航空电子设备用塑封微电路的鉴定背景集成电路工业自诞生以来已发生了巨大变化。在过去 30 年中，集成电路的应用范围已从军用设备转移到民用设备中。在集成电路发展的早期阶段(60 年代) 中，塑封微电路(PEM)对于许多应用项目来说是不可靠的，因此，气密性和军用规范的器件得到广泛应用。工艺控制和材料的改进对半导体工业造成很大影响。封装鉴定试验(高加速应力试验和温度循环试验 )是器件可靠性评价的重要手段。加速试验的优点是，器件(PEM)一旦接受评价就可收集到现场工作失效数据。鉴定试验从 19881995 年，研究人员曾对霍尼威尔(Honeywell)公司所用的器件实行过鉴定试验(高加速试验，温度循环试验)，并对结果作了分析。各别的器件样品曾用于高加速应力试验(HAST)和温度循环(TC) 试验。 HAST 试验包括 460 个试验批，每批包括最少 30 个制造厂的试样。而 TC 试验结果是以 437 个试验批为依据的，每批包括至少 20 个试样。一批或更多批试样的封装失效构成一个批失效，如果因鉴定暴露而出现失效模式，就要对其加以鉴别。进行失效分析的目的是为了测定失效的根本原因。引线外部效应(比如电过应力，ESD损伤)未被看作是封装失效。受试器件样品包括数字式、线性、分立和存储器件。所用塑料封装的种类包括通孔和表面安装技术。试验程序本研究项目所用的试验程序如下所述：HAST 试验在 125温度下焙烤 24 小时；预调，清洁后经过 3 次再流焊(红外或气相) ；HAST 试验，试验条件为 130，85%RH ，加偏压；最后在 25温度下作电测试。温度循环(TC)试验在 125温度下焙烤 24 小时；预调，清洁后经过 3 次再流焊(红外或气相) ；TC 试验，65150，1000 次循环(停机时间为 15 分钟，转换时间为 20 秒)；最后在 25温度下作电测试。试验结果HAST 试验HAST 试验导致 24 个(5%)批失效。其余 436(95%)批被判为通过。各种失效原因所占的百分比分别为：芯片开裂 4%，键合不足 8%，钝花层开裂 21%，潮气入侵 59%。由此可见，潮气入侵效应是最引人注目、也是最主要的 HAST 失效原因，而且有 24 个失效批中的 14批引以为例。这类失效是通过如潮气引起的漏电流之类的机理表现出来的，而漏电流是由于钝花层缺陷即针孔造成的。潮气侵入塑料封装的典型方式包括：通过引线架侵入和通过块状塑料吸潮。在 24 批中，有 5 批样品失效后出现可见腐蚀。在这 5 批中，受试的封装种类分别为：3 批，小外形；1 批，TO220；1 批， PDIP14。PDIP 封装的器件作为本次研究的例外，因为它不是用塑封工艺制作的。而含混合微电路的器件则安装到塑料外壳中，然后回填塑料混合物。不同封装种类(PDIP，SO ，PLCC 等) 的封装失效率进行了分析和对比。小节距封装的HAST 失效率最低。小节距封装的器件有 53 批经过 HAST 试验，只有 1 批(2%)失效。24 个 HAST 批的单独失效率接受了评审。19 批造成 10%或更少批样品失效。19 批中的 8批只造成 1 个器件样品失效(3%)。温度循环试验(TC)TC 试验结果表明，437 批中有 34 批(8%) 已经失效。其余 403(92%)批被判为通过。TC 试验失效的各种原因所占的百分比分别为：键合引线损伤 34%，金属损伤 3%，腐蚀 6%，钝化层开裂 9%，芯片 12%，塑料开裂 15%，芯片损伤 3%。由引可见，器件的主要失效机理是键合引线损伤以及由于材料的热膨胀系数失配造成的塑料、芯片和钝化层的开裂。这些机理使 34 批样品出现 68%失效。这些效应曾被工业界的先前研究项目所预测。 “其它”种类的机理包括芯片和焊接损伤缺陷。二极管会受到这些失效机理的影响。34TC 批的失效率接受了检验。7 批样品的失效率为 10%或更少。失效率比较各种封装(SO、PLCC 等)的 HAST 和 TC 失效率百分比接受了评审，并作了下列比较：1、PLCC 对失效较为敏感，对 TC 试验应力的敏感度高于对 HAST 试验应力的敏感度。2、小外形封装未观测到 HAST 和 TC 试验之间有封装鉴定性能的差别。3、TO220 封装的 HAST 失效率高于 TC 失效率。TO220 封装所用的引线架比 SO 和 PLCC封装的厚。加大的引线架厚度被确定为较高失效率的主要原因，因为这样可使潮气沿着部分引线架入侵。4、二极管的失效在 TC 试验中比在 HAST 试验中常见。失效机理用诸如芯片缺陷或焊接缺陷之类的制造工艺相关缺陷来表示。结论本研究项目对各种器件的功能和封装作了测试，没有单一的材料(例如混合物) 被证明是较好和劣质的。超低应力的塑料对于满足大芯片的热性能来说是有用的。当与二氧化硅种类作比较时，氮化物钝化较能改进耐潮性能。不过，性能并不容易预计，含某种塑料的芯片涂层的应用使鉴定结果更坏。小节距封装证明是与其它封装一样可靠的。这个结论与 Hallberg et al 的研究结果相反，他的研究结果指出，小节距封装对受潮失效较为敏感，因为其封装厚度小，潮气较有可能侵入而造成腐蚀。再鉴定工作已取得成功，可以断定，PEM 制造厂正在采取措施来改进封装可靠性。建议1 建议把鉴定试验用于器件和制造厂的选择过程中，以确定可靠性。HAST 的 5%和 TC的 8%的失效率表明，试验是有效的鉴别手段。失效的器件不应选用，除非制造厂采取了令人满意的纠正措施(比如改进塑料和钝化工艺 )。2 建议采用掺氮钝化法来改进耐潮性。3 超低应力塑料应该用于大芯片和大型封装(比如 15mm 2 芯片和 POFP240)中。4 如果 TO220 封装和轴向封装器件必须用于未来设计中，应对前者 HAST 试验和后者 TC试验中的较高失效率进行调查。5 用回填塑料设计方法制作的器件不应使用，因为它们在 HAST 和 TC 试验中的失效率较高。(刘涌供稿)