塑封器件除濕方案設(shè)計與驗證

吳立強，王 宇，李 泱，支鈺崧，胡 涵

塑封器件除濕方案設(shè)計與驗證

吳立強，王 宇，李 泱，支鈺崧，胡 涵

（中國運載火箭技術(shù)研究院物資中心，北京，100076）

聲學(xué)掃描試驗?zāi)軌蛴行蕹芊馄骷姆謱?、裂紋、空洞等內(nèi)部缺陷，提高型號應(yīng)用的可靠性。聲學(xué)掃描試驗過程中需要使用水作為超聲波傳播介質(zhì)，被試塑封器件需要完全浸入到水中，由于塑封器件封裝體是非密封的和易吸濕的，所以無法避免濕氣的浸入。目前，中國塑封器件聲學(xué)掃描試驗后的除濕方法缺少指導(dǎo)性的技術(shù)規(guī)范。為研究高溫除濕方法并制定規(guī)范，通過稱重方式研究塑封器件的吸濕特點，并驗證在不同高溫下除濕的有效性，在大量的試驗驗證和分析基礎(chǔ)上，制定出型號塑封器件可行的除濕技術(shù)規(guī)范。

聲學(xué)掃描；塑封器件；除濕；稱重

0 引 言

目前，塑封器件逐漸被航天航空等高可靠領(lǐng)域認(rèn)可，已經(jīng)得到不同程度的應(yīng)用[1-2]。塑封器件是一種以塑料（高分子聚合物，包括環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺、BCB樹脂、BT樹脂等）為主體的封裝材料，把芯片等部件緊緊包裹在里面的一種封裝形式。合格的塑封器件內(nèi)部不應(yīng)有空腔存在[3]。而實際的塑封器件在熱失配、封裝工藝參數(shù)控制不當(dāng)?shù)那闆r下，內(nèi)部可能存在缺陷。缺陷包括塑封料與芯片或引線框架間的分層、塑封料里面的裂紋和空洞等[4]。多年的試驗發(fā)現(xiàn)，分層是塑封器件最可能出現(xiàn)的缺陷[5]，這與塑封料與其他部件熱膨脹系數(shù)不同有關(guān)。利用聲學(xué)掃描顯微鏡對塑封器件進(jìn)行無損式內(nèi)部缺陷檢查[6]是目前行業(yè)內(nèi)常用的試驗手段。聲學(xué)掃描試驗?zāi)軌蛴行Оl(fā)現(xiàn)塑封器件的分層、裂紋、空洞等缺陷，進(jìn)而剔除有缺陷的樣品。在聲學(xué)掃描試驗時，需要使用水作為超聲波傳播介質(zhì)，在浸水過程中濕氣會侵入到塑封器件內(nèi)部。濕氣侵入塑封器件存在如下危害：a）濕氣中若帶有較多的離子沾污物，會使芯片的鍵合區(qū)發(fā)生腐蝕，芯片表面的鈍化層存在缺陷，則濕氣會侵入到芯片的金屬化層導(dǎo)致腐蝕[7]；b）在高溫作用時，濕氣會膨脹且體積增大，由于熱失配導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)分層，嚴(yán)重的會在器件表面產(chǎn)生鼓包，即“爆米花”效應(yīng)[8-9]，若膨脹變形嚴(yán)重，形變應(yīng)力會導(dǎo)致芯片破裂等。因此，聲學(xué)掃描試驗后需要將侵入塑封器件的濕氣去除，一般方式是高溫烘焙法[10]，利用高溫下濕氣的揮發(fā)達(dá)到除濕的目的。

1 除濕技術(shù)規(guī)范調(diào)研

經(jīng)過廣泛研究聲學(xué)掃描試驗后塑封器件的高溫烘焙技術(shù)規(guī)范，未發(fā)現(xiàn)中國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定此項內(nèi)容，國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定得也不十分詳細(xì)，可操作性較差。如美國軍用標(biāo)準(zhǔn)PEM-INST-001《Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit(PEM) Selection，Screening，and Qualification》（塑封微電路選擇、篩選和鑒定指南）中規(guī)定了聲學(xué)掃描試驗后塑封器件應(yīng)進(jìn)行1 h、125 ℃的高溫烘焙，以去除塑封器件內(nèi)部濕氣[11]。此試驗條件是否適用不同體積的塑封器件，對于最高工作溫度達(dá)不到125 ℃的塑封器件，如何進(jìn)行烘焙試驗，數(shù)據(jù)支撐還不夠充分。

綜上，國內(nèi)外都未發(fā)現(xiàn)比較完善的聲學(xué)掃描試驗后塑封器件烘焙的試驗條件。

2 除濕方案設(shè)計

本文的方案設(shè)計思路是：塑封器件浸水后吸入濕氣質(zhì)量增加，使用高精度電子秤稱量質(zhì)量的增加量，然后進(jìn)行烘焙，稱量塑封器件質(zhì)量的減少量，直至烘焙減少量與浸水增加量相當(dāng)。使用的烘焙溫度和時間就是樣品最佳烘焙試驗條件。

2.1 試驗工具

本次選用衡際FA3204H型高精度電子秤開展試驗，該電子秤滿量程為320 g，精度為0.1 mg，如圖1所示。

圖1 電子秤外觀

2.2 試驗樣品

選取6只體積相對較大塑封器件樣品，從濕氣行進(jìn)路徑角度考慮，體積較大器件濕氣行進(jìn)路徑長。體積較小器件濕氣行進(jìn)路徑短，也能夠達(dá)到除濕的效果，樣品外觀如圖2所示。

圖2 樣品器件三視圖

2.3 浸水時間

綜合分析聲學(xué)掃描試驗過程，根據(jù)難易程度和復(fù)雜程度，日常試驗樣品浸水時間約4～30 min，選取最長浸水時間30 min作為樣品模擬浸水時間。

2.4 烘焙溫度

分析塑封器件的實際工作溫度。一般工業(yè)級產(chǎn)品最高工作溫度為85 ℃，軍級產(chǎn)品最高工作溫度為125 ℃，非標(biāo)工業(yè)級為85～125 ℃。85～125 ℃基本能夠覆蓋型號塑封器件的最高工作溫度范圍，故選取85℃、105℃、125℃ 3個溫度點作為試驗驗證溫度點。

2.5 烘焙時間

一般元器件的試驗計時以小時為記錄時間節(jié)點，本次烘焙也以小時為烘焙時間節(jié)點，每烘焙1 h進(jìn)行一次稱重。

3 除濕試驗驗證

3.1 浸水及聲學(xué)掃描檢查

將6只樣品編號為1#至6#，分別稱重記錄，進(jìn)行30 min浸水后再進(jìn)行稱重，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 塑封器件樣品浸水及稱重試驗結(jié)果

Tab.1 Plastic packaging device samples immersed in water and weighed experiment results

樣品編號1#2#3#4#5#6# 初始質(zhì)量/g5.55915.50035.56515.50395.51475.5003 浸水30min后質(zhì)量/g5.56035.50155.56635.50525.51595.5016 增加量/g0.00120.00120.00120.00130.00120.0013

經(jīng)過30 min浸水試驗后，6只樣品增加1.2～1.3 mg不等的質(zhì)量，平均增加質(zhì)量1.23 mg。

同時對比浸水前后聲學(xué)掃描試驗結(jié)果[12]。聲學(xué)掃描試驗結(jié)果基本一致，說明浸水過程未對塑封器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。以其中2只樣品為例，掃描試驗結(jié)果如圖3至圖6所示。

圖3 浸水前樣品正面聲學(xué)掃描試驗結(jié)果

圖4 浸水前樣品反面聲學(xué)掃描試驗結(jié)果

圖5 浸水后樣品正面聲學(xué)掃描試驗結(jié)果

圖6 浸水后樣品反面聲學(xué)掃描試驗結(jié)果

3.2 烘焙試驗

在85 ℃、105 ℃、125 ℃ 3個溫度點下分別進(jìn)行烘焙，時間以1 h遞進(jìn)，每烘焙1 h后稱量樣品質(zhì)量，按表2記錄烘焙時間與質(zhì)量的變化關(guān)系。4 h后各溫度點下都已完成濕氣去除。

表2 烘焙時間與質(zhì)量的變化關(guān)系

Tab.2 Relationship between roast time and change of weight

烘焙溫度/℃85105125 樣品編號1#2#3#4#5#6# 烘培稱重g 初始值5.56035.50155.56635.50525.51595.5016 烘焙1h5.55985.50095.56575.50465.51495.5005 烘焙1h減少量0.00050.00060.00060.00060.00100.0011 烘焙2h5.55965.50075.56515.50415.51435.5000 烘焙2h減少量0.00070.00080.00120.00110.00160.0016 烘焙3h5.55945.50035.56475.50365.51345.4992 烘焙3h減少量0.00090.00120.00160.00160.00250.0024 烘焙4h5.55905.50005.56425.50315.51255.4987 烘焙3h減少量0.00130.00150.00210.00210.00340.0029

將表2中質(zhì)量變化量進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算在不同溫度點下質(zhì)量的變化平均值，如表3所示。

表3 不同溫度點下質(zhì)量的平均變化量

Tab.3 Average change of weight at different temperature points

烘焙溫度/℃85105125 烘焙1h減少量平均值/ mg0.550.61.05 烘焙2h減少量平均值/ mg0.751.151.6 烘焙3h減少量平均值/ mg1.051.62.45 烘焙4h減少量平均值/ mg1.252.13.15

6只樣品浸水平均增加質(zhì)量是1.23 mg，分析表3中不同溫度、不同烘焙時間樣品的質(zhì)量減少平均值。在85 ℃溫度點下、達(dá)到4 h烘焙時間后，2只樣品的平均變化量為1.25 mg，滿足大于1.23 mg的減重需要；在105 ℃溫度點下、達(dá)到3 h烘焙時間后，2只樣品的平均變化量為1.6 mg，已經(jīng)超出1.23 mg的減重需要，說明在2～3 h的某一時間點就已經(jīng)滿足了減重需要；在125 ℃溫度點下、達(dá)到2 h烘焙時間后，2只樣品的平均變化量為1.6 mg，已經(jīng)超出1.23 mg的減重需要，說明在1～2 h的某一時間點就已經(jīng)滿足了減重需要。3組烘焙質(zhì)量減少平均值與浸水質(zhì)量增加平均值對應(yīng)關(guān)系如圖7所示。

圖7 烘焙質(zhì)量減少平均值與浸水質(zhì)量增加平均值對應(yīng)關(guān)系

3.3 試驗結(jié)果分析

經(jīng)對聲學(xué)掃描試驗結(jié)果的比較，較長時間的浸水過程不會改變塑封器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，及時去除內(nèi)部濕氣的情況下，不會影響塑封器件的正常使用。

通過數(shù)據(jù)對比能夠發(fā)現(xiàn)，在6只被試樣品浸水后，質(zhì)量變化增量平均值為1.23 mg，在經(jīng)過85 ℃下4 h、105 ℃下3 h、125 ℃下2 h烘焙，都能起到樣品器件質(zhì)量減少量超過1.23 mg的目的，同時也能夠證明溫度越高烘焙效率越高，溫度略低也能起到烘焙的效果，只是時間需要加長。

結(jié)合實際試驗情況，對于工作溫度能達(dá)到125 ℃的塑封器件，采用125 ℃烘焙2 h的試驗條件，既能起到烘焙效果又能提高工作效率。對于體積較大的塑封器件試驗，美國軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的125 ℃烘焙1 h的試驗條件的效果相對較差。對于工作溫度不能達(dá)到125 ℃的塑封器件，采用85 ℃烘焙4 h或105 ℃烘焙3 h的試驗條件，既能實現(xiàn)烘焙的目的又能確保塑封器件不受到損傷。

4 結(jié) 論

塑封器件的浸水過程不會改變塑封器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過試驗驗證和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，塑封器件的烘焙溫度越高，烘焙效果越明顯。根據(jù)塑封器件的最高工作溫度，85 ℃烘焙4 h、105 ℃烘焙3 h或125 ℃烘焙2 h，是聲學(xué)掃描試驗后最優(yōu)的烘焙試驗條件。

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Design and Verification of Dehumidification Scheme for Plastic Packaging Devices

WU Liqiang, WANG Yu, LI Yang, ZHI Yusong, HU Han

(Material Center of China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

The acoustic scanning test can effectively weed out the internal defects such as delamination, crack, cavity, etc. of the plastic packaging devices, and improve the reliability of the model application. During the acoustic scanning test, water is required to be used as the ultrasonic transmission medium, and the plastic packaging devices under test needs to be completely immersed in water, because of the package of the plastic packaging devices is unsealed and easy to absorb moisture, the immersion of moisture cannot be avoided, At present, there is no instructive technical specification for the dehumidification method of domestic plastic packaging devices after the acoustic scanning test. To study the high temperature dehumidification method and formulate specification, the moisture absorption characteristics of plastic packaging devices through weighing are creatively studied, and the effectiveness of dehumidification under different high temperatures is verified. Based on a large number of experimental verification and analysis, a feasible dehumidification technical specification for model plastic packaging devices is formulated.

acoustic scanning; plastic packaging devices; dehumidification; weigh

2097-1974(2023)02-0114-04

10.7654/j.issn.2097-1974.20230222

V416

A

2022-11-29；

2023-03-05

吳立強（1979-），男，研究員，主要研究方向為電子元器件質(zhì)量保證技術(shù)。

王 宇（1979-），男，工程師，主要研究方向為電子元器件質(zhì)量保證技術(shù)。

李 泱（1991-），男，工程師，主要研究方向為電子元器件質(zhì)量保證技術(shù)。

支鈺崧（1991-），男，博士研究生，主要研究方向為電子元器件質(zhì)量保證技術(shù)。

胡 涵（1995-），男，工程師，主要研究方向為電子元器件質(zhì)量管理。