塑封半导体器件的质量与可靠性
来源:用户上传
作者:
【摘 要】本文主要介绍了塑封半导体器件的运用情况、供应质量水平、主要失效模式，结合实际工作经验，通过对塑封器件失效原因进行统计分析，提出了开展塑封器件可靠性保障工作的建议。
【关键词】塑封；器件；质量与可靠性
引言
塑封半导体器件特别是贴片塑封半导体器件以其体积小、重量轻的优势，满足了航天武器系统小型化的需求，逐渐被用来替代金属或陶瓷封装的分立半导体器件。受到封装材料、禁运和进货渠道的限制，装机的塑封半导体器件（以下简称塑封器件）质量等级多为工业级。器件小型化和高集成度的飞速发展，受到质量保证能力的局限和滞后的影响，有许多器件在装机之前还没有手段进行相关的可靠性工作，其质量存在较大隐患。
近年来，国内元器件可靠性机构逐渐意识到塑封半导体器件的质量对整机的影响，开展了专题研究和试验，结合试验情况参考国际行业标准，对GJB4027-2000《军用电子元器件破坏性物理分析方法》进行了修订，在GJB4027A-2006中增加了贴片塑封电路的DPA，重要武器型号的质量保证大纲中都明确了对不能进行补充筛选的低等级器件（包括塑封器件）要制定相应的质量保证方案，通过一些可行的试验项目来考核器件的可靠性，考核合格的器件才允许装机使用，避免有质量隐患的器件使用到武器系统上，提高了武器系统的质量与可靠性。
1 塑封器件的供应质量水平
塑封器件从价格、体积与金属和陶瓷封装相比都存在巨大的优势，但塑封器件的供应质量水平不能完全按照常规的质量等级来进行衡量。
在IPC-M-109中定义了潮湿敏感性元件，规定了由潮湿可透材料所制造的非气密性包装的分类程序，塑料器件为潮湿敏感器件。在IPC/JEDEC J-STD-033标准中，潮湿敏感器件从低到高共分为8级，分级、储存环境和寿命如下：
1级：温度≤30℃、湿度85%，无限；
2级：温度≤30℃、湿度60%，1年；
2a级：温度≤30℃、湿度60%，4周；
3级：温度≤30℃、湿度60%，168h；
4级：温度≤30℃、湿度60%，72h；
5级：温度≤30℃、湿度60%，48h；
5a级：温度≤30℃、湿度60%，24h；
6级：温度≤30℃、湿度60%，时间在标签上。
在一定的储存环境条件下，潮湿敏感器件的潮湿敏感等级越低，可靠性就越有保障，所以塑封器件的供应质量水平用潮湿敏感等级来衡量更贴切。
2 塑封器件的失效模式
2.1 失效部位和失效原因
2.1.1 芯片和内互联
（1）水汽和离子导致的化学腐蚀；生产过程控制不良导致的沾污；水汽、偏压和暴露的金属导致的枝晶生长；铝金属化层中的电流密度导致的金属迁移；不同金属间的界面反应导致的金属间化合物；引脚暴露在氧气中化学反应导致氧化；
（2）因引线键合不良、引线不良，热冲击、机械冲击或振动过应力引起的芯片裂纹、分层，键合点偏离、腐蚀或电迁移使内互联不良和注塑使引线键合损伤导致的开路；
（3）工艺过程控制不良产生的颗粒、多余的内互连线以及金属化迁移和枝晶生长导致的短路；
（4）因过电应力、ESD、辐照和高温环境导致的功能丧失或退化。
2.1.2 封装和引线
（1）盐和恶劣气氛导致的腐蚀；封装厂工艺不良导致的多孔/针孔；劣质镀层、恶劣气氛导致的可焊性差；
（2）高温环境、恶劣气氛、使用清洁剂导致标志不清；在热冲击或贮存过程中，水分子沿微孔渗透到封装材料中导致芯片与模塑化合物间任何可测量的分层、引出端引线键合区的任何分层、大于引脚内部长度2/3的分层；
（3）焊接期间吸收的潮气膨胀（灌封的封装）、工艺控制不良、热冲击导致分层、裂开或“爆米花”效应；
（4）引线/封装密封工艺控制不良和振动、温度循环造成机械疲劳。
2.2 筛选中的失效情况
对17种塑封器件可靠性试验后进行统计发现：35批共1265只器件在经历了外观、温度冲击、声学扫描电子显微镜（SEM）（以下简称声扫）、结构分析等试验项目之后，有738只器件声扫不合格，淘汰率为58.34%。其中584只为引出端引线键合区存在分层，132只为芯片与封装材料之间存在分层，22只筛选合格后进行结构分析发现引线从塑封材料完全剥离。
2.3 使用中的失效情况
对使用中塑封器件失效统计发现：引线框架和封装材料界面在外键合点处分层、使得金丝外键合点拉脱占失效总数的42.9%；内压焊丝与外引出管脚之间压焊点脱落占失效总数的28.6%；封装破裂占失效总数的28.6%。
2.4 塑封器件的主要失效模式
封装与引线分层、裂开或“爆米花”效应导致的参数退化和功能失效，失效机理为水汽渗透和焊接期间吸收的潮气膨胀。
3 塑封器件的质量保证措施
（1）尽量选用潮湿敏感等级低的塑封器件。
（2）制定合适的质量保证方案，在质量保证方案中考虑对器件承受潮气能力的试验项目及试验后不合格情况的判别，如：温度冲击试验、声扫试验；关键部位的器件建议增加结构分析；因高温贮存试验可能导致器件引脚氧化或引起过多的金属间增生而降低引脚的可焊性，建议取消。
（3）开展塑封器件质量保证能力建设，提高塑封器件的试验能力并逐步开展塑封器件的补充筛选工作。
（4）改善器件的储存环境，尽量采用器件的原包装或抽真空防潮包装储存器件，避免器件长期暴露在大气中吸附潮气从而降低使用寿命和可靠性，同时在器件装袋储存之前进行适当烘干。
（5）回收退库的器件要先进行烘干处理，再密封后在规定的环境中储存，记录密封日期。塑封器件密封在干燥袋内的存储时间（库存寿命）是从密封之日起12个月。库存元器件发放后，对剩余的器件应重新抽真空密封包装，库存环境至少应满足标准规定的I类环境要求。
（6）监控塑封器件装机前开袋后在大气环境中的暴露时间，不要超过该器件潮湿敏感分类等级规定的最长暴露时间。器件从库房到烘干设备，再到被装入密封袋内，整个过程都要采用严格的防静电措施；在周转过程中应避免器件的引脚受到损伤。
（7）塑封器件在焊装之前应进行烘干处理，去除器件内部的潮气，避免因内部潮气导致焊接过程中出现热效应蒸汽膨胀。
（8）做好器件焊装之后的防护工作，避免器件焊装后暴露在空气之中的时间太长而受潮失效。
4 结束语
塑封器件的质量与可靠性受到国内外可靠性保障行业机构和专家的重视，逐步开展了专项的研究和试验工作，取得了可喜的成果，国内已具备了进行塑封器件补充筛选和进行结构分析的能力和手段。但在塑封器件的质量与可靠性控制方面还没有形成一个统一共识，希望通过共同努力，使塑封器件的质量与可靠性工作取得突破性进展。
参考文献：
[1]NASA/TP-2003-212244.《塑封微电路（PEM）选择、筛选和鉴定指南》.
[2]IPC/JEDECJ-STD-020B.塑料集成电路（IC）SMD的潮湿/回流敏感分类.
[3]IPC/JEDECJ-STD-033.潮湿/回流敏感性SMD的处理、包装、装运和使用标准.
作者简介：
薛淑秀，女，1986年7月参加工作，1989年3月开始在航天科工集团元器件可靠性中心九院分中心工作，2010年12月到航天科工集团元器件可靠性中心四院分中心工作至今，长期从事元器件可靠性保障能力建设和新品筛选技术条件的研究，积累了丰富实践经验。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-5655366.htm
