shù)為透明材料，涂敷后不會(huì)影響塑封器件的辨別。

雖然目前部分國產(chǎn)工業(yè)級塑封器件能夠達(dá)到軍用級要求，但并沒有塑封體尺寸選擇或其他塑封條件選擇的相關(guān)參照標(biāo)準(zhǔn)，因此在軍用級塑封器件選擇塑封參數(shù)時(shí)應(yīng)綜合各方面可能影響其可靠性的因素。

4 結(jié)論

本文選取了不同封裝形式、不同封裝廠家、不同芯片面積與載體比例的三種具有一定代表性的塑封產(chǎn)品按照GJB 7400要求進(jìn)行篩選、預(yù)處理后，進(jìn)行HAST試驗(yàn)，通過對HAST試驗(yàn)后電路分層情況進(jìn)行分析，得出影響塑封電路可靠性的因素，對軍用塑封器件的設(shè)計(jì)提出了一些建議，例如盡量選取尺寸較大的載體，適當(dāng)加大塑封材料灌封時(shí)的壓力等。但是由于試驗(yàn)樣品種類及試驗(yàn)條件的限制，本文的試驗(yàn)結(jié)論具有一定的局限性，需通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步完善。

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The Influence of HSAT for Plastic Encapsulated Microelectronics Devices

HUANG Wei, BAI Lu
（Sichuan Institute of Solid State Circuits, China Electronics Technology Group Crop., Chongqing 400060）

The paper selects three kinds of representative plastic encapsulated microelectronics devices, after filtering and preprocessing PEM strictly according to military grade standard of GJB 7400, the influence of HAST environmental test to the PEM made in China is analyzed. Finally, the matters needed attention in the design of military PEM is proposed.

PEM; HAST; reliability; delamination

TN406

A

1004-7204(2014)05-0056-03

黃 煒（1992－），女，四川達(dá)州人，助理工程師，主要從事集成電路可靠性與失效分析研究。