主流的微電子器件封裝技術與常見的可靠性評估方法

摘要：微電子器件作為現代電子技術的基石，其可靠性對整個電子行業至關重要。隨著電子設備向更小型化、高性能化發展，微電子器件的可靠性問題日益凸顯，微電子器件封裝技術對于保證器件性能和延長使用壽命具有至關重要的作用。本文概述當前市場上主流封裝技術，簡要介紹一些加速失效的影響因素，并提出一系列封裝可靠性評估方法。

關鍵詞：微電子器件；封裝；可靠性

中圖分類號：TN405文獻標志碼：ADOI編碼：10.3969/j.issn.1674-4977.2025.01.047

0引言

微電子器件的封裝不僅保護器件免受物理損害，還確保了電氣連接的穩定性。然而，隨著器件尺寸的減小和集成度的提高，封裝過程中可能出現的問題也越來越復雜。因此，對封裝可靠性的研究顯得尤為重要。本文將重點關注幾種塑封封裝的優缺點比較，以及如何通過一系列封裝可靠性評估方法來考察塑封封裝的可靠性。

1主流封裝技術

1.1傳統封裝技術（典型封裝技術）

1.1.1雙列直插式封裝（DIP）

雙列直插式封裝是一種簡單的封裝技術，多數中小規模的集成電路均會使用這種封裝，而且這種封裝的引腳數一般不超過100。其可以插在具有雙列直插結構的芯片插座和焊接在焊孔數與幾何排列相同的電路板上，插拔一定要小心防止引腳損壞。這種封裝結構形式有多層陶瓷雙列直插式DIP，單層陶瓷雙列直插式DIP，引線架DIP等，特點在于對于PCB上的穿孔、焊接特別方便，且其體積因封裝面積和芯片面積比值大而較大。1.1.2四邊扁平封裝（QFP）

四角扁平封裝為了解決在不大幅度擴大芯片面積的基礎上提高芯片的引出端數目（輸入、輸出）四邊扁平封裝的概念便應運而生，一般可達到44～208個腳，有的甚至可達到304個腳。多用于微處理器、通信芯片等復雜芯片。這種封裝的引腳間距很小且引線很細，QFP形式上多為正方形，引腳分布在四周且呈海鷗翼（L）形。基材有陶瓷、金屬和塑料。引腳中心距有1.0、0.8、0.65、0.5、0.4、0.3 mm等規格。四角扁平封裝的特點有以下幾種：

1）適用于表面貼裝器件安裝技術在PCB上安裝布線。

2）更加適合高頻情況下使用。

3）可靠性高且操作便捷。

4）芯片與封裝的面積之比較小。

1.1.3球柵陣列封裝（BGA）

球柵陣列封裝是在基板的反面制有球形觸點陣列引腳，而IC芯片位于基板的正面，BGA芯片與引腳端在基板同一側，是多引腳大規模集成電路芯片封裝用的一種表面貼裝型技術。優點：互聯長度縮短使得封裝性能得到進一步提升，互聯所占的板面積小，最大程度利用基板空間，并且I/O間距也要求不嚴，能高效地進行信號屏蔽和功率分配。其特點如下：

1）提高了成品率。

2）BGA焊點的中心距一般為1.27 mm，可以利用現有的SMT工藝設備實現相對于引腳中心距只有0.3 mm的QFP封裝需要很精密的安放設備以及完全不同的焊接工藝。

3）改進了器件引腳數和本體尺寸。

4）極大地提高了共面問題，減少了共面損壞。

5）外引線相對于QFP來說更加牢固，很難變形。

6）外引線短，信號路徑短，減小了引線上的電感電容，增加了節點性能。

7）球形外引線形狀有助于熱量散發。

8）BGA適合MCM的封裝需要，有利于實現MCM的高密度、高性能。

1.2先進封裝技術

1.2.1芯片尺寸封裝（CSP封裝）

這種封裝結構可以達到芯片面積/封裝面積為1∶1.1，也就是裸芯片的面積只比封裝外形尺寸小，這種新的封裝形式被命名為Chip Size Package/Chip Scale Package。這種封裝的特點如下：

1）滿足了LSI芯片引腳不斷增加的需要。

2）解決了集成電路裸芯片不能進行交流參數和老化篩選的問題。

3）封裝面積縮小到BGA（Ball Grid Array，球柵陣列封裝）的1/10～1/4，延遲時間縮小到極短。

1.2.2硅片級芯片尺寸封裝（WLCSP）

常見的CSP封裝都是將硅片切割為單個IC芯片后再進行后道封裝工藝，而WLCSP多數工藝步驟都是在完成前道工序的硅片上完成，最終將硅片直接切割成分離的獨立器件。這種封裝除了具備CSP的所有優點之外，還有獨特的優勢：

1）可以多個硅片同時加工，封裝加工效率很高。

2）具有倒裝芯片封裝的輕、薄、短、小的優點。

3）與前道工序相比較，只是增加了引腳重新布線和凸點制作兩道工序，其余全部都是傳統工藝。

4）減少了傳統封裝中的多次測試。

1.2.3倒裝芯片技術

這種倒裝技術是直接通過芯片上呈陣列排布的凸點來實現芯片與封裝襯底、電路板的互聯。由于芯片放置方向與常規相反，直接倒扣在封裝襯底上，也被稱作倒裝片。與常規的引線鍵合相比，由于采用了凸點結構，互連長度更短，伴隨的互聯線電阻、電感值更小從而封裝的電性能明顯改善。同時芯片中產生的熱量也可以通過焊料凸點直接傳輸至封裝襯底。這種封裝最主要的優點是擁有更高密度的I/O數，明顯優于TAB（載帶自動鍵合bvcxz）和WB（引線鍵合）這兩種芯片互聯技術。

1.2.4三維（3D）封裝

3D封裝模塊是指芯片在Z方向垂直互連結構，好比是“立體版”的樂高積木，可以像蓋樓房一樣將所有需要的功能模塊一層層地縱向疊加累積起來，這種封裝是一種晶圓對晶圓無凸起的鍵合3D IC制程技術。三維封裝技術的優點：

1）替代單芯片封裝，縮小了器件的重量和尺寸并且很大程度上取決于垂直互聯的密度。

2）3D封裝更有效地使用了硅片有效區域，硅片效率相比較其他2D封裝技術，其硅片效率超過了100%。

3）3D技術由于電子元器件相互間非常的靠近，信號在系統功能電路之間傳輸所需要的時間比2D結構更短，并且縮短互連長度降低了互連伴隨的寄生電容和電感，也是縮短了信號延遲的原因。

4）由于縮短了互連長度，3D封裝降低了互連伴隨的寄生性，對于同等數目的互聯，其反射噪聲、串擾噪聲、同步噪聲都會被減小。

5）對于功耗而言，由于寄生電容和互聯長度成比例，因此3D封裝降低了寄生性，相應的功耗也會降下來。

6）從速度方面來看，3D技術節約的功率可以在不增加功耗的基礎上提高每秒的轉換速度（頻率）從而使得總的系統性能得以提高。

7）3D封裝使得互聯帶寬更大，在通信系統中降低延遲。

2加速電子封裝失效的因素

2.1熱應力

封裝材料和元件在溫度變化下的熱膨脹系數差異導致的熱應力是電子封裝失效的主要原因之一。高溫工作環境、快速熱循環或不良的熱管理設計都可能加劇熱應力，導致裂紋、分層或焊點斷裂。

2.2機械應力

裝配、運輸和使用過程中的機械沖擊、振動或壓力可能引起封裝材料的變形和損壞，如芯片移位、封裝殼體破裂等。

2.3電氣應力

過高的電壓或電流可能導致電弧放電、擊穿或熱失控，進而引起封裝材料的燒損、絕緣材料的擊穿或元件的過熱。

2.4腐蝕

環境中的濕度、化學物質和溫度變化可能導致封裝材料的腐蝕，如金屬導線的氧化、有機材料的水解等，這會削弱封裝的電氣性能和機械強度。

2.5制造缺陷

生產過程中的不完美，如焊接缺陷、封裝材料的不均勻性、氣泡或夾雜物等，都可能成為潛在的失效源。

2.6使用條件

超出設計規范的使用條件，如過高的工作溫度、濕度、電壓或電流，以及惡劣的環境條件（如鹽霧、高溫高濕等），都可能加速封裝的老化和失效。

2.7時間依賴性

隨著時間的推移，封裝材料可能因熱老化、電遷移、材料疲勞等原因逐漸退化，最終導致失效。

2.8設計不當

如散熱通道設計不合理、封裝結構強度不足或電氣隔離不良等，都可能降低封裝的可靠性。

了解和控制這些失效因素對于提高電子封裝的可靠性至關重要。通過優化設計、選用合適的材料、改善制造工藝和嚴格的質量控制，可以顯著延長電子封裝的使用壽命。

3封裝可靠性評估方法

3.1加速壽命測試（Accelerated Life Testing，ALT）

這是一種用于評估產品在極端條件下的可靠性和壽命的測試方法。該方法通過模擬產品在高溫、高濕、高壓、高電壓等惡劣環境下的工作狀態，加速產品老化過程，從而在較短的時間內預測其在正常使用條件下的預期壽命。加速壽命測試對于產品研發、質量控制和可靠性評估具有重要意義，它可以幫助制造商預測產品在實際使用中的表現，優化產品設計，降低故障率，延長產品壽命。同時，ALT還可以用于比較不同產品或材料的耐久性，為產品選型和采購提供科學依據。

3.2環境應力篩選（ESS）

環境應力篩選（Environmental Stress Screening，ESS）是一項關鍵的質量控制程序，旨在通過模擬極端環境條件來加速識別和排除電子組件及系統中的潛在缺陷。該程序基于對產品預期使用環境的深入理解，結合統計過程控制（SPC）原理，精心設計篩選參數，以確保樣本集的代表性和篩查過程的有效性。在實施ESS時，首先從生產批次中嚴格按照預定抽樣計劃選取測試樣品，隨后在控制環境中對這些樣品施加一系列預定義的環境應力，包括但不限于溫度循環、振動、濕度沖擊等。這些應力條件旨在觸發那些可能在正常使用條件下潛伏較長時間的早期故障模式。測試期間，采用先進的監測設備實時記錄關鍵性能參數，如溫度變化、信號完整性等，同時利用圖像分析技術捕捉樣品表面的微觀變化。所有數據均按照國際標準化組織（ISO）和美國國防部（DoD）等相關標準進行記錄和分析。數據分析階段采用高級統計方法，如威布爾分布分析和累積故障概率分析，以量化產品的可靠性表現。通過對比測試前后的性能數據，可以識別出那些由于制造缺陷、材料疲勞或設計不當而導致的潛在故障點。基于分析結果，ESS過程不僅能夠識別出需要維修或更換的個體樣品，還能為產品設計改進提供科學依據，從而優化生產流程，提高產品的整體可靠性。此外，ESS對于滿足嚴格的軍事和航空航天標準尤為關鍵，有助于確保關鍵系統在極端環境下的穩定運行。

3.3電學參數與機械性能測試

通過測量器件的電氣與機械參數來評估封裝對器件性能的影響。例如，熱阻/擴散系數決定器件熱管理的好壞，過高/低均影響性能；通過介電常數/損耗可以反映信號是否完整，過高/大可導致信號衰減；寄生電容/電感影響高頻響應，過大可引起信號反射/延遲；泄漏電流過大說明絕緣性能，關系到穩定性；機械強度/耐久性可確保封裝在各種各樣條件下的穩定性，不足可導致破裂或變形。通過上述參數的測量和評估可為器件的設計、制造和應用提供重要參考，同時針對評估結果可以對封裝材料和結構進行優化與改進，提高器件的性能和可靠性。

3.4可靠性模型建立

基于大量實驗數據，建立可靠性模型，預測器件在特定條件下的失效概率和壽命。常見的可靠性建模有：

1）統計分析。收集失效數據，建立概率分布模型，如威布爾分布，對數正態分布等。

2）物理模型。結合物理失效機制，如熱循環、電遷移、應力腐蝕等，描述失效過程。

3）加速壽命測試。在高于正常工作條件下進行測試，通過Arrhenius方程等關聯加速因子與實際壽命。

4）蒙特卡洛模擬。采用隨機抽樣技術模擬失效過程，評估失效概率和壽命分布。

可靠性建模是確保器件長期穩定運行的關鍵環節，通過建立準確的預測模型，可以有效指導產品設計、生產和維護，降低故障率，提高用戶滿意度。

4結束語

本文通過對比不同的電子封裝類型，得出了不同封裝技術的可靠性表現。結果表明，先進封裝技術在提高器件集成度和性能方面具有優勢，但同時也需要解決相關的可靠性問題。隨著新材料和新工藝的不斷涌現，未來的封裝技術有望實現更高的可靠性和更廣泛的應用領域。同時，跨學科的合作研究將有助于推動封裝技術的創新和發展。

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作者簡介

秦紹文，男，1995年出生，助理工程師，學士，研究方向為微電子器件可靠性檢測。

（編輯：劉一童，收稿日期：2024-06-05）