袁 華，錢 敏

（1.飛索半導體中國有限公司，蘇州 215000; 2.蘇州大學電子信息學院微電子系，蘇州 215021）

1 引言

半導體集成電路目前已在國內(nèi)外形成了工業(yè)化大生產(chǎn)的格局，資本技術密集是該行業(yè)的特點。 出于降低成本和增加生產(chǎn)靈活性的需要，越來越多的半導體大廠傾向于將訂單轉(zhuǎn)發(fā)給承包商，同時對于直接原材料（如金線、塑封料等）也不再依賴單一的供應商。由此產(chǎn)生的產(chǎn)品可靠性問題也越來越多，如分層（Delamination）、爆米花現(xiàn)象、開裂、腐蝕失效、熱膨脹系數(shù)不匹配導致的失效等[1-2]。

隨著目前半導體業(yè)界的競爭日趨激烈，對于新產(chǎn)品的開發(fā)周期要求也越來越短；相應地，作為產(chǎn)品開發(fā)過程中必不可少的可靠性驗證環(huán)節(jié)，其耗費的時間也是越短越好。目前在封裝級的可靠性評估中耗時最長的是預處理和高低溫循環(huán)。本文通過研究分析目前在預處理過程中浸潤測試的一些加速情況，提供有效的測試數(shù)據(jù)結(jié)果，為企業(yè)提供更加經(jīng)濟的選擇，以便大大縮短可靠性評估的時間。

2 背景分析

根據(jù)JEDEC47和AECQ100[3]（汽車電子協(xié)會）的要求，半導體組件生產(chǎn)地和直接原材料的變更必須進行相應的可靠性驗證。目前被廣泛使用的模塑料（改性環(huán)氧塑料）是熱塑性、線性的高分子樹脂，具有吸濕和透濕兩重性。因此該類模塑料封裝的組件在儲存運輸過程中的抗潮性能就顯得尤為重要[4]。封裝可靠性評估中的預處理流程為：電測→超聲波檢查→烘烤→浸潤→模擬回流焊（reflow）→超聲波檢查→電測。預處理過程中模擬儲存、運輸環(huán)境的浸潤，在進行組件級可靠性驗證中是必不可少的。

目前半導體業(yè)界在進行預處理時，對于其中的潮氣浸潤水準（MSL）[5-6]普遍參照標準A（soak condition 30℃/70% RH，溫度/相對濕度，192h） 或標準B（Soak condition 30℃/60% RH，216h）的要求進行。對于消費類電子組件來說，很多國際大廠為了同時滿足歐美和日本市場的要求，在進行產(chǎn)品可靠性驗證[6]的時候，會要求同時滿足標準A 和標準B的要求，即30℃/70% RH，216h（標準C）。標準A和標準B均為非加速條件。在JEDEC 的標準J-STD-020D里涉及了一些加速條件，如60℃/70% RH。如需使用，必須有充分的數(shù)據(jù)支持，同時其產(chǎn)生的失效必須和非加速條件下產(chǎn)生的失效具有強烈的等價性。在JEITA 的標準里也有同樣的條款。本文通過對封裝組件在非加速和加速情況下潮氣滲透、吸收量進行測試分析，同時對其產(chǎn)生的失效進行比對，意在選擇確實適用的加速浸潤處理方法以縮短可靠性測試的時間，提高效率。

3 實驗方法

3.1 加速浸潤方法的選擇

有針對性地選擇JEDEC標準中的加速條件 60℃/70% RH（Soak 1），JEITA 標準中的加速條件85℃/70%RH（Soak 2）和85℃/85% RH（Soak 3）加以研究。

3.2 封裝組件的選擇

目前比較常見的封裝形式如TSOP（單芯片薄型小尺寸管腳封裝）、FBGA（單芯片球柵陣列封裝）、MCP（多芯片球柵陣列封裝），同時盡量選擇尺寸較大的封裝組件以增加失效產(chǎn)生的可能性。

3.3 實驗思路和步驟

由于研究的目的是為了運用加速形式下的浸潤條件以減少浸潤時間，同時浸潤效果（體現(xiàn)在潮氣的吸收量和分布上，最終反應在由此導致的可靠性失效上）須和非加速形式下的浸潤標準C一致，因此實驗將按照如圖1的步驟進行。

潮氣的吸收量與時間的關系將遵循以下步驟進行：稱重→浸潤處理→稱重，其中浸潤的方法為標準C和三種加速條件（soak1、soak2和soak3）。

失效的驗證：由于可靠性評估的預處理中最常見的失效[7]是分層現(xiàn)象（如圖2），因此在實驗中主要關注在不同的浸潤條件下，不同種類的封裝組件產(chǎn)生分層失效的數(shù)量；同時為了確保失效能夠產(chǎn)生，在模擬回流焊的時候，溫度使用了260℃和280℃。因為組件內(nèi)的潮氣水平相似的時候，經(jīng)受的溫度越高，潮氣越容易受熱膨脹而使組件內(nèi)不同材料部件的接觸面產(chǎn)生分層甚至直接導致組件開裂失效。

4 實驗結(jié)果

4.1 同一封裝組件不同浸潤條件下潮氣吸收量與時間的關系

如圖3所示。從圖中可以看出，標準C條件下在72h時組件內(nèi)潮氣的吸收量和soak1、soak2在24h的潮氣吸收量是差不多的；而在soak 3的條件下，潮氣吸收的速度過快；意味著其條件過于苛刻，后續(xù)的實驗將不做重點考慮。

4.2 不同封裝組件在同一浸潤條件下潮氣吸收量與時間的關系

采用各種不同封裝形式的組件進行浸潤測試結(jié)果如圖4、5所示。soak 1在72h（3天）的潮氣吸收量和在標準C條件下（9天）的潮氣吸收量是一樣的，圖中標示了A-A’、B-B’、C-C’，一一對應。我們同樣研究了soak 2條件下的情況，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在24h的潮氣吸收量和非加速條件標準c下9天的潮氣吸收量也同樣是非常接近的（因為結(jié)果類似，文中未給出圖示）。

4.3 有限元分析驗證[8-9]（FEA）

有限元法FEA是求解微分方程的一種數(shù)值計算方法，自20世紀60年代出現(xiàn)以來，F(xiàn)EA被證明是一種行之有效的工程問題的計算機模擬仿真方法；FEA解決了大量的工程實際問題，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益，為工業(yè)技術的進步起到了巨大的推動作用。最初用于固體力學問題的數(shù)值計算，目前已推廣到各類場問題的數(shù)值求解，如溫度場、電磁場和流場等；分析的對象也從彈性材料擴展到塑性、粘彈性、粘塑性和復合材料。近年來，其在IC封裝方面的應用展示了相當?shù)膬?yōu)越性，受到業(yè)界重視，目前比較流行的FEA軟件有ANSYS。

有限元法是把一個大的結(jié)構(gòu)劃分為有限個小的單元，在每個單元里，計算機求解變形和應力，進而可以獲得整個結(jié)構(gòu)的變形和應力。當劃分的單元足夠小，計算的結(jié)果也就越接近真實情況。有限元分析可分成三個階段：前處理、處理和后處理。前處理是建立有限元模型、完成單元網(wǎng)格劃分；后處理則是采集處理分析結(jié)果，提取有用信息。

由于熱傳導的微分方程（菲克方程）和潮氣吸收和釋放的微分方程（傅立葉方程）均可由拉普拉斯方程描述，其公式為：

其中，T為溫度、t為時間、k為熱傳導系數(shù)、ρ為密度、C為熱容比、xyz為坐標。圖6為求解本問題所建立的有限元模型，圖7、8所示為兩種封裝組件典型的有限元分析結(jié)果和實際測量結(jié)果的對比。由此可以看出，有限元方法分析的結(jié)果和實際測量的結(jié)果是非常吻合的。這也說明了有限元分析模擬工程計算的方法在集成電路組件封裝可靠性分析中的應用是完全有效的。

4.4 同浸潤條件下潮氣穿透力研究

如圖9所示。根據(jù)有限元模擬的結(jié)果，除了soak3，soak1、soak2和標準C在同一種封裝組件中潮氣的穿透能力是基本一致的。這一結(jié)果同樣肯定了soak1、soak2和標準C是可以相互替代的。

4.5 模擬回流焊中不同封裝形式的分層失效研究

為了驗證在兩種不同的加速條件下（soak1，soak2），封裝組件的分層失效是否具有可比性，選用了10種封裝組件進行試驗，得出的結(jié)果如圖10、11所示。結(jié)果表明加速條件下的分層失效稍多于非加速條件下的失效，但總體上講加速條件下的失效響應和非加速條件下的失效響應是基本一致的。

5 結(jié)論

隨著半導體業(yè)界越來越關注成本控制和新品開發(fā)周期，如何在保證客戶需求的前提下縮短產(chǎn)品可靠性評估的周期已經(jīng)被很多國際半導體大廠所關注。加速的條件已經(jīng)在作者所在單位成功導入并且得到了其主要客戶如諾基亞、思科、博世、LG、夏普等的認可。然而在目前的半導體組件級的可靠性評估中，仍有一些項目耗時較長，如高低溫循環(huán)等。目前塑封料自身的特點和半導體業(yè)界的生產(chǎn)模式?jīng)Q定了該類項目是必須要進行的。隨著國內(nèi)外對塑封組件綜合研究工作的不斷深入，塑料封裝組件在向高密度、高可靠性、高性能、系統(tǒng)級封裝方向發(fā)展。同時，隨著半導體大廠間供應鏈的不斷整合，相信在不遠的將來，可靠性趨于完善的塑封組件將會出現(xiàn)。屆時，相關可靠性評估的時間和頻率就有可能縮短。

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