封裝形式對電子元器件長期儲存可靠性研究

張 倩

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封裝形式對電子元器件長期儲存可靠性研究

張 倩

（工業和信息化部電子科學技術情報研究所，北京 100040）

長期儲存是解決軍用電子元器件停產斷檔問題的常用和重要方法之一。本文首先分析了長期儲存中電子元器件的失效原因，包括靜電、潮濕、溫度、污染和震動，然后研究了對封裝材料和環境的通用要求以及各封裝形式對長期儲存的特殊要求，最后比較了每種儲存形式的實際壽命和優缺點。證實只要方法得當，每種儲存形式均可實現大于15年以上的長期有效儲存。

氣密封裝；塑料封裝；裸芯片；長期儲存；電子元器件；可靠性

隨著冷戰后軍費開支大幅壓縮，軍用電子元器件所占市場份額從1970年代的17%迅速縮小至1990年代的不足1%。美國國防部從20世紀90年代起開始實施“商用現貨”（COTS）政策，即通過商業采購渠道購買市場上已有產品來滿足軍方需求。目前，美軍武器裝備所用電子元器件的96%以上為商用現貨[1]。然而，商用現貨的快速更新換代與軍用裝備長達數十年服役周期之間的供需矛盾，常導致大量使用商用現貨的軍用裝備在試樣或服役初期就面臨無電子元器件備用的難題。例如，F-35戰機的研發從2001年開始至今已超過16年的時間，仍未投入使用，而微電子器件的特征尺寸早已從2001年的0.13 μm發展到現階段的10 nm，歷經8代變遷。由于裝備一旦定型后所用元器件非極端特殊條件不可隨意改動，裝備生產商為保證裝備研制和服役后維修維護的順利進行常采取的一種做法是，在所需器件最后一次購買（Last Time Buy，LTB）時大量買進并進行數年至數十年的長期儲存[2]。然而，隨著新政策的出臺和技術的發展，長期儲存的難度不斷加大。例如，2006年生效的《危險品限制指令》（RoHS)因要求商用產品無鉛化而帶來了長期儲存中的錫須問題；特征尺寸的微縮和整體封裝體積的減小，降低了器件的可靠性和對環境的耐受能力[3]。我國在某種程度上也存在相似的問題。因此，為保證長期儲存的有效性，本文對影響電子元器件長期儲存可靠性的因素包括靜電、潮濕、溫度、污染和震動等以及應對措施進行了研究。

1 長期儲存可靠性的影響因素

電子元器件的長期儲存（Long Term Storage，LTS）是指以非加電狀態持續保存一段相當長的時間。具體保存時長依據使用環境而不同，在商用領域一般要求超過12個月，而在軍事和航空航天領域一般要求超過5年，但在實際使用中，軍事領域用電子元器件的長期儲存常需達到20年甚至更長[4]。

軍用電子元器件的封裝形式主要有氣密封裝（Hermetic Packages）、塑料封裝（Plastic Encapsulated Microcircuits，PEM）和不封裝的裸芯片三種，如圖1所示。氣密封裝包括陶瓷封裝和金屬封裝，是傳統軍用電子元器件的標準封裝形式。塑料封裝是絕大多數商用現貨采用的標準封形式。裸芯片包括晶圓（wafer）和晶粒（die）。裸芯片原是電子元器件的組成部分和制造環節之一，但隨著模塊電路的發展也變成電子元器件的一種供貨形式。

圖1 軍事領域用電子元器件封裝形式劃分

電子元器件在長期儲存期間發生的性能退化主要由不適宜的儲存環境和不當的人為操作等原因造成。環境因素包括靜電、溫度、濕度、污染物、氧氣、太陽光或紫外光源等；人為操作包括擺放、震動、沖擊等；其他因素包括封裝和包裝的壽命和特性等。主要影響因素分析如下。

（1）靜電：可導致器件PN結損壞、氧化、擊穿和其他敏感參數效應，特別是容易對CMOS電路造成損傷。

（2）濕度：如果濕度過高，濕氣將加速芯片表面金屬通路、焊盤、引線和管腿的腐蝕，導致開路、焊盤鼓起或變色、鍵合損傷等問題。由于塑料的親水性，濕氣還將導致塑封件表面在加熱過程中出現鼓包或“爆米花”現象。如果濕度過低，空氣過于干燥，則容易產生靜電。

（3）溫度：如果溫度過高，芯片易出現腐蝕、材料分解、卷邊、金屬層應力孔洞等現象，非易失性儲存器件還可能丟失所存數據[5]。如果溫度變化過快，容易引起濕氣在芯片表面的凝結。

（4）污染物：吸附到芯片表面后可能引起鍵合不牢（Non-Stick-on-Pad，NSOP）、斷路和與相鄰金屬區短路等問題。另外，污染物中常含有氟和溴，吸收空氣中的水分后液化加劇腐蝕。

氣密封裝、塑料封裝和裸芯片對上述性能影響因素的抵抗力依次減弱。氣密封裝的密封性好、機械硬度大，可有效阻止濕氣入侵和撞擊傷害。塑料封裝除親水性和錫須問題外，還因材料種類眾多，為長期儲存埋下隱患。日本Sumitomo公司曾為適應環保要求而在焊料成分中加入了紅磷，結果卻導致元器件在長期儲存的過程中失效率大幅上升，造成巨大損失[6]。裸芯片直接暴露于外部環境，最易受影響。

對于各種不同的電子元器件，包括金屬氧化物半導體和雙極性器件、電容和壓膜陶瓷、振蕩器和晶振、微電路和混合電路、單片集成器件等，在長期儲存過程中會出現不同的問題，具體表現、原因、檢驗方法和應對建議如表1所示[7]。

2 通用儲存步驟和要求

在決定對某個元器件進行長期儲存后，從該元器件的采購起就應給予特別注意，包括制定儲存計劃、評估供應源、入場檢驗、建立儲存日志、檢查包裝材料和控制儲存環境六步驟，每一個步驟都有明確的要求。

（1）根據稀缺程度對電子元器件器件歸類并制定相應儲存計劃。對于功能簡單、環境適應力強、供應渠道豐富、容易替換的電子元器件，不需要采取特殊的措施；對于價值高、不可替換、即將或已經停產的器件，應制定謹慎、周密的儲存計劃。具體需要關注的點包括：產品等級（商業、工業、各種軍用、航空）、封裝類型和管腳材料、停產斷檔信息以及其他器件采購經驗。

（2）要求供應商誠實可信并提供與產品相關的詳細信息。在購買前應要求供應商提供元器件生產批號、生產日期、生產廠商出具的出廠證明等信息；說明能追溯回生產廠商的產品流轉路徑、發貨前產品的包裝方式、儲存環境和時間；以原廠包裝方式發貨，不得混裝不同生產日期或批號的產品、翻新或改變封裝，更改或涂抹產品標簽等。

（3）在儲存前的入場檢驗中鑒別真偽和檢驗質量。對貴重且稀缺的元器件，必須鑒別真偽；對管腳數多且易受損傷的封裝類型，如塑封球柵陣列（PBGA），要檢查是否出現劃傷、撞擊等機械損傷[8]。帶有機械損傷的器件雖不直接影響性能，但不適于長期儲存。

表1 長期儲存對各類電子元器件造成的影響和應對措施

Tab.1 LTS’s impact to various kinds of components and solutions

（4）建立全過程儲存數據日志。元器件到貨時即建立數據日志，包括產品基本信息、到貨前的流轉路徑和儲存狀態、到貨檢驗情況等；長期儲存過程中，應以生產批號、生產日期和最小包裝為單位對每天的儲存環境、定期檢查結果等常規內容，以及如停電停氣、位置改變等非常規事件進行記錄等。數據日志是器件狀態確認、失效分析的重要依據。

（5）確保包裝用品符合標準。電子元器件在儲存過程中常用到的包裝用品有防靜電紙、晶圓盒、晶粒盒（Waffle Pack），包裝卷（Reel）、防潮袋（Moisture Barrier Bag，MBB）、干燥劑、濕度指示卡（Humidity Indicator Card，HIC）、干燥箱以及干燥柜等。包裝用材料不應隨時間老化而釋放多余物質，要能滿足靜電防護要求。具體要求見表2所列的多個標準。

防潮袋和干燥柜是最重要的兩道保護屏障，使用中需注意以下事項。使用防潮袋時，首先檢查防潮袋的密封性，然后放入元器件并充入干燥的氮氣或其他惰性氣體，最后再抽真空；必要時可進行兩次充放氣以完全隔絕外界空氣；根據防潮袋的有效期定期檢查防潮效果。使用干燥柜時，為保證干燥柜能在普通開關門后的1 h內恢復至預定指標，干燥柜累計開門時間在8 h內不超過10 min、24 h內不超過30 min。

表2 包裝用品相關標準

Tab.2 Related standards for packing materials

（6）儲存環境要做到適宜可控，具體指標要求如下：

典型溫度：20℃±10℃。溫度變化大于10℃的持續時間一般不應超過24 h。由于高溫可能導致或加速包裝材料分解，應根據材料特性對器件可承受的最高溫度和最長持續時間做出修正。

典型濕度：40%~60%相對濕度（RH）。對于部分親水性元器件，濕度控制應更嚴格，如光電器件中的光纖在長時間暴露于潮濕環境后可能在表面出現裂痕[9]。

靜電防護：搬運和安放電子元器件時，人員的穿戴、操作應符合防靜電要求，如從包裝卷取元器件時，卷盤的速度應小于10 mm/s，取出角度應處于165°~180°[10]。

電子元器件在儲存過程中還應避免紫外光或太陽光直射和化學污染，儲存位置應合理規劃以減少挪動和搬運的次數，避免對元器件造成額外損害及減少不必要的質檢和操作步驟。更多具體要求參考表3所列的多個標準。

表3 長期儲存相關標準

Tab.3 Related standards for LST

3 塑封器件和裸芯片的特殊儲存要求

除通用儲存要求外，塑封器件和裸芯片還需額外保護措施。

（1）裸芯片

裸芯片應真空密封在防潮袋中，并將防潮袋置于溫度為18~24°C、相對濕度小于30%、干燥的惰性氣體環境中。如非真空密封包裝，則需放在以(2~6)×0.028 m3/h速率吹氮氣的氮氣柜中。包裝和檢查裸芯片的環境應遵照ISO14644-1中6或以下等級所列要求[12]。

（2）塑封器件

濕氣是塑封器件最需要防范的影響因素。標準J-STD-40中根據塑封器件待裝壽命（Floor Life）的長短將塑封器件對濕氣的敏感程度分為8個等級，如表4所示。待裝壽命指元器件在使用前離開儲存環境、暴露于溫度不超過30℃、相對濕度不超過60%的環境中所允許的最長時間。為保證元器件的有效，元器件從出廠之日起在測試、分裝、流通等環節的累計待裝時間應小于元器件待裝壽命。為此，元器件生產廠商必須說明元器件的待裝壽命；用戶必須以最小包裝對元器件的待裝時間進行跟蹤和累計。如果元器件待裝時間超出待裝壽命，常用干燥方法有干燥箱或烘烤兩種。若器件待裝時間小于8h，則需將元器件置于25℃±5℃、相對濕度小于10%的干燥箱中[13]；如果待裝時間不可考，則通常將元器件以125 ℃的溫度烘烤24 h，以控制管殼吸收的水汽占總重的比例小于0.05%。在烘烤過程中，每30 min需要在不超過30 ℃和60%相對濕度的環境中進行目檢和重新包裝。

Solution of nonlinear operator equation by inexact iterative under the ordered compressed conditions

表4 塑封器件濕度敏感等級

Tab.4 Moisture sensitive levels and corresponding floor life

注：*如果再流焊溫度為235 ℃則為必需。

4 三種封裝方式長期儲存效果驗證及比較

據美國國家航空航天局（NASA）、美國QP半導體公司、Spansion公司、德州儀器公司、Micross公司和英國Alter公司等機構的調查和實驗結果，如果遵照要求妥善儲存，氣密封裝、塑料封裝和裸芯片均可實現長期儲存：氣密封裝的常規儲存年限是10至20年；塑封器件儲存期超過15年；裸芯片儲存期超過20年[6-15]；該實驗結論普遍適用，即對于抗輻射等特殊元器件并不需要額外采取更多的特殊保護步驟。

以NASA為例，NASA下設的10個主要研究中心，如噴氣推進實驗室（JPL）和蘭利研究中心，以及眾多其他研究機構，都需用到大量的電子元器件。以JPL為例，在其自有的飛行電子器件儲存庫中就儲存了超過200萬只專為航天應用而設計、測試和認證的電子元器件。NASA表示，每一個研究中心都如此，電子元器件的長期可靠儲存對于美國航空航天設備的研制和正常工作至關重要。根據NASA在2014年發布的有關長期儲存的報告[7]，NASA搜集研讀了125篇報道文章，進行了17人的電話和當面訪談，實地走訪了4家工廠，與高校和科研機構的專家進行大量電子郵件交流，覆蓋從航空到汽車，從計算機到無線電的多個領域。調查結果是，除了個別例外，只要保證采取合理的儲存方式，沒有確鑿且充分的證據顯示經過長期儲存器的器件不可信，使用被妥善儲存的長期儲存器件對板級和系統級幾乎不存在風險；現有報道長期儲存失效的文章，普遍存在調查數量只是個位量級、缺少對儲存情況和產品特征標定等情況的說明等問題，不足以論證長期儲存是失效的原因。例外的情況是，避免使用批次號指向1999到2003年封裝和組裝的任何塑料封裝器件，因為制造商曾在該段時間為降低可燃性而在焊料中引入了溴，后者容易引發腐蝕進而導致引線框架和鍵合線的失效。

又以英國Alter公司為例，Alter長期存儲開始于1982年的“空間實驗室維護”項目[16]，1993年獲得歐空局（ESA）支持評估高可靠器件的長期存儲[14]。Alter在此期間形成一套完整的長期儲存操作流程和規范，覆蓋采購控制、備件準備、文檔控制、可追蹤性、篩選、測試、能力保留、存儲準備、封裝、存儲條件、監控、統計和看門狗測試各方面，已為包括歐空局在內的全球多個機構和企業提供了長期儲存服務，服務范圍包括挑選、訂貨、收貨、測試、包裝和存儲、周期性驗證、根據預定時間發貨等，所提供器件的最長存儲期已超過15年。

再進一步具體到不同封裝方式上，氣密封裝對儲存環境和基礎設施要求最低，且有著長儲存壽命，一直是長期儲存的首選，但并非所需的電子元器件都有氣密封裝；且隨著氣密封裝越來越少，它們作為長期儲存的首選已沒有從前吸引人。塑封器件最容易獲得，但儲存環境較氣密封裝苛刻。裸芯片可提供最大的靈活性，避免了現階段氣密和塑料封裝形式無法滿足未來需要的問題；裸芯片所需儲存空間也較小，7000只晶粒只需一片6 cm×2.54 cm(6英寸)晶圓面積大小，而7000只14管腳塑料雙列直插封裝則需要一個抽屜的空間，而且，塑封器件不像裸芯片和密封器件，無法檢查內部缺陷。但裸芯片的儲存環境最苛刻、包裝步驟最繁瑣，要求最嚴格，并非每一個電子元器件用戶都能具備。為此，市場上出現了專門提供裸芯片儲存服務的公司，如QP半導體（已被e2V收購）、Micross等。雷聲、仙童（已被安森美收購）、國家半導體（已被德州儀器收購）、TRW、Vishay、Signetics和飛利浦等[6]。三種封裝形式更詳細的儲存優劣比較如表5所示。

表5 三種封裝長期儲存優劣比較

Tab.5 Storage effect comparison of 3 kinds of packing

5 結束語

長期儲存是停產斷檔問題的解決方案之一，是特殊器件“最后一次購買”的唯一解決方案，也是滿足“升級篩選”或“提高額定值”需求的實用解決方案。在建立了完備操作標準和規范的基礎上，通過選擇適宜存儲的電子元器件、制定正確全面的儲存計劃、設定適宜的儲存環境、選擇合適的包裝材料、定期進行檢查等措施，氣密封裝、塑料封裝和裸芯片這三種封裝方式均可實現儲存期超過15年的長期儲存，但裸芯片封裝在使用靈活性和存儲空間上更具優勢。需指出的是，長期存儲的研究并不是一勞永逸的事情，需隨著新器件材料和結構的不斷發展持續開展研究，以保證新器件也能在長期儲存后滿足使用需求。

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（編輯：陳渝生）

Reliability study of long-term storage for electronic component packaging

ZHANG Qian

(Electronic Technology Information Research Institute, Ministry of Industry and Information, Beijing 100040, China)

Long-term storage is an important solution to address the off production and short stocking issues with military electronic components. In this thesis, failure mechanisms of long-term stored ICs, including ESD (electronic static discharge), humidity, temperature, contamination and vibration, were analyzed. Then the general requirements on packaging materials and environment as well as the special demands on long-term storage were analyzed. Finally, the actual lifetime, merits and demerits of each storage form were compared. It demonstrates that if stored properly, the components could work properly after 15 years’ storage.

hermetic package; plastic package; wafer; long-term storage; electronic component; reliability

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.06.020

TN61

A

1001-2028（2017）06-0099-06

2017-03-31

張倩（1984－），女，陜西寶雞人，工程師，主要從事軍用電子元器件相關研究，E-mail: 18801002065@163.com。

網絡出版時間：2017-06-07 13:45

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170607.1345.020.html