國外塑封器件篩選溫度范圍應用研究

郭威威

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

國外塑封器件篩選溫度范圍應用研究

郭威威

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

介紹了塑料封裝的特點，對金屬、陶瓷、塑料三種封裝材料的特點進行了比較，分析了塑封元器件高可靠應用中的主要問題，對國外塑封器件篩選溫度范圍的應用進行了研究。

塑封器件；篩選；溫度范圍

塑料封裝出現在20世紀50年代末期，塑封器件由于成本低且可大量生產而得到工業(yè)界和用戶的普遍接受。本文對塑封元器件高可靠應用中的主要問題、國外塑封器件篩選溫度范圍的應用進行了研究。

1　塑料封裝的特點及比較

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題，如塑料和引線之間的結合不能阻止氣體和液體的滲入，模塑材料會吸收潮氣，表面組裝元件焊接加熱時封裝會出現爆裂；管芯容易產生金屬化腐蝕，需要干燥包裝；塑封器件對靜電敏感，靜電損傷會引起元件電學過應力失效，參數漂移，可靠性下降。

目前由于封裝技術和材料的改進，塑封在商業(yè)中已占絕對優(yōu)勢，但在某些特殊領域（如航空、航天等高可靠領域），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用中的主要問題

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

2.1溫度適應性問題

相對于玻璃和陶瓷，塑封材料屬于低溫材料，其玻璃化轉換溫度為130℃～160℃，一般的商用塑封器件主要滿足以下3個溫度范圍的要求：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、樹脂各自的熱膨脹系數不同，樹脂模注后產生內應力。在溫度循環(huán)試驗中，這種內應力成為循環(huán)變化的應力。在這種應力作用下，襯底之下或引線之間的區(qū)域容易產生裂紋，此外連接芯片和引線的鍵合絲也會因溫度循環(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，塑封器件會產生很多可靠性問題。潮氣的入侵會由于離子沾污而導致大量的與腐蝕有關的失效，在潮濕環(huán)境中貯存和使用也會因水汽浸入而發(fā)生腐蝕，有害物質，如鹵素，常伴隨水汽一起侵入，腐蝕會更加嚴重。

塑封材料吸潮后會發(fā)生尺寸蠕變，對芯片、鍵合點和內引線產生應力。如果在塑封材料吸收了水汽的情況下進行焊接，因突然受熱使水汽快速膨脹，會對器件造成更嚴重的損傷，甚至爆裂，這種現象對小尺寸表面貼裝電路尤為明顯。隨著大封裝尺寸表貼技術的大量應用，濕度引起的封裝損傷（如內部分層和再流焊過程中的開裂現象）會導致一系列的可靠性問題，PEM（塑封微電路）的很多失效機理，如腐蝕和“爆米花”效應都可以歸結為潮氣入侵。

2.3塑封微電路的分層

2.3.1低溫分層

在高可靠應用中，如航空航天環(huán)境，環(huán)境溫度會達到-65℃甚至更低，塑封器件在低溫下使用時，會發(fā)生塑料外殼分層和開裂導致的器件失效。

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

2.3.2“爆米花”效應

塑封器件在焊接期間傳導到器件上的熱有三種來源：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；氣相加熱問題215℃±5℃，40s；波峰焊加熱溫度260℃±5℃，5s。在器件受熱過程中，由于管殼中所吸附的水分快速汽化，內部水汽壓力過大，使模制材料（環(huán)氧樹脂化合物）膨脹，出現分層剝離和開裂現象，俗稱“爆米花”效應?！氨谆ā毙且呀浳钡乃芊馄骷诙虝r間內出現開裂的一種失效模式。由于在再流焊過程中，塑封器件所處的環(huán)境短時間溫度升至205℃～250℃，上升梯度較大（1℃/s～2℃/s）。當溫度超過塑封材料的玻璃化轉換溫度（一般為130℃～160℃）時，塑封材料變軟，如果器件內部有較多水汽，水汽在短時間內受熱快速膨脹，造成塑封材料爆裂。

2.3.3分層引起的可靠性問題

研究表明，塑封器件的基片—封裝材料界面處的分層會嚴重影響PEM的可靠性。它會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的長期可靠性。在引線鍵合處的分層可能會使鍵合界面退化，因為在溫度循環(huán)過程中可能會在球焊處產生機械應力，這就會導致在球焊點下的硅材料破裂。另外，分層可能造成分離的塑料與基片表面產生相對位移，損壞鈍化層和金屬化層。

3　國外塑封器件篩選溫度范圍研究

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

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、貯存與鑒定報告》中，詳細給出了降額導則、微電路的貯存以及鑒定方法。另外，美國噴氣推進實驗室（JPL）在2005年5月發(fā)布《塑封微電路空間應用的可靠性/使用導則》；EIA協會發(fā)布了《SSB-1軍用、航空及其它嚴酷條件下塑封微電路和半導體使用指南》。這些文件均為用戶在高可靠領域使用PEM提供了降低風險的方法與措施。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篩選試驗流程如圖1。

圖1　典型PEM篩選試驗流程

［1］付桂翠.電子元器件使用可靠性保證［M］.北京：國防工業(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)。