引言

近年来，塑封器件由于其在尺寸、重量、成本和性能上的优点，越来越多地应用于高可靠的技术领域中。但由于塑封器件固有的结构、材料特点，潮气入侵、腐蚀、开裂和内部分层成为塑封器件特有的潜在缺陷，直接影响塑封器件的长期使用可靠性。而塑封器件几乎总是以商业成品(COTS:Commercial off the Shelf)器件销售，虽然制造商不断完善器件功能设计和封装技术，掌握如何为高成品率而控制生产工艺的技术，却把产品的、长期的质量与可靠性验证留给最终用。特别是对于购买量少的用户包括国内军工用户一般不在制造商中直接采购，也很难要求代理商或贸易商实施可靠性试验或筛选试验。因此很难保证采购质量等级有保障的型号批塑封器件；另外，由于种种原因，国内军工用户很难采购到高等级的产品，能够采购到的高等级产品在功能上很多时候又满足不了设计师的要求，使得用户普遍使用低等级的塑封器件。由于在高可靠系统中使用低等级产品具有一定的风险，因此，如何运用有效的考核与评估技术来评价量少的塑封器件的可靠性，已引起入们广泛的关注。本文通过一些针对塑封器件常见的失效机理的分析研究，推荐一套优化的、实用的试验流程，并已成功地应用于高可靠应用装备选用的低等级塑封器件的二次筛选试验和鉴定评价试验中。

1、塑封器件常见的失效机理

由于塑封器件固有的结构、材料特点，塑封器件易受能导致过早失效的多种缺陷的影响。潮气入侵、腐蚀、开裂和内部分层使得塑封器件最初被认为是较容易失效的产品，而这些因素恰恰使得塑封器件被限制用于高应力和高可靠的环境中。

1.1侵蚀

塑封器件属于对潮湿敏感的非气密性器件,尽管在包封材料、芯片钝化、加工工艺方面已取得巨大的进步，随着时间的推移，塑料封装体都将从大气中吸收潮气。当封装材料中含有任何离子杂质时，就可能产生对芯片金属化的侵蚀。这种情况发生时，金属化的侵蚀- - 般开始在引线内键合区域，高温和施加电压是加速这种电化学腐蚀机理的因素。在潮气和杂质沾污的情况下，这些引线键合本身更加容易受侵蚀的影响。离子杂质进行水解并能与焊接处的金-铝金属间化合物中的铝发生反应而发生化学或电化学腐蚀。

引线内键合和芯片金属化侵蚀可导致的失效模.式包括电参数漂移、漏电、短路和开路。一个焊接点的侵蚀可能不会直接导致失效，但可以使接触电阻增加，最终使器件失去功能。引线框架也容易受到侵蚀或应力侵蚀断裂机理的影响。在有潮气和杂质沾污存在的情况下，引线框架镀层里的任何砂眼、裂纹或空隙都会使基板受到侵蚀。在引线成型的最后过程中，还可能发生断裂。引线框架侵蚀最敏感的地方则是在塑封料和引线框架间的交界处。

1.2“爆米花”效应

当吸收了潮气的塑封器件暴露在回流焊的高温下或如果封装融入熔融焊料或波峰焊料中，内部潮气就变成蒸汽，并迅速地膨胀，很容易发生各种作用而导致内部分层、键合损伤、金属化腐蚀或热膨胀，甚至发生爆米花现象，即所谓的“爆米花”效应。与通孔器件相比，塑封SMD对这个更为敏感。所有的塑封器件都有湿汽敏感度等级，美国IPC/JEDEC J- STD- -020D标准中将SMD器件分为8个等级。等级1为潮气敏感度最低的等级，等级8为最高的等级，即级别越高的器件对水汽越敏感，也就越容易在工艺过程中发生热损伤。据AESI/IPC- SM-786报道，内部潮气含量大于重量的0.11%、焊接温度超过220℃或者焊接温度变换率大于10 C等因素，将明显地增加一个塑封封装体爆裂的危险。特别是无铅回流焊接的温度更高、时间更长，由此产生“爆米花”效应的风险更高了。

返修印刷电路板，更换有缺陷的元件时，可能会加剧相邻元件遭受附加热量和热应力这个问题，并能导致早先开始的内部裂纹扩展或更大面积的分层，严重的还能导致开路，增加接触电阻和发生金属线断开。

1.3温度形变造成的失效

塑封器件采用整体模塑封装结构，包括金属框架、芯片、芯片与基板的粘接材料、内引线以及塑模化合物。塑料、框架和硅芯片间的热膨胀系数不同，在受到持续的温度变化时，会导致封装体和芯片间发生温度形变，并能最终导致疲劳或不同材料的截面产生裂缝，随后潮气和杂质容易进入，前面所述的任何与潮气相关的失效机理都可能发生。

塑封器件在键合处也会遇到有害的金-铝金属间化合物的生成，并随时间和温度高而不断地增厚，过量的金属间化合物生成会导致柯肯德尔孔(KirKendall)。随着金属间化合物的产生和空洞的出现，接触电阻便增加而强度则下降。在温度变化的环境中，各种中间相合金物间的内应力，会将键合抬起而造成开路，而冷却时又保持接触，很容易造成时断时通的现象。用户必须意识到这个潜在的问题，在处理和贮存时要求保护塑封器件免受可能出现的有害温度和相对湿度环境的影响。

2、推荐的塑封器件试验流程

塑封器件的优点包括成本低、重量轻，物理和电气性能更优的特点，但是，如果塑封器件要经受气密性器件通常承受的相同的筛选和批鉴定试验,这将使塑封器件的成本优势消失。在传统的质量保证体系中，费用和时间消耗最多的程序是电测试、老练和HAST(高温工作寿命)试验。对于诸如微处理器、存储器、高速/高分辨率A/D与D/A变换器和ASIC等之类的复杂器件，从开发程序、购买高技术插座到设计、制造试验板，最终进行试验和测试，花费特别多。因此，国内许多军工用户希望能够对电测试和应力试验进行剪裁，在不影响到整机系统的使用可靠性要求的同时，运用费效比高的技术来评估塑封器件的可靠性。以下试验流程根据塑封器件的特性和常见的失效机理，充分考虑了塑封器件的批质量一致性、高温下的器件寿命和耐潮性。同时，为了减少测试和样品的成本，测试评价从不破坏样品的无损方法开始，然后再到破坏性的评价测试方法。

2.1 外部目检

塑封器件属于非气密性器件，对于其它封装形式的外部目检来说，塑封器件不需要进行玻璃密封、封装体或帽等气密性方面的检查，但是必须着重于模塑化合物完整性的检查。其中对封装变形、包封层外来物、空洞和裂纹、引线等方面的检验提出了新的要求，并且要求对(成品)批一致性进行评估。外目检--般在筛选和鉴定试验前后进行。

近年来，伪造器件四处泛滥，严重地摧毁板极装配用户的生产质量，我们在验收时可通过对样品的型号、批次和产地等标识信息是否清晰、一致、包封表面有无磨痕、缺损等对混批、翻新、假冒产品进行真伪鉴别。

2.2 X射线检查

X射线检查是根据样品的不同部位对X射线吸收率和透射率的不同，利用X射线通过样品各部位衰减后的射线强度来检测样品内部结构是否有缺陷的一种方法。x射线透视仪已达到亚微米量级的空间分辨率，能实现对被测物体进行多角度旋转，形成不同角度的图像，而且还可以通过计算机分层扫描技术提供二维切面或三维立体成像。x射线检查不仅能清楚地展示被测样品的内部结构，而且能清楚地识别塑封器件的内部缺陷，包括塑料包封的异物和空洞、芯片定位不准和粘接空洞、引线框架毛齿、键合内引线偏移和断裂等设计、结构、材料和工艺缺陷。值得注意的是，X射线检查作为无损技术不是绝对的，它可能会使MOS等敏感器件暴露在非正常的高剂量下造成损伤，因而实施X射线检查时，要对敏感器件造成的辐射影响进行估计。

近年来，我们检查到不少以次充好的进口塑封器件的劣质品。键合丝下塌、无键合引线、同批样品的内部结构不一致(混批)等情况时有发生，而这些劣质品直接影响了电子整机、系统的成功运行，存在很大的可靠性隐患。

2.3声学扫描显微镜检查

声学扫描显微镜是利用超声脉冲来探测样品内部空隙等缺陷的仪器，随着声学扫描显微镜检查技术的发展，目前声波信号的探测模式已从单点探测A-扫描、截面探测B-扫描、截面探测C-扫描拓展到多层截面探测X-扫描、投射探测T-扫描等。不论哪一-种模式，对界面缺陷的定位分析都是基于声波信号在界面反射后是否发生相位变化来确定界面是否存在缺陷。通常，我们推荐使用C-扫描模式即C--SAM对塑封器件内部各界面进行检查。

塑封器件属于对潮湿敏感的非气密性器件，与密封器件相比其抵抗环境能力较差，尤其是潮气入侵、腐蚀和应力引起的失效比较突出。塑封器件一旦受到潮气的侵入，在焊接等温变条件下很容易发生各种作用而导致分层。而声学扫描显微镜技术则恰恰对封装气孔和杂质，焊接 基座移位、焊线 偏差以及芯片裂纹、界面裂纹、剥离、芯片粘接不良等异常现象显示了高灵敏性和有效性。对于高可靠应用的塑封器件，一般进行100%的C--SAM筛选，以剔除可能出现分层缺陷的器件。

器件内部分层导致失效的典型案例:某四路编解码器在经回流焊.上电路后发现失效，C- -SAM发现塑封与芯片分层，见图1;而用X射线则可观察到样品芯片与塑封剥离、部分键合丝根部被拉断,见图2。与电测部分管脚开路吻合，说明该塑封器件是由于分层失效而导致的塑封层拉脱焊点所造成的开路失效。

2.4破坏性物理分析(DPA)

破坏性物理分析(DPA: Destructive PhysicalAnalysis)，其目的是利用物理和化学的方法和手段来确定产品批次是否存在没有显露出来的设计、材料和加工缺陷。当DPA发现明显的重大缺陷时,通常表明制造商在生产过程中失控，该批次需要更换。因此，推荐在批次的筛选和鉴定前进行DPA。DPA重点关注封装完整性、装配质量和芯片缺陷，对批产品封装和芯片的- -致性给出评估。根据GJB4027A- -2006 (3)， 塑封器件DPA包括外部目检、X射线检查、声学扫描显微镜检查、内部目检、键合强度、扫描电子显微镜(SEM)检查和玻璃钝化层完整性检查共7项检验。

其中非破坏性的外部目检、x射线检查和声学显微镜检查等内容已如前所述，这里不再赘述。内部目检要求对键合、内引线、芯片安装、划片和芯片、金属化、玻璃钝化层和扩散区进行检查，对塑封材料外来物侵入和金属层空洞、腐蚀、脱皮和凸起进行判定，另外还需要关注填充石英砂粒子的颗粒形状、大小，考察其是否会对玻璃钝化层造成损伤。键合强度试验结果不作为DPA检验合格与否.的判据，但可供参考。SEM检查要求对引线键合、玻璃钝化层完整性和芯片互连线金属化层的质量进行评估。玻璃钝化层的完整性检查要求对玻璃钝化层中的裂缝、空洞和针孔进行评估。

由于军工用户通常需要采购国外塑封集成电路，而采购的进口塑封器件良莠不齐，质量不可控，质量等级普遍不高，绝大部分是工业级，还有少数商业级，未见军品等级。2008 年某实验室对674批塑封器件进行DPA，检出不合格87批占13%，其中C-SAM不合格80批占12%;另外翻新、假冒、混批、腐蚀和分层问题严重，产品质量令入担忧。因而，DPA是事前预防、剔除不合格批次的重要手段。

2.5寿命试验

寿命试验是在偏压条件下实施的，以识别潜在的失效机理和给器件可靠性定量。它可检测设计、金属化完整性、硅沾污、制造和组装有关的缺陷。如有机的封装材料在高温下加速发生老化，绝缘性能和防护性能劣化，或释放出对器件有害的物质，如释放水汽、钠离子以及重金属杂质，导致器件内部的污染和腐蚀等。高温工作寿命( HTOL)试验就是寿命试验。试验按GJB548B-2005方法1016，条件D进行，在最高工作结温下试验1 000 h。

2.6耐潮湿试验

耐潮性试验是把器件置于高温、高湿的环境中受试，使潮气侵入封装体，以产生如分层和开裂那样的缺陷。这种试验可识别器件对潮气引起的应力的敏感度，以便使器件能适当地封装、贮存和搬运，以避免机械损伤。高压锅、85 9C/85 %RH和HAST试验就是耐潮湿试验。高加速应力与温度(HAST)试验正在快速地取代85/85试验。HAST试验按JESD 22-A110问进行，条件通常为130 C，85 %RH，250 h。

经过高温潮热或HAST试验后的PEMs经过焊接工艺后取下，再进行声学扫描检查,分析其引线框架与封装材料、芯片与封装材料的分层情况，做出此批器件是否通过耐潮热试验的判断。大量的实践数据证实，通过.上述流程的试验评估，可以很好地剔除可能进入装备使用的、有潜在可靠性问题的塑封器件，很好地起到了保障装备可靠性的作用。

2、结束语

塑封器件由于其固有的结构特点，侵蚀、分层剥离和温度形变是其常见的失效现象，为了有效地减少军工项目中COTS塑封器件使用的风险，本文推荐了一套包括非破坏性筛选、DPA、寿命试验和耐潮性试验组合的试验流程，可以很有效地评价塑封器件批质量一致性、高温下的寿命和耐潮性等重要的可靠性指标水平。