塑封器件除濕方案設計與驗證

吳立強，王 宇，李 泱，支鈺崧，胡 涵

塑封器件除濕方案設計與驗證

吳立強，王 宇，李 泱，支鈺崧，胡 涵

（中國運載火箭技術研究院物資中心，北京，100076）

聲學掃描試驗能夠有效剔除塑封器件的分層、裂紋、空洞等內部缺陷，提高型號應用的可靠性。聲學掃描試驗過程中需要使用水作為超聲波傳播介質，被試塑封器件需要完全浸入到水中，由于塑封器件封裝體是非密封的和易吸濕的，所以無法避免濕氣的浸入。目前，中國塑封器件聲學掃描試驗后的除濕方法缺少指導性的技術規范。為研究高溫除濕方法并制定規范，通過稱重方式研究塑封器件的吸濕特點，并驗證在不同高溫下除濕的有效性，在大量的試驗驗證和分析基礎上，制定出型號塑封器件可行的除濕技術規范。

聲學掃描；塑封器件；除濕；稱重

0 引 言

目前，塑封器件逐漸被航天航空等高可靠領域認可，已經得到不同程度的應用[1-2]。塑封器件是一種以塑料（高分子聚合物，包括環氧樹脂、聚酰亞胺、BCB樹脂、BT樹脂等）為主體的封裝材料，把芯片等部件緊緊包裹在里面的一種封裝形式。合格的塑封器件內部不應有空腔存在[3]。而實際的塑封器件在熱失配、封裝工藝參數控制不當的情況下，內部可能存在缺陷。缺陷包括塑封料與芯片或引線框架間的分層、塑封料里面的裂紋和空洞等[4]。多年的試驗發現，分層是塑封器件最可能出現的缺陷[5]，這與塑封料與其他部件熱膨脹系數不同有關。利用聲學掃描顯微鏡對塑封器件進行無損式內部缺陷檢查[6]是目前行業內常用的試驗手段。聲學掃描試驗能夠有效發現塑封器件的分層、裂紋、空洞等缺陷，進而剔除有缺陷的樣品。在聲學掃描試驗時，需要使用水作為超聲波傳播介質，在浸水過程中濕氣會侵入到塑封器件內部。濕氣侵入塑封器件存在如下危害：a）濕氣中若帶有較多的離子沾污物，會使芯片的鍵合區發生腐蝕，芯片表面的鈍化層存在缺陷，則濕氣會侵入到芯片的金屬化層導致腐蝕[7]；b）在高溫作用時，濕氣會膨脹且體積增大，由于熱失配導致內部結構出現分層，嚴重的會在器件表面產生鼓包，即“爆米花”效應[8-9]，若膨脹變形嚴重，形變應力會導致芯片破裂等。因此，聲學掃描試驗后需要將侵入塑封器件的濕氣去除，一般方式是高溫烘焙法[10]，利用高溫下濕氣的揮發達到除濕的目的。

1 除濕技術規范調研

經過廣泛研究聲學掃描試驗后塑封器件的高溫烘焙技術規范，未發現中國相關標準中規定此項內容，國外相關標準中規定得也不十分詳細，可操作性較差。如美國軍用標準PEM-INST-001《Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit(PEM) Selection，Screening，and Qualification》（塑封微電路選擇、篩選和鑒定指南）中規定了聲學掃描試驗后塑封器件應進行1 h、125 ℃的高溫烘焙，以去除塑封器件內部濕氣[11]。此試驗條件是否適用不同體積的塑封器件，對于最高工作溫度達不到125 ℃的塑封器件，如何進行烘焙試驗，數據支撐還不夠充分。

綜上，國內外都未發現比較完善的聲學掃描試驗后塑封器件烘焙的試驗條件。

2 除濕方案設計

本文的方案設計思路是：塑封器件浸水后吸入濕氣質量增加，使用高精度電子秤稱量質量的增加量，然后進行烘焙，稱量塑封器件質量的減少量，直至烘焙減少量與浸水增加量相當。使用的烘焙溫度和時間就是樣品最佳烘焙試驗條件。

2.1 試驗工具

本次選用衡際FA3204H型高精度電子秤開展試驗，該電子秤滿量程為320 g，精度為0.1 mg，如圖1所示。

圖1 電子秤外觀

2.2 試驗樣品

選取6只體積相對較大塑封器件樣品，從濕氣行進路徑角度考慮，體積較大器件濕氣行進路徑長。體積較小器件濕氣行進路徑短，也能夠達到除濕的效果，樣品外觀如圖2所示。

圖2 樣品器件三視圖

2.3 浸水時間

綜合分析聲學掃描試驗過程，根據難易程度和復雜程度，日常試驗樣品浸水時間約4～30 min，選取最長浸水時間30 min作為樣品模擬浸水時間。

2.4 烘焙溫度

分析塑封器件的實際工作溫度。一般工業級產品最高工作溫度為85 ℃，軍級產品最高工作溫度為125 ℃，非標工業級為85～125 ℃。85～125 ℃基本能夠覆蓋型號塑封器件的最高工作溫度范圍，故選取85℃、105℃、125℃ 3個溫度點作為試驗驗證溫度點。

2.5 烘焙時間

一般元器件的試驗計時以小時為記錄時間節點，本次烘焙也以小時為烘焙時間節點，每烘焙1 h進行一次稱重。

3 除濕試驗驗證

3.1 浸水及聲學掃描檢查

將6只樣品編號為1#至6#，分別稱重記錄，進行30 min浸水后再進行稱重，試驗結果如表1所示。

表1 塑封器件樣品浸水及稱重試驗結果

Tab.1 Plastic packaging device samples immersed in water and weighed experiment results

樣品編號1#2#3#4#5#6# 初始質量/g5.55915.50035.56515.50395.51475.5003 浸水30min后質量/g5.56035.50155.56635.50525.51595.5016 增加量/g0.00120.00120.00120.00130.00120.0013

經過30 min浸水試驗后，6只樣品增加1.2～1.3 mg不等的質量，平均增加質量1.23 mg。

同時對比浸水前后聲學掃描試驗結果[12]。聲學掃描試驗結果基本一致，說明浸水過程未對塑封器件內部結構產生影響。以其中2只樣品為例，掃描試驗結果如圖3至圖6所示。

圖3 浸水前樣品正面聲學掃描試驗結果

圖4 浸水前樣品反面聲學掃描試驗結果

圖5 浸水后樣品正面聲學掃描試驗結果

圖6 浸水后樣品反面聲學掃描試驗結果

3.2 烘焙試驗

在85 ℃、105 ℃、125 ℃ 3個溫度點下分別進行烘焙，時間以1 h遞進，每烘焙1 h后稱量樣品質量，按表2記錄烘焙時間與質量的變化關系。4 h后各溫度點下都已完成濕氣去除。

表2 烘焙時間與質量的變化關系

Tab.2 Relationship between roast time and change of weight

烘焙溫度/℃85105125 樣品編號1#2#3#4#5#6# 烘培稱重g 初始值5.56035.50155.56635.50525.51595.5016 烘焙1h5.55985.50095.56575.50465.51495.5005 烘焙1h減少量0.00050.00060.00060.00060.00100.0011 烘焙2h5.55965.50075.56515.50415.51435.5000 烘焙2h減少量0.00070.00080.00120.00110.00160.0016 烘焙3h5.55945.50035.56475.50365.51345.4992 烘焙3h減少量0.00090.00120.00160.00160.00250.0024 烘焙4h5.55905.50005.56425.50315.51255.4987 烘焙3h減少量0.00130.00150.00210.00210.00340.0029

將表2中質量變化量進行統計分析，計算在不同溫度點下質量的變化平均值，如表3所示。

表3 不同溫度點下質量的平均變化量

Tab.3 Average change of weight at different temperature points

烘焙溫度/℃85105125 烘焙1h減少量平均值/ mg0.550.61.05 烘焙2h減少量平均值/ mg0.751.151.6 烘焙3h減少量平均值/ mg1.051.62.45 烘焙4h減少量平均值/ mg1.252.13.15

6只樣品浸水平均增加質量是1.23 mg，分析表3中不同溫度、不同烘焙時間樣品的質量減少平均值。在85 ℃溫度點下、達到4 h烘焙時間后，2只樣品的平均變化量為1.25 mg，滿足大于1.23 mg的減重需要；在105 ℃溫度點下、達到3 h烘焙時間后，2只樣品的平均變化量為1.6 mg，已經超出1.23 mg的減重需要，說明在2～3 h的某一時間點就已經滿足了減重需要；在125 ℃溫度點下、達到2 h烘焙時間后，2只樣品的平均變化量為1.6 mg，已經超出1.23 mg的減重需要，說明在1～2 h的某一時間點就已經滿足了減重需要。3組烘焙質量減少平均值與浸水質量增加平均值對應關系如圖7所示。

圖7 烘焙質量減少平均值與浸水質量增加平均值對應關系

3.3 試驗結果分析

經對聲學掃描試驗結果的比較，較長時間的浸水過程不會改變塑封器件的內部結構，及時去除內部濕氣的情況下，不會影響塑封器件的正常使用。

通過數據對比能夠發現，在6只被試樣品浸水后，質量變化增量平均值為1.23 mg，在經過85 ℃下4 h、105 ℃下3 h、125 ℃下2 h烘焙，都能起到樣品器件質量減少量超過1.23 mg的目的，同時也能夠證明溫度越高烘焙效率越高，溫度略低也能起到烘焙的效果，只是時間需要加長。

結合實際試驗情況，對于工作溫度能達到125 ℃的塑封器件，采用125 ℃烘焙2 h的試驗條件，既能起到烘焙效果又能提高工作效率。對于體積較大的塑封器件試驗，美國軍用標準規定的125 ℃烘焙1 h的試驗條件的效果相對較差。對于工作溫度不能達到125 ℃的塑封器件，采用85 ℃烘焙4 h或105 ℃烘焙3 h的試驗條件，既能實現烘焙的目的又能確保塑封器件不受到損傷。

4 結 論

塑封器件的浸水過程不會改變塑封器件的內部結構。通過試驗驗證和數據分析發現，塑封器件的烘焙溫度越高，烘焙效果越明顯。根據塑封器件的最高工作溫度，85 ℃烘焙4 h、105 ℃烘焙3 h或125 ℃烘焙2 h，是聲學掃描試驗后最優的烘焙試驗條件。

[1] 胡劍書, 陳之光. 軍品用塑封器件質量控制研究[J]. 微電子學, 2015, 45(5): 673-675.

HU Jianshu, CHEN Zhiguang. Research of quality control on military plastic encapsulated microcircuit device[J]. Microelectronic, 2015, 45(5): 673-675.

[2] 楊黎, 龔國虎, 梁棟程, 等. 激光技術在塑封器件開封中的應用[J]. 太赫茲科學與電子信息學報, 2015, 13(5): 837-841.

YANG Li, GONG Guohu, LIANG Dongcheng, et al. Application of laser technology in decapsulation of plastic encapsulated microcircuits[J]. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology, 2015, 13(5): 837-841.

[3] 劉云婷, 龔國虎, 梁棟程, 等. 芯片表面涂膠的塑封器件開封方法研究[J]. 電子產品可靠性與環境試驗, 2019, 37(2): 31-37.

LIU Yunting, GONG Guohu, LIANG Dongcheng, et al. Research on decapsulation method of plastic packaging device with silicon gel coated on the chip[J]. Electronic Product Reliability and Environmental Testing, 2019, 37(2): 31-37.

[4] 王旭亮, 楊達明, 黃姣英. 基于超聲掃描的塑封器件缺陷判定方法研究[J]. 電子器件, 2020, 43(1): 39-45.

WANG Xuliang, YANG Daming, HUANG Jiaoying. Defect detection method of plastic-capsulated devices based on ultrasound scanning[J]. Chinese Journal of Electron Devices, 2020, 43(1): 39-45.

[5] 儲奕鋒, 周毅, 陳海燕, 等. 高可靠塑料封裝技術研究[J]. 電子產品可靠性與環境試驗, 2021, 39(3): 64-69.

CHU Yifeng, ZHOU Yi, CHEN Haiyan, et al. Research on highly reliable plastic packaging technology[J]. Electronic Product Reliability and Environmental Testing, 2021, 39(3): 64-69.

[6] 趙海龍, 裴選, 彭浩, 等. 國內外塑封器件聲掃試驗標準現狀及問題[J]. 電子質量, 2017, 363(6): 76-78, 89.

ZHAO Hailong, PEI Xuan, PENG Hao, et al. Current state and problems of SAM standards of PEM at home and abroad[J]. Electronic Quality, 2017, 363(6): 76-78, 89.

[7] 張大宇, 寧永成, 王熙慶, 等. SpaceX公司商用塑封器件質量保證措施[J]. 航天器工程, 2019, 28(3): 92-98.

ZHANG Dayu, NING Yongcheng, WANG Xiqing, et al. Quality assurance measures in SpaceX for commercial plastic encapsulated microelectronics[J]. Spacecraft Engineering, 2019, 28(3): 92-98.

[8] 李永正, 黨煒, 李昕昕, 等. 聲學掃描技術在高可靠領域塑封器件檢測中的應用[J]. 電子器件, 2018, 41(1): 19-24.

LI Yongzheng, DANG Wei, LI Xinxin, et al. Application of scanning acoustic technology in the detection of plastic encapsulated device in the high reliability field[J]. Chinese Journal of Electron Devices, 2018, 41(1): 19-24.

[9] 成鋼, 丁旭. 塑封器件去潮工藝研究[J]. 電子工藝技術, 2019, 40(5): 291-293, 295.

CHENG Gang, DING Xu. Research on baking process of plastic packaging devices[J]. Electronics Process Technology, 2019, 40(5): 291-293, 295.

[10] 李昕昕, 黨煒, 李永正, 等. 聲學掃描顯微鏡檢查標準研究[J]. 電子產品可靠性與環境試驗, 2018, 36(5): 72-76.

LI Xinxin, DANG Wei, LI Yongzheng, et al. Research on the standards of scanning acoustic microscope[J]. Electronic Product Reliability and Environmental Testing, 2018, 36(5): 72-76.

[11] ALEXANDER Teverovsky, KSUM Sahu. PEM-INST-001 instructions for plastic encapsulated microcircuit(PEM) selection, screening, and qualification[S]. Greenbelt, Maryland: Goddard Space Flight Center, NASA, 2003.

[12] 田健, 鄧昊, 王伯淳, 等. 塑封器件聲掃檢查時分層假象的識別方法[J]. 電子與封裝, 2020, 20(11): 110401.

TIAN Jian, DENG Hao, WANG Bochun, et al. The identification method of delamination-illusion in SAM of PEM[J]. Electronics & Packaging, 2020, 20(11): 60-63.

Design and Verification of Dehumidification Scheme for Plastic Packaging Devices

WU Liqiang, WANG Yu, LI Yang, ZHI Yusong, HU Han

(Material Center of China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

The acoustic scanning test can effectively weed out the internal defects such as delamination, crack, cavity, etc. of the plastic packaging devices, and improve the reliability of the model application. During the acoustic scanning test, water is required to be used as the ultrasonic transmission medium, and the plastic packaging devices under test needs to be completely immersed in water, because of the package of the plastic packaging devices is unsealed and easy to absorb moisture, the immersion of moisture cannot be avoided, At present, there is no instructive technical specification for the dehumidification method of domestic plastic packaging devices after the acoustic scanning test. To study the high temperature dehumidification method and formulate specification, the moisture absorption characteristics of plastic packaging devices through weighing are creatively studied, and the effectiveness of dehumidification under different high temperatures is verified. Based on a large number of experimental verification and analysis, a feasible dehumidification technical specification for model plastic packaging devices is formulated.

acoustic scanning; plastic packaging devices; dehumidification; weigh

2097-1974(2023)02-0114-04

10.7654/j.issn.2097-1974.20230222

V416

A

2022-11-29；

2023-03-05

吳立強（1979-），男，研究員，主要研究方向為電子元器件質量保證技術。

王 宇（1979-），男，工程師，主要研究方向為電子元器件質量保證技術。

李 泱（1991-），男，工程師，主要研究方向為電子元器件質量保證技術。

支鈺崧（1991-），男，博士研究生，主要研究方向為電子元器件質量保證技術。

胡 涵（1995-），男，工程師，主要研究方向為電子元器件質量管理。