HAST在塑封微电路评价中的应用
引言
塑封微电路(PEM)具有尺寸小、质量轻、成本低等优点,因此在商业、工业领域受到广泛应用。近年来,随着塑封材料和工艺的不断改进,国内PEM抗湿热环境适应性和可靠性水平得到极大提升,促进了PEM在国内航空、航天、国防等高可靠领域的应用。
为了快速评价PEM湿热环境适应性和可靠性,《高加速温湿度应力试验(HAST)》(JEDEC JESD22-A110E-2015)、《半导体器件机械和气候试验方法第4部分强加速稳态湿热试验(HAST)》 (IEC 60749-4-2017)、 《半导体器件机械和气候试验方法第4部分强加速稳态湿热试验(HAST)》(GB/T 4937.4-2012) 等标准给出了高加速应力试验(HAST)方法,通过施加温度-湿度-电综合应力,可以快速评价PEM在湿热环境下使用的可靠性。
一、HAST模型
通过对Hallberg-Peck模型和湿热试验相关性应力研究,基于失效模式和失效机理,以及加电偏置条件下的电.化学反应腐蚀效应,建立温度-湿度-电综合应力模型和加速因子简化计算公式:
式中:
Ar为加速因子;
RH为使用环境下塑封电路芯片
表面的相对湿度;
RHy为试验环境下塑封电路芯片表面的相对湿度;
E为激活能,取值范围为0.79e~ 0.90e V ;
k为玻兹曼常数,k=8.62X10'e V/K;
Ty为使用环境下的芯片结温;
T为试验环境下的芯片结温;
U为施加偏置电压;
Un为电源电压标称值。
二、HAST的温度和湿度
目前,在汽车、航空、航天、国防等高可靠应用领域对PEM HAST相关标准及温湿度试验条件如表1所示。军用标准比民用标准对苛刻环境适应性和可靠性的要求更高,在湿热试验温度、试验湿度相同的情况下,军用标准对湿热试验时间的要求更长,试验严酷度更高。HAST美军标规定试验时间为500 h,而民用航空、航天、汽车标准规定为96h。
三、HAST的偏置电压
HAST需要施加偏置电压,偏置电压施加需要遵循以下五个准则:
(1) 最小功率耗散;
(2)尽可能多的交替施加引出端偏置;
(3)芯片上相邻金属化线之间电压差尽可能高;
(4)在工作范围的最高电压;
(5)采用持续或循环两种偏置中任意一种满足.上述准则,并取严酷度较高的一种。该准
则的优先选择应基于器件结构和特定的性能。
持续偏置电压施加:持续施加直流偏置。当芯片温度高于试验箱环境温度< 10℃或受试器件(DUT)的热耗散<200mW且不知道芯片的温度时,持续偏置比循环偏置严酷。如果DUT的热耗散超过200 mW,应计算芯片温度。如果芯片温度超过试验箱环境温度5℃及以上,应将芯片温度与试验环境温度的差值记录在试验结果中,加速的失效机理将受到影响。
循环偏置电压施加:施加直流电压按照适当的频率和占空比周期性的中断。如果偏置条件导致芯片温度高于试验箱温度,其差值△Tja超过10 ℃,且对特定的器件类型为最佳的偏置条件时,循环偏置将比持续偏置严格。功率耗散产生的热量驱散了芯片表面和周围与失效机理有关系的湿气,在关断期间,器件没有功率耗散时湿气汇集于芯片。对大部分PEM,DUT应采用50%的占空比进行循环偏置。对于封装厚度大于等于2mm的器件,其循环施加电压时间应小于等于2h,封装厚度小于2 mm的器件,其循环施加电压时间应≤30min。基于已知热阻和耗散计算出的芯片温度超过试验箱环境温度5℃及以上时,芯片温度应记录在试验结果中。
四、主要失效模式和失效机理
PEM是非气密性封装,湿气可以通过环氧树脂本身和树脂与引线框架间缝隙渗透入封装体内部,容易导致塑封料与引线框架分层开裂、界面分层,同时树脂中的杂质离子(如 Na+、K+、Cl+)等,会在想界表面钝化层上形成一层腐蚀性的水合氧化物,造成芯片表面、引线框架、键合点的腐蚀,最终导致器件性能退化或短路、开路等功能失效。在塑封器件内部,产生电迁移效应需满足3个条件:湿气吸收和凝聚;存在内部电压产生的电场;内部污染物存在,如Na+、Cl+或P+的存在。HAST不同应力对塑封集成电路失效模式和失效机理的影响如表2所示。
五、结论
通过研究PEM HAST方法,得出以下结论:
(1) HAST试验受温度-湿度和电应力影响,加速因子服从指数函数,相比传统稳态湿热试验方法,可极大地缩短试验时间;
(2)军用标准与民用标准的HAST方法一致,但在试验时间方面,军用标准比民用标准严格2~ 5倍;
(3)HAST主要诱发PEM封装材料分层、开裂和芯,片表面、框架或键合点腐蚀,会导致器件参数漂移和短路、开路失效。