塑封半導(dǎo)體分立器件的質(zhì)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(dǎo)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(chǎn)任務(wù)和器件特征，提出塑封器件質(zhì)量保證流程，是對傳統(tǒng)金封半導(dǎo)體分立器件應(yīng)用的擴充。

關(guān)鍵詞：塑封半導(dǎo)體分立器件? ? 失效模式? ?篩選? ?考核試驗

1 引言

塑封性半導(dǎo)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(yōu)點，其廣泛運用于充電器、數(shù)碼、電源、汽車等領(lǐng)域。雖然塑封器件應(yīng)用于多種領(lǐng)域，但是由于商用航天等領(lǐng)域?qū)Ξa(chǎn)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(yīng)用于要求嚴(yán)苛的汽車電子領(lǐng)域，國際上商業(yè)航天項目上也采用了塑封器件，常被稱為商用貨架產(chǎn)品。NASA在2003年發(fā)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(yè)塑封器件在內(nèi)的器件，在航天應(yīng)用時必須進行的質(zhì)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(jì)80年代就獨立開展了商業(yè)器件在空間領(lǐng)域的應(yīng)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(shè)計和工藝造成的質(zhì)量缺陷所導(dǎo)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(chǎn)品出現(xiàn)早期失效，除了框架變形、混批、打標(biāo)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(shù)失效，圖1是參數(shù)失效分布圖。

以公司生產(chǎn)的塑封高可靠性半導(dǎo)體分立器件WVM100N6S28為例，采用塑封PG-TDSON-8封裝。500只WVM100N6S28器件經(jīng)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(huán)、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(yīng)力有關(guān)。塑封器件的考核主要考慮與時間和應(yīng)力的關(guān)系。塑封器件結(jié)構(gòu)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(huán)氧樹脂為基礎(chǔ)，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(lǐng)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(yè)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(dǎo)體分立器件的工作范圍。Space X公司根據(jù)相關(guān)報告或數(shù)據(jù)評價塑封器件的溫度是否滿足使用環(huán)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(shù)據(jù)，確定發(fā)射階段火箭艙內(nèi)的實際環(huán)境溫度為-37℃～+71℃，因此選擇工作溫度在-40℃～+85℃的工業(yè)級商業(yè)塑封器件是可行的。

2.2 純錫

塑封器件生產(chǎn)時考慮到環(huán)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(chǎn)生的短路風(fēng)險。另外純錫在低溫下（低于-13℃）原子間的空間變大，形成結(jié)晶態(tài)的錫疫，可導(dǎo)致半導(dǎo)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(guī)定，如果能夠按照GEIA-STD—0005-2中C2等級進行風(fēng)險控制，提供2種以上緩解錫須、錫疫問題的措施及相關(guān)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(yán)重影響了塑封器件的可靠性，主要表現(xiàn)在焊裝過程中的“爆米花效應(yīng)”以及內(nèi)部濕氣引起的鍵合焊點電偶腐蝕。“爆米花效應(yīng)”是由于塑封器件內(nèi)部水分加熱，氣體體積快速膨脹引起的，會導(dǎo)致塑封器件內(nèi)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(jié)合封裝內(nèi)部的游離離子雜質(zhì)，還會導(dǎo)致鍵合系統(tǒng)發(fā)生腐蝕。Space X公司嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)J-STD-033的要求，對塑封器件進行MSL（潮濕敏感度評價），確保產(chǎn)品滿足要求。西安衛(wèi)光科技有限公司嚴(yán)格按照國軍標(biāo)《塑封集成電路的潮濕敏感度分級試驗方法》，確保產(chǎn)品滿足要求。

3? 考核試驗

塑封器件雖然有很多優(yōu)點，但是由于其自身的吸潮性等缺點，國內(nèi)塑封器件用于航天等高可靠領(lǐng)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(yè)航天的應(yīng)用背景，制定了商業(yè)塑封器件質(zhì)量保證的試驗流程，在試驗項目上采取了剪裁和針對性設(shè)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(huán)、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(jié)合的“批篩選試驗+單板考核試驗”的質(zhì)量保證模式，由試驗結(jié)果決定是否接收，逐步淡化對制造商的資質(zhì)和生產(chǎn)過程的控制要求。這樣做的優(yōu)點非常明顯，就是可以按照常規(guī)的商業(yè)模式進行器件采購，只要滿足質(zhì)量要求的元器件都可以使用，不必局限在宇航和軍用認(rèn)證的優(yōu)選元器件目錄內(nèi)進行。

Space X公司的成功經(jīng)驗并不適合國內(nèi)，西安衛(wèi)光科技有限公司參考了GJB 33A-97《半導(dǎo)體分立器件總規(guī)范》，對于塑封器件質(zhì)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(chǎn)品的特性進行了設(shè)計。由于塑封器件內(nèi)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(wěn)態(tài)濕熱（強加速穩(wěn)態(tài)濕熱）、內(nèi)部易燃性、外部易燃性等試驗。并制定了塑封器件質(zhì)量保證流程，如圖2所示，最終試驗合格的塑封產(chǎn)品交付使用。

結(jié)束語

美國Space X公司已經(jīng)形成了一套有別于NASA的質(zhì)量保證方法。我公司借鑒參考了Space X公司的成功經(jīng)驗和我公司現(xiàn)狀，再結(jié)合用戶的實際運用的環(huán)境和需求，針對已知的的可靠性隱患采取相應(yīng)的緩解措施，從而設(shè)計出適合塑封器件的考核試驗，保證了塑封器件在商業(yè)航天等任務(wù)應(yīng)用中的可靠性。

參考文獻

[1]張大宇，寧永成，王熙慶等.商業(yè)航天領(lǐng)域商業(yè)塑封器件質(zhì)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(zhì)量保證方法及流程。2019年8月。