國(guó)外塑封器件篩選溫度范圍應(yīng)用研究

郭威威

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009）

國(guó)外塑封器件篩選溫度范圍應(yīng)用研究

郭威威

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009）

介紹了塑料封裝的特點(diǎn)，對(duì)金屬、陶瓷、塑料三種封裝材料的特點(diǎn)進(jìn)行了比較，分析了塑封元器件高可靠應(yīng)用中的主要問(wèn)題，對(duì)國(guó)外塑封器件篩選溫度范圍的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

塑封器件；篩選；溫度范圍

塑料封裝出現(xiàn)在20世紀(jì)50年代末期，塑封器件由于成本低且可大量生產(chǎn)而得到工業(yè)界和用戶的普遍接受。本文對(duì)塑封元器件高可靠應(yīng)用中的主要問(wèn)題、國(guó)外塑封器件篩選溫度范圍的應(yīng)用進(jìn)行了研究。

1　塑料封裝的特點(diǎn)及比較

用于元器件的封裝材料主要有金屬、塑料、陶瓷、玻璃等。塑料封裝重量輕，約為陶瓷封裝的1/2，適合于薄型封裝；成本低，約為陶瓷封裝的55%。塑料封裝屬于非氣密封裝，因此存在一些可靠性的問(wèn)題，如塑料和引線之間的結(jié)合不能阻止氣體和液體的滲入，模塑材料會(huì)吸收潮氣，表面組裝元件焊接加熱時(shí)封裝會(huì)出現(xiàn)爆裂；管芯容易產(chǎn)生金屬化腐蝕，需要干燥包裝；塑封器件對(duì)靜電敏感，靜電損傷會(huì)引起元件電學(xué)過(guò)應(yīng)力失效，參數(shù)漂移，可靠性下降。

目前由于封裝技術(shù)和材料的改進(jìn)，塑封在商業(yè)中已占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但在某些特殊領(lǐng)域（如航空、航天等高可靠領(lǐng)域），氣密封裝仍然必不可少。表1為氣密封裝和非氣密封裝的比較及使用這些封裝的器件類型。

表1　封裝材料的比較

2　塑封元器件高可靠應(yīng)用中的主要問(wèn)題

雖然塑封材料的改進(jìn)已使塑封器件的物理性能和可靠性有了很大的提高，但在應(yīng)用中由于封裝材料本質(zhì)特征，仍存在由于潮氣入侵和溫度性能差而導(dǎo)致的一些可靠性問(wèn)題。

2.1溫度適應(yīng)性問(wèn)題

相對(duì)于玻璃和陶瓷，塑封材料屬于低溫材料，其玻璃化轉(zhuǎn)換溫度為130℃～160℃，一般的商用塑封器件主要滿足以下3個(gè)溫度范圍的要求：0℃～70℃（商業(yè)溫度）、-40℃～85℃（工業(yè)溫度）和-40℃～125℃（汽車溫度）。但是，這些范圍比軍用溫度范圍-55℃～125℃要窄。

由于芯片、引線框架、樹(shù)脂各自的熱膨脹系數(shù)不同，樹(shù)脂模注后產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。在溫度循環(huán)試驗(yàn)中，這種內(nèi)應(yīng)力成為循環(huán)變化的應(yīng)力。在這種應(yīng)力作用下，襯底之下或引線之間的區(qū)域容易產(chǎn)生裂紋，此外連接芯片和引線的鍵合絲也會(huì)因溫度循環(huán)而周期性變形，從而造成疲勞損傷。

2.2潮氣入侵問(wèn)題

由于塑封材料具有固有的吸濕性以及環(huán)氧成型材料的吸附性，塑封器件會(huì)產(chǎn)生很多可靠性問(wèn)題。潮氣的入侵會(huì)由于離子沾污而導(dǎo)致大量的與腐蝕有關(guān)的失效，在潮濕環(huán)境中貯存和使用也會(huì)因水汽浸入而發(fā)生腐蝕，有害物質(zhì)，如鹵素，常伴隨水汽一起侵入，腐蝕會(huì)更加嚴(yán)重。

塑封材料吸潮后會(huì)發(fā)生尺寸蠕變，對(duì)芯片、鍵合點(diǎn)和內(nèi)引線產(chǎn)生應(yīng)力。如果在塑封材料吸收了水汽的情況下進(jìn)行焊接，因突然受熱使水汽快速膨脹，會(huì)對(duì)器件造成更嚴(yán)重的損傷，甚至爆裂，這種現(xiàn)象對(duì)小尺寸表面貼裝電路尤為明顯。隨著大封裝尺寸表貼技術(shù)的大量應(yīng)用，濕度引起的封裝損傷（如內(nèi)部分層和再流焊過(guò)程中的開(kāi)裂現(xiàn)象）會(huì)導(dǎo)致一系列的可靠性問(wèn)題，PEM（塑封微電路）的很多失效機(jī)理，如腐蝕和“爆米花”效應(yīng)都可以歸結(jié)為潮氣入侵。

2.3塑封微電路的分層

2.3.1低溫分層

在高可靠應(yīng)用中，如航空航天環(huán)境，環(huán)境溫度會(huì)達(dá)到-65℃甚至更低，塑封器件在低溫下使用時(shí)，會(huì)發(fā)生塑料外殼分層和開(kāi)裂導(dǎo)致的器件失效。

在從室溫到極端寒冷環(huán)境的熱循環(huán)過(guò)程中，模壓復(fù)合物與基片或引線框之間的熱膨脹系數(shù)（CTE）差異可造成分層和開(kāi)裂。并且，隨著塑料在極端低溫下耐開(kāi)裂強(qiáng)度的下降，開(kāi)裂的可能性也增加了。

2.3.2“爆米花”效應(yīng)

塑封器件在焊接期間傳導(dǎo)到器件上的熱有三種來(lái)源：紅外回流焊加熱、氣相回流焊加熱和波峰焊加熱。紅外加熱的峰值溫度是235℃～240℃，10s；氣相加熱問(wèn)題215℃±5℃，40s；波峰焊加熱溫度260℃±5℃，5s。在器件受熱過(guò)程中，由于管殼中所吸附的水分快速汽化，內(nèi)部水汽壓力過(guò)大，使模制材料（環(huán)氧樹(shù)脂化合物）膨脹，出現(xiàn)分層剝離和開(kāi)裂現(xiàn)象，俗稱“爆米花”效應(yīng)。“爆米花”效應(yīng)是已經(jīng)吸潮的塑封器件在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)開(kāi)裂的一種失效模式。由于在再流焊過(guò)程中，塑封器件所處的環(huán)境短時(shí)間溫度升至205℃～250℃，上升梯度較大（1℃/s～2℃/s）。當(dāng)溫度超過(guò)塑封材料的玻璃化轉(zhuǎn)換溫度（一般為130℃～160℃）時(shí)，塑封材料變軟，如果器件內(nèi)部有較多水汽，水汽在短時(shí)間內(nèi)受熱快速膨脹，造成塑封材料爆裂。

2.3.3分層引起的可靠性問(wèn)題

研究表明，塑封器件的基片—封裝材料界面處的分層會(huì)嚴(yán)重影響PEM的可靠性。它會(huì)因球焊或楔形焊的切斷而引起直接或間歇性電失效，或形成滲透通路和出現(xiàn)集聚水分和離子沾污物的區(qū)域，增加器件腐蝕失效的可能性，從而危及PEM的長(zhǎng)期可靠性。在引線鍵合處的分層可能會(huì)使鍵合界面退化，因?yàn)樵跍囟妊h(huán)過(guò)程中可能會(huì)在球焊處產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，這就會(huì)導(dǎo)致在球焊點(diǎn)下的硅材料破裂。另外，分層可能造成分離的塑料與基片表面產(chǎn)生相對(duì)位移，損壞鈍化層和金屬化層。

3　國(guó)外塑封器件篩選溫度范圍研究

前蘇聯(lián)的一些微電子研究所及工廠也進(jìn)行了大量塑封器件可靠性研究。如塔什干研究所等單位對(duì)塑封器件進(jìn)行了高壓蒸煮試驗(yàn)、溫濕度組合試驗(yàn)、真空-浸水試驗(yàn)、熱應(yīng)力試驗(yàn)。

NASA在2003年06月頒布了PEM-INST-001《塑封微電路的選擇、篩選和鑒定規(guī)程》。在NASA/GSFC《塑封微電路降額、貯存與鑒定報(bào)告》中，詳細(xì)給出了降額導(dǎo)則、微電路的貯存以及鑒定方法。另外，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）在2005年5月發(fā)布《塑封微電路空間應(yīng)用的可靠性/使用導(dǎo)則》；EIA協(xié)會(huì)發(fā)布了《SSB-1軍用、航空及其它嚴(yán)酷條件下塑封微電路和半導(dǎo)體使用指南》。這些文件均為用戶在高可靠領(lǐng)域使用PEM提供了降低風(fēng)險(xiǎn)的方法與措施。PEM-INST-001《塑封微電路的選擇、篩選和鑒定規(guī)程》中推薦的典型PEM篩選試驗(yàn)流程如圖1。

圖1　典型PEM篩選試驗(yàn)流程

［1］付桂翠.電子元器件使用可靠性保證［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011.

Application Study on the TemperatureScreening Rangeof Foreign Plastic Packaging Devices

Guo Weiwei
（China Air to Air Missile Research Institute，Luoyang Henan 471009）

The characteristics of plastic package are introduced，the characteristics of three packaging materials：metal，ceramic，plastic are compared，the main problems in the high-reliability applications of the plastic components are analyzed，and the application of temperature screening range in foreign plastic packaging device is studied.

plastic packaging devices；screening；temperature range

TN43

A

1003-5168（2015）12-0147-2

2015-12-10

郭威威（1982.03-），男，研究生，工程師，研究方向：可靠性專業(yè)。