摘要：
在氣密性陶瓷封裝、金屬封裝元器件在體積、重量、性能等方面無法滿足使用要求時，設計師不得不選用塑封元器件，且軍 用塑封器件多是來自國外進口。航空航天等高可靠領域對塑封器件的使用日益廣泛，但尚缺乏統(tǒng)一的標準規(guī)范指導選用，用戶單位需要根據塑封器件常見的故障模式和失效機理，采用X光、聲掃、高溫高壓蒸煮試驗以及老煉篩選等手段，評價塑封器件的可靠性，增加使用塑封器件的信心。
0 引言
塑封材料的升級改進和生產工藝技術的日漸提高，可以有力提升塑封器件的可靠性水平。武器系統(tǒng)朝著高性能、小型化、輕型化和高集成化的方向發(fā)展，陶瓷和金屬封裝的元器件在小型化和輕型化方面不能滿足要求，隨著塑封器件可靠性的提高，軍 用領域已經逐步大量接受并使用進口塑封元器件，國產塑封器件在材料和工藝方面相比國外差距較大，存在不容忽視的使用可靠性問題。本文介紹了塑封元器件的故障模式和機理，研究采用針對性的可靠性評價技術（鑒定試驗），以提高用戶在高可靠領域使用塑封器件的信心。
1 塑封料與引線框架介紹
■ 1.1 塑封料的組成與作用
塑封料是一種多組分的高分子復合材料，主要由一種高分子熱固性樹脂所組成，其中包括多種有機成分和無機成分。塑封料的基本構成包括：
聚合物：主要作用是無機物和有機物的橋梁；
催化劑：主要作用是加快交聯(lián)反應速度；
填充劑：主要作用是提高物理性能，降低膨脹系數、吸水性和成本；
添加劑：主要作用是提高脫模性能，改善流動性、提高材料的阻燃性能、染色、降低雜質含量等。
■ 1.2 引線框架的基本性質
引線框架的主要作用是承托芯片和外引管腳，連接器件與印刷電路板，實現(xiàn)器件功能與印制板金屬介質的互通，目前市場上的基材主要分為銅質和鐵質兩種。一般選用鐵質引線導線框架，表面鍍銅，銅的特點為導電性與導熱度都極 佳。
在工程應用中，一方面應盡量尋找膨脹系數接近的引線框架和塑封料，另一方面增加塑封料與框架間的粘合力，用來消除溫度變化過程中不同材料之間產生的不平衡應力。
2 塑封元器件失效分析
■ 2.1 溫度失效
軍 用元器件的溫度一般介于 -55℃ ~125℃之間，工業(yè)級塑封元器件工作溫度介于 -40℃ ~85℃之間，而商用塑封器件溫度在 0℃ ~70℃之間。對于塑封元器件在高可靠領域的應用，必須考慮其溫度范圍。并且，塑封器件相對于陶封、金封器件，散熱性能較差，這也是需要充分考慮，降額設計的關鍵因素。
由于軍 用塑封器件相比民用產品要經歷更為嚴苛的環(huán)境條件，比如機械振動、低氣壓、高低溫差、鹽霧、砂塵、輻照等，其中嚴酷溫差的變化引起的熱脹冷縮效應，導致器件內部結構之間產生內部應力。內部應力作用在塑封器件的管芯、引線框架、引線及塑封材料等結構處，可能在薄弱環(huán)節(jié)處產生裂紋、變形、拉扯、扭曲等可靠性問題，尤其容易造成鍵合引線的斷裂；如果支撐管芯的框架因為內部應力而產生裂紋，將導致器件散熱性能下降，對管芯造成損傷，影響器件的長期使用可靠性等。
■ 2.2 潮氣入侵失效
一系列文獻研究表明濕氣侵入封裝是造成該失效的主要原因。塑封體本身吸濕特性和塑封料與引線框架的界面浸入是濕氣侵入塑封器件的主要兩種方式。塑封元器件潮氣侵入往往是上述兩種方式綜合作用的結果。
潮氣的侵入往往伴隨著雜質離子的污染，這是導致塑封器件失效的重要因素，隨著塑封器件生產工藝的提高，塑封材料的改進以及鈍化層技術的發(fā)展，塑封器件的可靠性水平逐步提升，降低了雜質離子污染管芯的幾率。
潮氣入侵嚴重威脅塑封元器件的可靠性，通過HAST（高加速應力試驗）試驗發(fā)現(xiàn)，潮氣入侵塑封元器件內部出現(xiàn)的故障模式主要有以下三種：
(1) 第 一種為鈍化層開裂，潮氣及其附帶的雜質離子可以通過鈍化層裂紋侵入芯片內部，威脅內部芯片金屬系統(tǒng)；
(2) 第 二種為鍵合點退化，潮氣及其附帶的雜質離子對鍵合點產生腐蝕作用，導致鍵合力下降，接觸不 良影響電性能；
(3) 第 三種是芯片開裂，芯片結構遭到破壞，極可能引發(fā)功能失效。
為了定量評價塑封集成電路耐潮氣影響的能力，IPC/JEDEC 制定了一套關于潮氣敏感度的標準（詳情搜索J-STD-020），該標準主要用于幫助 IC 制造商用以確認并定義其所生產的元器件到底符合哪種潮濕敏感度等級，不同敏感度等級的元器件有相應的使用貯存要求，用戶也應將其做為一個重要考核項目，作為選擇器件的重要參考。
■ 2.3 內部分層失效
塑封體的分層主要由于內應力造成 , 內部分層將導致鈍化層開裂、管芯開裂、電路鍵合
性能退化等現(xiàn)象，是導致電路失效的重要原因。內應力產生的主要原因有兩種：
一是塑封料在高溫下會發(fā)生液化再固化的過程，在這個過程中塑封料會產生收縮，而塑封料和接觸界面的不同材料的熱膨脹系數不一致所產生的應力，當不同部位的應力差達到一
定值，將造成器件損傷。
不同材料擁有不同的熱膨脹系數，因此溫度變化條件下，不可避免的會產生內部應力，當內部應力足夠大時有可能在薄弱環(huán)節(jié)產生裂紋、變形等可靠性問題，內部水分和雜質離子的不斷積累，容易造成塑封元器件內部電化學腐蝕，對塑封器件的長期使用可靠性造成隱患。
在焊接期間，塑封器件上的熱源主要來自以下三種：氣相回流焊加熱、紅外回流焊加熱和波峰焊加熱。峰值溫度在220℃ ~265℃左右，持續(xù)時間在 5~40s 左右。濕氣容易在塑封料和引線框架結合不好處擴散，焊接期間的高溫將會使水汽變成高壓蒸汽，造成塑封器件內部產生應力導致開裂，從而引發(fā)“爆米花現(xiàn)象”。
3 相關標準及指南
■ 3.1 PEM-INST-001《塑封微電路選擇、篩選和鑒定指南》PEM-INST-001《塑封微電路選擇、篩選和鑒定指南》是由美國 NASA 發(fā)布，該指南對塑封器件的選擇和使用給出了指導性建議，需要強調的是該文件不是標準，而是指導使用方降低塑封器件使用風險的指南。選擇塑封器件是基于其功能優(yōu)勢和可用性，而不是為了節(jié)省成本，保證塑封器件可靠性所必需的步驟通常會抵消任何初始明顯的成本優(yōu)勢。該指南中指出塑封器件質量水平難以表征的原因主要有以下三個方面 :
(1) 對塑封器件制造商的專有設計、材料、芯片的追溯以及生產工藝和程序了解不足；
(2) 沒有權威機構對塑封器件的產品質量進行監(jiān)督，制造商內部建立的可靠性保障體系沒有得到保證和控制，使得同一制造商的不同批次的產品不可以同等接收；
(3) 良性環(huán)境下工作的塑封器件能否在惡劣的環(huán)境下提供可接受的性能和可靠性沒有評估。
要嚴格控制塑封器件的來源，塑封器件市場魚龍混雜，良莠不齊，要選用來源正規(guī)的生產廠家，杜絕假冒偽劣塑封產品；其次還需要對塑封器件進行全 面測試和老煉篩選試驗，以剔除早期失效，并在鑒定中進行全參數電測試、環(huán)境適應性試驗、封裝特性評價試驗、穩(wěn)態(tài)壽命試驗等來評估塑封器件的質量可靠性。
該指南指出通過篩選和鑒定試驗，對具體的熱、機械和輻射影響進行全 面評估，增加了未知可靠性的塑封器件應用在高可靠領域用戶的使用信心。塑封器件的使用僅在性能需求、軍 用高可靠性領域無替代產品、項目愿意接受高風險的前提下選用。
該指南提出塑封元器件典型鑒定試驗流程如圖 1 所示。
（該指南中指出：若不是考慮到經濟因素，HTOL 試驗與溫度循環(huán)試驗可采用不同樣品進行。）
■ 3.2 GJB 7400-2011《合格制造廠認證用半導體集成電路通用規(guī)范》
國內塑封半導體集成電路鑒定檢驗主要依據 GJB 7400-2011《合格制造廠認證用半導體集成電路通用規(guī)范》進行，標準包括了器件應滿足的質量和可靠性保證要求，并規(guī)定了塑封半導體器件質量保證等級：N 級。
GJB 7400-2011 中 4.4 節(jié)鑒定檢驗中描述“鑒定檢驗應按附錄 B 中 B.2.4.2 和 B2.4.3 的規(guī)定進行”，但附錄 B 中并無相應條款，國內大多數單位按規(guī)范“表 6 塑封 QML 器件 D 組檢驗”來完成塑封器件的鑒定考核，作者認為 D 組項目中zui為核心的為 D3 和 D4 分組試驗項目，如表 1 所示。
■ 3.3 比較分析
圖 1 和表 2 比較，可以明顯看出 GJB 7400-2011 給出的塑封器件鑒定項目及條件比 PEM-INST-001 提出的鑒定項目嚴酷的多。
目前國產塑封器件按 N 級進行鑒定試驗，大多數是無法通過 D4a）組試驗，主要原因 4a）組中的熱沖擊和溫度循環(huán)試驗樣品 22 只是疊加進行的，且 -65℃ ~+150℃的溫度范圍也十分嚴苛。熱沖擊主要考察塑封材料在溫度急劇變化，熱脹冷縮可能造成材料的開裂、接觸不 良、性能變化等現(xiàn)象；而溫度循環(huán)側重在測定器件承受極端高低溫的能力，以及極端高低溫交替變化對器件的影響，當樣品經受極端溫度循環(huán)時，塑封內部各材料熱膨脹系數不匹配，缺陷部位會受應力不斷擴大，從而導致失效。同一組樣品經受 100次熱沖擊和 1000 次溫度循環(huán)后，大多數產品會失效，進行S-CAM 檢查時，經常會發(fā)現(xiàn)芯片與塑封料的大面積分層。
國內一些單位無法通過 GJB 7400-2011 的 N 級考核，又苦于無其他標準指導，只能降低 N 級項目的考核要求，改變樣品分組和降低試驗條件形成所謂的 N1 級考核，典型條件如表 2 所示。
4 結束語
塑封器件在高可靠領域的應用是科技發(fā)展的必然趨勢，高可靠性塑封產品的研制和生產需求越發(fā)緊迫。目前 GJB7400-2011 為塑封器件主要的軍 用參考標準，其提出的鑒定項目及條件過于嚴苛，個人認為不適用于實際需要，推動塑封產品的應用不僅要從產品設計、工藝改進著手，還需要器件生產廠家、鑒定機構與標準化院所三方共同努力：一方面，軍 用元器件使用主機廠所要為器件生產廠家提供需求牽引；一方面，三方應協(xié)調溝通主動作為，促進具有權威且結合實際具有指導意義的標準體型的建立，為器件生產廠家和器件使用單位提供參考依據。