HAST試驗對塑封器件分層的影響分析

黃 煒，白 璐

（中國電子科技集團公司 第二十四研究所，重慶 400060）

HAST試驗對塑封器件分層的影響分析

黃 煒，白 璐

（中國電子科技集團公司 第二十四研究所，重慶 400060）

選取三種具有一定代表性的塑封產品，嚴格按照軍用級標準GJB 7400對塑封電路篩選、預處理后，進行HAST試驗摸底，驗證HAST環境試驗對國產塑封器件的影響，并提出軍用塑封器件在設計時的注意事項。

塑封器件；強加速穩態濕熱；可靠性；塑封分層

引言

塑封器件具有體積小、重量輕、成本低、電性能指標優良等特點。在發達國家塑封器件的發展早已成熟，取代陶瓷封裝器件的趨勢已定，發達國家早在多年前便已成功地將塑封器件應用在許多軍用電子設備中。而在我國，由于缺乏軍用塑封器件生產線，國內工業級塑封線不能完全符合軍用級標準，特別是經歷高溫高濕的環境試驗后，塑封電路在超聲檢測時分層現象尤為嚴重，因此，盡管塑封器件具有諸多優點，但在我國軍用電子元器件領域，大規模的以塑封器件代替陶瓷封裝電子元器件在短期內還無法實現。

為驗證國內工業級塑封元器件與軍品塑封元器件要求的差距，須按國軍標要求對其進行一系列可靠性試驗，評估我國現有工業級塑封器件的可靠性水平。為此，我們選取了不同封裝形式、不同封裝廠家、不同芯片面積與載體比例的三種具有一定代表性的塑封產品，嚴格按照軍用標準GJB 7400要求進行了可靠性摸底試驗。經摸底發現，國產工業級塑封器件在按照GJB 7400進行篩選、考核試驗的摸底時，“超聲檢測分層面積超標”是最主要的失效、淘汰原因。由于熱應力與濕氣最容易引起塑封器件分層，而HAST試驗是GJB 7400規定的塑封器件篩選、考核試驗中熱應力與濕氣應力最為嚴苛的試驗，因此本文針對強加速穩態濕熱試驗（HAST）對塑封器件分層的影響進行分析。

1 HAST試驗

1.1 試驗樣品預處理

我們選取1#、2#、3#三種不同封裝形式、不同封裝廠家、不同芯片面積與載體比例的塑封器件進行HAST試驗。三種器件封裝形式、封裝廠家及芯片面積與載體面積比例等具體參數如表1所示。

表1 塑封器件類型

根據GJB 7400要求，對上述三種工業級塑封器件進行如下試驗：首先對1#、2#及3#三種塑封器件進行篩選（包括：溫度循環、老煉、電測試、X射線、超聲檢測等共計10余項），篩選完成后，抽取1#、2#及3#篩選合格電路各22只，按GJB 7400的D4分組試驗要求進行預處理試驗（包括：125℃、24h烘焙，60℃、60%RH、40h濕浸試驗、回流焊、清洗、烘干），對預處理后的上述三種塑封電路進行電參數測試，測試結果全部合格（即預處理過程未發現失效）。

1.2 HAST試驗及結論

1.2.1 130℃、85%RH 100h的HAST試驗

首先對預處理之后電路進行130℃、85%RH 100h強加速穩態濕熱試驗（HAST）。

對130℃、85%RH 100h HAST試驗后電路進行電參數測試，所有電路電參數測試結果均合格，相對試驗前電參數未見明顯變化。

再對上述電路進行超聲檢測，結果顯示：1#及2#合格，未出現分層現象，3#約有95%器件出現明顯的、嚴重的分層現象，三種塑封器件試驗前超聲照片及HAST試驗后超聲檢測照片如圖1、圖2所示。從圖2中可明顯觀察到3#試驗后有大面積的分層現象。

圖1.a 1#試驗前超聲照片

圖1.b 2#試驗前超聲照片

圖1.c 3#試驗前超聲照片

圖2 3#試驗后超聲照片

1.2.2 130℃、85%RH 500h的HAST試驗

對100h強加速穩態濕熱試驗后未分層的1#及2#電路繼續進行500h的 HAST試驗，試驗后電路電參數測試均合格，超聲檢測結果，未發現明顯分層現象。

1.2.3 小結

由HAST試驗結果可知，三種工業級塑封器件在經歷100h HAST試驗后，電參數均合格，未出現功能性失效，而且1#及2#未出現明顯分層現象；但3#出現了大量電路分層。說明目前國內工業級塑封生產線仍不能完全滿足軍用級要求。按照國軍標要求進行可靠性試驗之后電路雖電參數滿足指標要求，但分層帶來的可靠性問題會極大地影響工業級塑封器件在軍事領域的應用。

2 HAST試驗結論分析

2.1 HAST試驗引起塑封器件分層失效機理

經過HAST試驗之后的塑封器件主要受到溫度應力及濕氣兩方面的作用。

由于封裝體與焊盤及引線框架材料的熱膨脹系數均不一致，熱應力作用下塑封器件內不同材料的連接處會產生應力集中，如果應力水平超過其中任何一種封裝材料的屈服強度或斷裂強度，便會導致器件分層。而且一般來說塑封料環氧樹脂的玻璃化溫度都不高，其熱膨脹系數和楊氏模量在玻璃化溫度附近區域對溫度變化非常敏感，在極小的溫度變化量下，環氧塑封材料的熱膨脹系數和楊氏模量就會發生特別明顯的變化，導致塑封器件更容易出現可靠性問題。

塑封器件是以樹脂類聚合物為材料封裝的半導體器件，樹脂類材料本身并非致密具有吸附水汽的特性，封裝體與引線框架的粘接界面等處也會引入濕氣進入塑封器件，當塑封器件中水汽含量過高時會引起芯片表面腐蝕及封裝體與引線框架界面上的樹脂的離解，反過來進一步加速了濕氣進入塑封器件內部，最終導致分層現象出現。

在HAST試驗中熱應力及濕氣共同作用，封裝體內部水汽壓力快速升高，封裝體膨脹，進一步加速了塑封器件分層。

2.2 試驗后僅3#分層原因分析

2.2.1 芯片面積與載體面積比例的差異

對比同一塑封廠家加工的3#及2#的塑封參數可知，3#芯片面積與載體面積比例約30.77%，2#芯片面積與載體面積比例約為17.3%，3#與2#相比芯片面積與載體面積比例較大，即芯片面積占載體面積比例相對較多，塑封料與載體接觸面積相對較少，導致3#在嚴酷的試驗條件下更易發生分層失效。

2.2.2 粘結材料的差異

對比1#與3#的塑封參數可知，1#與3#采用的粘結材料有所差異，1#采用絕緣膠粘結，而3#采用導電膠粘接。與3#相比，雖然1#芯片面積與載體面積比例也較接近，但經歷相同條件HAST試驗之后卻未發生明顯分層現象。可見粘結材料對塑封器件可靠性也有一定影響。

3 軍用塑封器件設計時需注意事項

根據上述實驗結論可以得出通過正確的選擇塑封材料及塑封參數等條件可適當提高塑封器件可靠性：

1）對比相同廠家但芯片面積與載體面積比例不同的塑封器件試驗結果可知，芯片面積與載體面積比例較接近的器件更易分層。由于芯片面積無法更改，在塑封尺寸的選擇時，可盡量選擇較大的載體尺寸，增大塑封料與載體接觸面積。如果載體面積也已固定，可適當加大塑封材料灌封時的壓力，以便塑封材料與載體結合的更加緊密，減小造成塑封器件分層失效的可能。

2）對比不同塑封廠家加工的塑封器件HAST試驗結果可知，由于粘結材料不同試驗后分層情況也有所差異，導電膠粘結的塑封器件更易分層，因此在設計時，可盡量選擇絕緣膠粘結，提升塑封器件可靠性。

3）針對已封裝完成無法改變塑封條件的器件，可采用真空涂敷工藝對工業級塑封元器件進行三防處理的方法以增強塑封器件密封性，有助于提高工業級塑封器件可靠性，使其接近軍用環境下的使用要求，而且應用在元器件上的三防材料（主要是丙烯酸樹脂、環氧樹脂、硅樹脂、 聚安基甲酸樹脂和聚對二甲笨）多數為透明材料，涂敷后不會影響塑封器件的辨別。

雖然目前部分國產工業級塑封器件能夠達到軍用級要求，但并沒有塑封體尺寸選擇或其他塑封條件選擇的相關參照標準，因此在軍用級塑封器件選擇塑封參數時應綜合各方面可能影響其可靠性的因素。

4 結論

本文選取了不同封裝形式、不同封裝廠家、不同芯片面積與載體比例的三種具有一定代表性的塑封產品按照GJB 7400要求進行篩選、預處理后，進行HAST試驗，通過對HAST試驗后電路分層情況進行分析，得出影響塑封電路可靠性的因素，對軍用塑封器件的設計提出了一些建議，例如盡量選取尺寸較大的載體，適當加大塑封材料灌封時的壓力等。但是由于試驗樣品種類及試驗條件的限制，本文的試驗結論具有一定的局限性，需通過大量試驗數據進一步完善。

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The Influence of HSAT for Plastic Encapsulated Microelectronics Devices

HUANG Wei, BAI Lu
（Sichuan Institute of Solid State Circuits, China Electronics Technology Group Crop., Chongqing 400060）

The paper selects three kinds of representative plastic encapsulated microelectronics devices, after filtering and preprocessing PEM strictly according to military grade standard of GJB 7400, the influence of HAST environmental test to the PEM made in China is analyzed. Finally, the matters needed attention in the design of military PEM is proposed.

PEM; HAST; reliability; delamination

TN406

A

1004-7204(2014)05-0056-03

黃 煒（1992－），女，四川達州人，助理工程師，主要從事集成電路可靠性與失效分析研究。