表貼塑封器件的老煉方法初步研究

王偉明，郝紅偉，袁 媛，馬伯志，李路明

（清華大學 航空航天學院，北京 100084）

0 引言

當前高可靠性應用領域對各類新儀器、新設備的需求越來越迫切，工業級表貼塑封器件具有體積小、性能高、品種多和采購方便等優點，對于產品的小型化、高性能和縮短研制周期具備優勢。同時，盡管塑封器件與高等級器件在可靠性上存在一定的差別[1]，但器件制造商在技術和工藝上的持續進步，使得與塑封器件有關的風險已逐步得到降低。因此，工業級表貼塑封器件在最近幾年越來越受到重視，研究逐漸增多，在保證篩選的前提下，開始有限地應用于高可靠性領域[2-4]。

按照制造商的規范，工業級器件只是嚴格按照規定的方法生產（produce-it-right），而軍用/宇航用器件不但是按照規則生產而且要特照規定的方法試驗（produce-it-to-rules plus test-it-right）。因此，塑封器件應用于高可靠性領域，必須進行全面的試驗，進行考核、評估。其中，高溫老煉試驗是至關重要的一類試驗。目前直插器件的老煉方法比較成熟，而對表貼塑封器件的老煉研究相對較少，目前常規方法是進行板級鑒定[4]。本文重點對目前較常用的部分類型表貼塑封器件老煉方法進行了研究，可給表貼塑封器件的可靠性篩選提供參考。

1 表貼塑封器件篩選原則

NASA標準PEM-INST-001《塑封微電路選擇、篩選和鑒定指南》中，對塑封器件給出了指導性建議[5]，其中關鍵性建議是對器件進行全面測試，并在最大電應力或功率應力下進行老煉篩選試驗。老煉可以使器件在溫度應力和電應力作用下使缺陷盡早暴露，剔除有潛在缺陷的早期失效元器件。對于功能復雜的器件，如單片機等，通常要在自動測試設備上開發測試程序，購買特殊封裝需要的夾具，開發專門的老煉系統和軟件等。本文參考上述原則，采用在最大溫度應力和電或者功率應力下對器件進行老煉，對器件測試采用老煉設備在線測試與專用設備離線測試相結合的方法。

2 元器件高溫動態老煉測試系統

本文試驗采用的表貼塑封器件高溫動態老煉測試系統基本構成見圖1。它主要由主控計算機、高溫試驗箱、驅動系統、網絡控制系統和老煉電源系統等幾個部分組成。其中主控計算機用于老煉圖形庫的編輯、維護及老煉開始時進行老煉器件選擇、老煉參數設定、波形數據的發送、老煉狀態動態回檢、網絡管理通信、器件數據與老煉資料打印等。系統的其他部分置于大型機柜中。機柜上部的高溫老煉試驗箱用于提供高溫動態老煉的高溫環境，試驗箱內提供10個老煉通道，與試驗箱配套的老煉板采用耐高溫基板（T＞175 ℃）及耐高溫元器件老煉座。老煉板設計滿足小批量、多品種的要求。主控計算機和所有部件間通過 RS485網絡互連實現分布式控制。

圖1 封裝級老煉系統構成Fig.1 Framework of package-level burn-in test system

本試驗中使用的設備有分立器件老煉、電容器老煉和集成電路老煉等設備，見圖2。動態老煉時，器件接上電源和地，輸出管腳接負載，在輸入管腳接上適當的信號來激勵，施加溫度和電應力老煉數小時。老煉過程中實時采集芯片運行信息，做器件的動態測試。

圖2 試驗采用的老煉設備Fig.2 Burn-in test equipment

3 表貼塑封器件老煉特點

目前直插器件的老煉方法比較成熟，而對表貼塑封器件尚有一些問題需要進一步探討和解決。由于元器件結溫控制在二次老煉篩選過程中起著決定性的作用，因此對元器件的老煉效果有著十分重要的影響。

本文采用的是系統結溫閉環控制方案，即從器件老煉的結溫控制入手，提出簡單適用的基于等效熱阻估算和器件殼溫控制的老煉試驗方法。如圖3所示，以器件結溫為控制目標，以器件殼溫作為反饋量，根據殼溫動態調節元器件所施加的功率或者老煉箱溫度，以達到較為精確的控制結溫的目的。

圖3 器件結溫控制框圖Fig.3 Control chart of the device junction temperature

3.1 結溫控制與熱阻的關系

老煉芯片的結溫一般可以描述為：

式中：TJ表示芯片結溫；TAC指環境溫度或者殼溫；P為芯片工作功耗；θJAC是芯片結到環境或者殼的熱阻。由于TAC可以設置為某一確定值，所以要確定老煉時結溫的關鍵就在于確定功率P和熱阻θJAC的乘積。芯片的工作功耗容易知道，只要熱阻確定，就能確定出芯片的結溫。因此，確定熱阻參數對老煉是非常重要的。芯片結溫在老煉過程中起著決定性的作用[6]，由此可知熱阻對老煉效果有十分重大的影響。

3.2 表貼塑封器件和直插器件結溫控制的主要區別

本文分析了表貼塑封器件與直插器件老煉過程中結溫控制的主要區別。直插器件和表貼塑封器件老煉時的器件外部導熱體主要由焊盤（老煉夾具和老煉板間的連接）和夾具金屬接觸件（與器件管腿接觸的銅）兩部分組成。對于直插器件，一般器件外部導熱體的體積與器件管腿體積相差不大；而對于表貼塑封器件，一般器件外部導熱體的體積比表貼器件管腿體積大得多，這將導致結到殼的熱阻值發生顯著變化，對表貼塑封器件需要考慮等效熱阻變化對結溫的影響。

熱阻是器件結溫的決定因素之一，熱阻值由器件生產商給出，但是，一般與之對應的是指定的標準焊盤。因此，表貼塑封器件老煉時需要獲得與整個器件外部導熱體對應的等效熱阻值。同時，由于表貼塑封器件老煉時要放在老煉夾具內部，需要考慮夾具對結溫控制的影響。這樣就需要得到表貼塑封器件放于老煉夾具內，老煉時器件結到殼的等效熱阻值，用以較為精確地控制器件結溫。

根據安森美公司提供的等效熱阻計算軟件，MMBZ6V2ALT1器件（封裝SOT-23）在PCB板厚和覆銅厚度條件相同的情況下，僅將與器件管腿接觸的銅面積設為標準焊盤（即對于該封裝的常用焊盤）面積的10倍，與本文實際應用情況相當，器件熱阻大約為原熱阻的76.7%，對比計算結果見圖4。

圖4 用熱計算軟件計算MMBZ6V2ALT1器件的熱阻對比Fig.4 The comparision of MMBZ6V2ALT1 thermal resistance valuesusing thermal calculation software

在圖4中，右半部分銅面積為250.0 mm2，是左半部分的10倍；而右半部分的熱阻為408.8 /W℃，約為左半部分的76.7%，說明一般表貼塑封器件實際應用的夾具導熱體所占比重較大。如果在老煉過程中根據器件手冊提供的熱阻值進行老煉，而不考慮表貼器件外部導熱體的影響，那么就可能存在控制TJ偏小、溫度應力偏小的問題。考慮到正常應用時的焊盤情況與老煉時不同，因此，獲取老煉時的等效熱阻值是非常必要的。本文在室溫下，對器件施加同樣功率，結果放在常用焊盤上的器件殼溫高于放在老煉夾具內的器件殼溫。實際上，老煉夾具上與器件管腿接觸的銅充當了散熱器的角色即等效熱阻降低，因此，老煉器件要達到同樣的結溫，需要增大所加功率。

3.3 表貼塑封器件老煉時的等效熱阻獲取方法

3.3.1 利用廠商提供的熱計算工具

可以采用向元器件廠商索要熱計算軟件的方法來獲得老煉時等效熱阻的數據。如圖4所示為安森美公司提供的熱計算軟件，通過該軟件可以輸入對應的PCB銅面積，從而得到相應的器件熱阻值，即在熱計算軟件中把PCB焊盤參數根據老煉夾具做具體修改，獲得對應的熱阻值，用以控制老煉時的溫度應力。

3.3.2 利用溫度敏感參數

因為對器件封裝級的老煉，不可能將測溫儀器放置在器件的結上來測量器件結溫，因此利用熱敏感參數來獲取器件結溫是個很好的辦法。其工作原理是：利用器件內部二極管PN結的正向電壓來表征溫度，因為兩者之間有著非常好的線性關系，進而計算出熱阻。此種方法一般適用于內部有二極管的器件，可以采用該方法的器件和對應的熱敏感參數見表1[7]。

表1 熱敏感器件和對應的熱敏感參數Table 1 Sensitive temperature devices and their corresponding sensitive temperature parameters

圖5為Si1022R（MOSFET）導通電阻RDS(on)和結溫TJ間的關系曲線，線性關系非常好。在實際的老煉中，可以通過調整老煉設備給器件施加的功率使導通電阻RDS(on)為圖5中的某一個值，可知對應的結溫，這樣可以根據式(1)計算出老煉時器件的等效熱阻值。

圖5 Si1022R導通電阻RDS(on)和結溫的關系曲線Fig.5 The pass-resistance(RDS(on)) versus the junction temperature for Si1022R device

3.3.3 試驗測量的方法

上述兩種方法都是對熱阻的估算，可以大致估算出達到器件結溫應施加功率，但對于表貼器件老煉，最終都要通過試驗的方法來驗證達到器件最大結溫所應施加的功率。

以Si1022R為例，3次老煉試驗（試驗1、試驗2和試驗3）的條件和結果見表2。每次試驗均由器件老煉前測試、老煉試驗和老煉后測試3部分組成。測試參數為V(BR)DSS，VGS(th)，IGSS，ID(on)，RDS(on)，VSD，IDSS等。測溫儀器采用YOKOGAWA MV2020， K型熱電偶（直徑0.15 mm）通過老煉夾具上的微型測溫孔被粘到器件的表面。溫度測量精度為±(0.15% rdg +0.7 ℃)，顯示精度為 0.1 oC，可以同時實時顯示20路溫度對時間的波形。（注：rdg是指儀器顯示讀數）

表2 Si1022R器件的老煉試驗數據Table 2 Burn-in test data of Si1022R device

1）老煉試驗1

首先對器件進行老煉前測試，20個器件各測試參數全部合格。老煉時器件耗散功率為150 mW，測得器件殼溫為58 ℃，老煉結束后從老煉夾具中取出器件。老煉結束后 96 h內測量器件，一批次20個器件各測試參數全部正常。

2）老煉試驗2

首先對器件進行老煉前測試，20個器件各測試參數全部合格。老煉時功率為247 mW時，此時器件殼溫測量為72 ℃，老煉結束后從老煉夾具中取出器件。老煉結束后 96 h內測量器件，部分指標超出器件手冊中給出的正常范圍值，如Vgs(th)小于規定的1 V的最小值，由測試結果判斷一批次20個器件全部損壞。說明試驗中結溫大于器件150 ℃的最大結溫，即溫度應力施加過大，導致器件損壞。

3）老煉試驗3

首先對器件進行老煉前測試，20個器件各測試參數全部合格。老煉時器件耗散功率為180 mW，測得器件殼溫為63 ℃，老煉結束后從老煉夾具中取出器件。老煉結束后 96 h內測量器件，一批次20個器件各測試參數全部正常。

例如，圖6為老煉后的器件，采用Keithley測試儀按器件手冊中的條件，測試的Vgs(th)值。老煉試驗3的器件測試結果見圖6(a)：在VDS=VGS，漏電流ID為0.25 mA時，Vgs(th)為1.8 V，在1～2.5 V正常值的范圍內；老煉試驗 2的器件測試結果見圖6(b)：在VDS=VGS，漏電流ID為0.25 mA時，Vgs(th)為3.5 mV，超出1～2.5 V正常值范圍。

圖6 Keithley測試儀器測試Si1022 Vgs(th)曲線Fig.6 Si1022 test curve of Vgs(th) value with Keithley measuring instrument

該老煉試驗及測試結果與根據 3.3.2節得到的等效熱阻值425 ℃/W計算得到的結溫基本相符，計算方法按照式(1)，器件結溫理論計算過程及結果見表2的第5列。對老煉試驗1和3計算結溫分別為122 ℃和 139.5 ℃，均小于器件最大結溫 150 ℃，理論上判斷器件在老煉試驗1和3的功率和殼溫下老煉不會損壞；老煉試驗2計算結溫為176.9 ℃，大于150 ℃，理論上判斷器件在老煉試驗2的功率和殼溫下老煉會損壞。理論計算和試驗及測試結果基本相符。參照 NASA標準，本研究選擇老煉試驗3的條件作為器件老煉的條件，在最大溫度應力和功率下對器件進行老煉。

4 結論

1）本文從器件老煉的結溫控制入手，提出簡單適用的基于等效熱阻估算和器件殼溫控制的表貼塑封器件老煉試驗方法。研究表明，老煉工藝的確定需要經過后續的板級試驗驗證。

2）給出幾種獲取等效熱阻的方法。本文給出的封裝級熱阻獲取方法，雖然一般不能精確地得到熱阻值，但試驗證明，作為老煉用封裝級等效熱阻參數快速確定的工程化技術，這些方法具有較強的實用性。

3）本文對包括SC-75、UCSP、QFP等封裝形式的元器件進行了老煉試驗，同時采用Keithley半導體分析系統等測試儀器，對元器件進行了測試，實現了對表貼塑封元器件的初步可靠性篩選。篩選后的元器件已應用于工程實踐，通過了板級溫度沖擊、溫度循環、隨機振動和功率老煉的一系列的試驗考核。

（References）

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[3]周軍連, 王蘊輝, 唐云.塑封微電路在高可靠領域的應用、篩選與鑒定[J].電子產品可靠性與環境試驗,2007, 25(5)： 48-51

[4]朱恒靜.航天器用高性能塑封器件的板級鑒定方法[J].航天器環境工程, 2008, 25(1)： 87-90

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[6]Gardell D.Temperature control during test and burn-in[C]//2002 Inter Society Conference on Thermal Phenomena,2002： 635-643

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