塑封半導體分立器件的質量保證方法研究

常婷婷 李飛

摘要：本文重點研究了塑封半導體分立器件的失效模式、篩選考核和試驗方法，其基于實際的生產任務和器件特征，提出塑封器件質量保證流程，是對傳統金封半導體分立器件應用的擴充。

關鍵詞：塑封半導體分立器件? ? 失效模式? ?篩選? ?考核試驗

1 引言

塑封性半導體分立器件（以下簡稱塑封器件）由于供貨周期短、價格低、性能先進、重量輕、體積小等優點，其廣泛運用于充電器、數碼、電源、汽車等領域。雖然塑封器件應用于多種領域，但是由于商用航天等領域對產品的可靠性要求高，塑封器件的可靠性考核顯得尤為重要。

塑封器件廣泛應用于要求嚴苛的汽車電子領域，國際上商業航天項目上也采用了塑封器件，常被稱為商用貨架產品。NASA在2003年發布了由GSFC制定的《塑封微電路選擇、篩選和鑒定指南》，其全面闡述了包括商業塑封器件在內的器件，在航天應用時必須進行的質量保證要求、防靜電和濕度控制要求等。歐空局（ESA）早在20世紀80年代就獨立開展了商業器件在空間領域的應用研究，并在部分項目上進行了驗證。

2 失效模式

塑封器件失效同樣遵循浴盆曲線。早期失效是由設計和工藝造成的質量缺陷所導致的，可以通過電性能檢測和篩選來辨別。我公司某個月24批塑封產品出現早期失效，除了框架變形、混批、打標錯誤等原因，其中有11批通過電性能測試得出失效的主要原因是電參數失效，圖1是參數失效分布圖。

以公司生產的塑封高可靠性半導體分立器件WVM100N6S28為例，采用塑封PG-TDSON-8封裝。500只WVM100N6S28器件經過篩選淘汰38只。在篩選中采用了與金屬封裝一致的考核條件，刪減了塑封器件不適用的密封、PIND、沖擊、恒定加速度。值得一提的是高溫壽命、溫度循環、高溫反偏、功率老煉等項目中的工作溫度都與金屬封裝的條件一致，并且增加了超聲掃描。

退化失效是由器件的潛在缺陷引起的，潛在缺陷與時間和應力有關。塑封器件的考核主要考慮與時間和應力的關系。塑封器件結構是用塑料把框架、管芯和鍵合引線包封起來為管芯提供保護。包封采用環氧樹脂為基礎，以酚醛樹脂為固化劑，再添加了填充劑、阻燃劑等成分，在熱和固化劑的作用下，使之成為熱固性塑料。這種熱固性塑料具有較高的吸潮性，是一種非氣密性封裝。塑封器件用于高可靠領域，重點考察以下失效模式。

2.1溫度范圍

塑封器件工作范圍較窄，商用級在0℃～+70℃、工業級在-40℃～+85℃，通常不能達到-55℃～125℃（甚至更高達到150℃）的高可靠性半導體分立器件的工作范圍。Space X公司根據相關報告或數據評價塑封器件的溫度是否滿足使用環境的溫度要求，如按照美國太空司令部AFSPC Manua191-710中給出的測量驗證數據，確定發射階段火箭艙內的實際環境溫度為-37℃～+71℃，因此選擇工作溫度在-40℃～+85℃的工業級商業塑封器件是可行的。

2.2 純錫

塑封器件生產時考慮到環保的無鉛要求，引線鍍層一般采用純錫，但是純錫在低重力或失重條件下，容易生長錫須，雖然生長非常緩慢，但是也不能排除產生的短路風險。另外純錫在低溫下（低于-13℃）原子間的空間變大，形成結晶態的錫疫，可導致半導體分立器件引線及焊點的破壞。所以目前塑封器件引線涂覆要求必須含有至少3%的鉛。NASA的元器件政策文件NPD 8730.2規定，如果能夠按照GEIA-STD—0005-2中C2等級進行風險控制，提供2種以上緩解錫須、錫疫問題的措施及相關證明材料，也可以選用純錫材料引線的塑封器件。

2.3吸潮

塑封材料的吸潮性嚴重影響了塑封器件的可靠性，主要表現在焊裝過程中的“爆米花效應”以及內部濕氣引起的鍵合焊點電偶腐蝕。“爆米花效應”是由于塑封器件內部水分加熱，氣體體積快速膨脹引起的，會導致塑封器件內部分層、封裝基體破裂、鍵合點破壞等失效。同時，空氣中的水汽結合封裝內部的游離離子雜質，還會導致鍵合系統發生腐蝕。Space X公司嚴格按照行業標準J-STD-033的要求，對塑封器件進行MSL（潮濕敏感度評價），確保產品滿足要求。西安衛光科技有限公司嚴格按照國軍標《塑封集成電路的潮濕敏感度分級試驗方法》，確保產品滿足要求。

3? 考核試驗

塑封器件雖然有很多優點，但是由于其自身的吸潮性等缺點，國內塑封器件用于航天等高可靠領域尚未可行，目前只用于商用用途。塑封器件的可靠性考核就顯得尤其重要。Space X公司基于商業航天的應用背景，制定了商業塑封器件質量保證的試驗流程，在試驗項目上采取了剪裁和針對性設計：器件級只進行100%篩選試驗，并重點把單型號器件進行電裝后納入到篩選試驗中，如板級溫度循環、板級老練等項目，通過后再進行多品種器件的板級試驗。從試驗流程和方法上來看，Space X公司采用了器件級和板級試驗相結合的“批篩選試驗+單板考核試驗”的質量保證模式，由試驗結果決定是否接收，逐步淡化對制造商的資質和生產過程的控制要求。這樣做的優點非常明顯，就是可以按照常規的商業模式進行器件采購，只要滿足質量要求的元器件都可以使用，不必局限在宇航和軍用認證的優選元器件目錄內進行。

Space X公司的成功經驗并不適合國內，西安衛光科技有限公司參考了GJB 33A-97《半導體分立器件總規范》，對于塑封器件質量保證措施主要包括篩選試驗和考核試驗2個方面，在試驗項目上采取了剪裁并針對塑封產品的特性進行了設計。由于塑封器件內部無空腔，密封、沖擊、PIND、恒定加速度等試驗不適用，增加了超聲檢測、高壓蒸煮、穩態濕熱（強加速穩態濕熱）、內部易燃性、外部易燃性等試驗。并制定了塑封器件質量保證流程，如圖2所示，最終試驗合格的塑封產品交付使用。

結束語

美國Space X公司已經形成了一套有別于NASA的質量保證方法。我公司借鑒參考了Space X公司的成功經驗和我公司現狀，再結合用戶的實際運用的環境和需求，針對已知的的可靠性隱患采取相應的緩解措施，從而設計出適合塑封器件的考核試驗，保證了塑封器件在商業航天等任務應用中的可靠性。

參考文獻

[1]張大宇，寧永成，王熙慶等.商業航天領域商業塑封器件質量保證方法研究.2016年航天元器件專題論壇.2016年11月。

[2] Space X公司的商用塑封器件質量保證方法及流程。2019年8月。