塑封電子元器件水煮法研究

苗 旭 歐毓迎

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)所有的電子元器件大部分均為塑封器件，塑封器件相對于金屬封裝器件、陶瓷封裝器件成本明顯降低，制造工藝簡單以及易于自動化生產(chǎn)，生產(chǎn)效率大大提高；但是塑封器件的缺點也比較明顯，目前塑料封裝材料主要有酚醛類、聚酯類、環(huán)氧類和有機硅類（硅酮），環(huán)氧樹脂是其中應(yīng)用最廣泛的，其EMC組成以及配比如表1[1]。由于環(huán)氧樹脂材料本身的特性，由該材料塑封的電子元器件本身的耐熱散熱性能和密封性較差。對比金屬封裝以及陶瓷封裝的電子器件成品，塑料封裝的電子元器件成品密封性能較弱，在高溫、高濕等環(huán)境下水汽會更容易滲透進(jìn)塑料封裝的電子器件芯腔內(nèi)部，形成一種電解質(zhì)，在器件內(nèi)部電場作用下能引起各種化學(xué)與電化學(xué)反應(yīng)；同時水汽具有極大的介電常數(shù)（ε=81），其會引起器件內(nèi)部電性能失效甚至?xí)r間久了會引起內(nèi)部綁線（鋁線）腐蝕[2]，因此研究塑封電子元器件高溫高濕環(huán)境下的密封性能顯得尤為重要。

表1 達(dá)式環(huán)氧塑封器件封裝材料組成及配比

1 實驗方法

為了研究塑封電子元器件的密封性，首先需要了解塑封封裝的電子器件密封性的影響環(huán)境因素。上世紀(jì)90年代，有學(xué)者歸納水分子在環(huán)氧樹脂中決定其吸水行為最重要的因素是樹脂的化學(xué)結(jié)構(gòu)與組成。目前國際市場使用的電子元器件封裝材料多為固化的環(huán)氧樹脂，即通過利用固化劑中的羥基改換成為脂功能基從而固話環(huán)氧樹脂；這也導(dǎo)致塑封電子元器件較于金屬封裝、陶瓷封裝更利于水分子的擴散進(jìn)入樹脂內(nèi)部，并以結(jié)合水或者吸附水的形式存在[3]。

目前國內(nèi)有大量的方法評估、驗證包括電子元器件在內(nèi)的各種零部件的密封性以及潮濕敏感性。其中最典型的莫過于高溫高濕環(huán)境老化了，但是高溫高濕老化也分為多種：溫度與濕度根據(jù)具體的器件提出具體的要求，對塑封電子元器件密封性能的研究從水煮法開始。

2 水煮法

水煮法的過程就是把環(huán)氧樹脂封裝類的塑封電子元器件直接置于微沸狀態(tài)的水煮若干時間，然后取出測試其電氣性能與未水煮前進(jìn)行對比。該試驗方法操作簡單，對實驗設(shè)備只要求保持水溫持續(xù)沸騰狀態(tài)即可。但是在規(guī)范水煮法的基礎(chǔ)上，本研究選用三端穩(wěn)壓器、LQFP封裝芯片做代表，進(jìn)一步對其試驗方法定量研究的探索：即研究器件水煮的時間、器件水煮的溫度、器件水煮的氣壓等。

圖1 不同水煮時間后重量趨勢變化

2.1 水煮的時間

本研究采用7805三端穩(wěn)壓塊進(jìn)行水煮實驗研究，樣品進(jìn)行水煮前先進(jìn)行高溫24 h處理，把器件位于水煮器皿中間位置，然后保持水溫持續(xù)沸騰狀態(tài)，分別經(jīng)過24 h、48 h以及72 h后取出測試器件重量。實驗結(jié)果如圖1。

小結(jié)：抽取50#樣品進(jìn)行水煮試驗后重量測試，圖中曲線顯示試驗樣品水煮前48 h隨者實驗時間的延長，器件越重，即器件材料吸水含量越多，48 h之后，三端穩(wěn)壓塊器重量變化速率下降甚至不變，證明塑封電子元器件吸水行為存在某種線性關(guān)系，水煮一定時間器件內(nèi)部水汽含量達(dá)到極限。

2.2 水煮的溫度

該試驗采用LQFP封裝芯片進(jìn)行驗證，通過改變水煮的溫度來研究塑封器件吸水效率。溫度分別為60 ℃、80 ℃、100 ℃、120 ℃、150 ℃（當(dāng)溫度在60 ℃、80 ℃時，水溫沒有沸騰），時間設(shè)定每1 h測試一次器件重量變化。

小結(jié)：實驗結(jié)果表明，在水煮方法的條件下，不同溫度下塑封電子元器件的吸水效率在水煮1 h后基本達(dá)到飽和，達(dá)到飽和后，繼續(xù)水煮對器件的密封吸水性研究意義不大。也就是說，規(guī)定水煮時間（例如大于1 h），塑封器件吸水率與溫度無關(guān)。

2.3 水煮的氣壓

本項目研究的水煮的氣壓，嚴(yán)格來說是飽和蒸汽壓：在密閉條件中，一定溫度下，與固體或者液體處于相平衡的蒸汽所具有的壓強稱之為飽和蒸汽壓。同一物質(zhì)在不同溫度下有不同的飽和蒸汽壓，并隨著溫度的升高而增大。

圖2 不同溫度水煮器件質(zhì)量變化趨勢圖

圖3為不同壓力、溫度下的蒸汽分類，顯示了相比于過熱蒸汽以及液態(tài)水區(qū)，飽和蒸汽壓在驗證檢驗器件抵抗水汽侵入及腐蝕（不包括外部腐蝕）的應(yīng)用更加廣泛：

1）高壓蒸煮： 121oC/100 %RH，205 kPa（2 atm），168 hrs。

圖3 不同壓力、溫度下蒸汽分類

2）水煮條件：恒溫水煮100oC，（1 atm），96 H（不同器件待定）

3）恒溫恒濕： 60 ℃±2 ℃、90 % ～95 % RH ，240 h

以上1和3為行業(yè)普遍采用的耐候可靠性檢驗的實驗條件，對比等換，高壓蒸煮以及恒溫恒濕設(shè)備成本、條件要求控制更加繁瑣，單獨相對高壓蒸煮，其溫度已超過部分塑封器件存儲溫度。恒溫恒濕相對比水煮要求相對要弱?；诖?，水煮實驗驗證塑封器件的密封可靠性具有適應(yīng)性。

2.4 性能驗證

取兩組三端穩(wěn)壓器（型號7805）各50個進(jìn)行水煮實驗驗證短期電性能變化規(guī)律，對比水煮實驗前后、不同水煮時間，器件測試試驗后的電性能無太大變化，圖4、5主要測試7805穩(wěn)壓塊關(guān)鍵性能參數(shù)輸出電壓以及電流調(diào)整率。

圖中性能曲線表明器件水煮后輸出電壓以及電流調(diào)整率均保持一定范圍，參數(shù)無明顯變化。但是由于器件必然存在著吸水行為，且短期性能驗證無異常，同步驗證了水汽浸入影響的是器件的可靠性，導(dǎo)致器件長期工作后失效。

圖4 不同水煮時間7805穩(wěn)壓塊電流調(diào)整率

圖5 不同水煮時間7805電流調(diào)整率

3 結(jié)論

1）通過對三端穩(wěn)壓器、LQFP封裝芯片進(jìn)行水煮驗證，塑封器件吸水率短期達(dá)到飽和后不再增加，試驗后電性能測試無明顯變化，驗證封裝不良導(dǎo)致的器件吸水對性能的影響是長期的。

2）不同溫度下水煮實驗可以使塑封器件吸水能力在短時間基本達(dá)到飽和，繼續(xù)水煮溫度對器件吸水率無影響。

3）水煮與其他濕熱環(huán)境存在一定等效關(guān)系，相比于恒溫恒濕環(huán)境，水煮條件更加嚴(yán)酷，一定條件下可以快速使半導(dǎo)體器件內(nèi)部水汽含量達(dá)到飽和。