加速浸潤(rùn)方法在塑封可靠性分析中的應(yīng)用

袁 華，錢(qián) 敏

（1.飛索半導(dǎo)體中國(guó)有限公司，蘇州 215000; 2.蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院微電子系，蘇州 215021）

1 引言

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

隨著目前半導(dǎo)體業(yè)界的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，對(duì)于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期要求也越來(lái)越短；相應(yīng)地，作為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中必不可少的可靠性驗(yàn)證環(huán)節(jié)，其耗費(fèi)的時(shí)間也是越短越好。目前在封裝級(jí)的可靠性評(píng)估中耗時(shí)最長(zhǎng)的是預(yù)處理和高低溫循環(huán)。本文通過(guò)研究分析目前在預(yù)處理過(guò)程中浸潤(rùn)測(cè)試的一些加速情況，提供有效的測(cè)試數(shù)據(jù)結(jié)果，為企業(yè)提供更加經(jīng)濟(jì)的選擇，以便大大縮短可靠性評(píng)估的時(shí)間。

2 背景分析

根據(jù)JEDEC47和AECQ100[3]（汽車(chē)電子協(xié)會(huì)）的要求，半導(dǎo)體組件生產(chǎn)地和直接原材料的變更必須進(jìn)行相應(yīng)的可靠性驗(yàn)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(shù)脂，具有吸濕和透濕兩重性。因此該類(lèi)模塑料封裝的組件在儲(chǔ)存運(yùn)輸過(guò)程中的抗潮性能就顯得尤為重要[4]。封裝可靠性評(píng)估中的預(yù)處理流程為：電測(cè)→超聲波檢查→烘烤→浸潤(rùn)→模擬回流焊（reflow）→超聲波檢查→電測(cè)。預(yù)處理過(guò)程中模擬儲(chǔ)存、運(yùn)輸環(huán)境的浸潤(rùn)，在進(jìn)行組件級(jí)可靠性驗(yàn)證中是必不可少的。

目前半導(dǎo)體業(yè)界在進(jìn)行預(yù)處理時(shí)，對(duì)于其中的潮氣浸潤(rùn)水準(zhǔn)（MSL）[5-6]普遍參照標(biāo)準(zhǔn)A（soak condition 30℃/70% RH，溫度/相對(duì)濕度，192h） 或標(biāo)準(zhǔn)B（Soak condition 30℃/60% RH，216h）的要求進(jìn)行。對(duì)于消費(fèi)類(lèi)電子組件來(lái)說(shuō)，很多國(guó)際大廠為了同時(shí)滿(mǎn)足歐美和日本市場(chǎng)的要求，在進(jìn)行產(chǎn)品可靠性驗(yàn)證[6]的時(shí)候，會(huì)要求同時(shí)滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)A 和標(biāo)準(zhǔn)B的要求，即30℃/70% RH，216h（標(biāo)準(zhǔn)C）。標(biāo)準(zhǔn)A和標(biāo)準(zhǔn)B均為非加速條件。在JEDEC 的標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(qiáng)烈的等價(jià)性。在JEITA 的標(biāo)準(zhǔn)里也有同樣的條款。本文通過(guò)對(duì)封裝組件在非加速和加速情況下潮氣滲透、吸收量進(jìn)行測(cè)試分析，同時(shí)對(duì)其產(chǎn)生的失效進(jìn)行比對(duì)，意在選擇確實(shí)適用的加速浸潤(rùn)處理方法以縮短可靠性測(cè)試的時(shí)間，提高效率。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 加速浸潤(rùn)方法的選擇

有針對(duì)性地選擇JEDEC標(biāo)準(zhǔn)中的加速條件 60℃/70% RH（Soak 1），JEITA 標(biāo)準(zhǔn)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(jiàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)思路和步驟

由于研究的目的是為了運(yùn)用加速形式下的浸潤(rùn)條件以減少浸潤(rùn)時(shí)間，同時(shí)浸潤(rùn)效果（體現(xiàn)在潮氣的吸收量和分布上，最終反應(yīng)在由此導(dǎo)致的可靠性失效上）須和非加速形式下的浸潤(rùn)標(biāo)準(zhǔn)C一致，因此實(shí)驗(yàn)將按照如圖1的步驟進(jìn)行。

潮氣的吸收量與時(shí)間的關(guān)系將遵循以下步驟進(jìn)行：稱(chēng)重→浸潤(rùn)處理→稱(chēng)重，其中浸潤(rùn)的方法為標(biāo)準(zhǔn)C和三種加速條件（soak1、soak2和soak3）。

失效的驗(yàn)證：由于可靠性評(píng)估的預(yù)處理中最常見(jiàn)的失效[7]是分層現(xiàn)象（如圖2），因此在實(shí)驗(yàn)中主要關(guān)注在不同的浸潤(rùn)條件下，不同種類(lèi)的封裝組件產(chǎn)生分層失效的數(shù)量；同時(shí)為了確保失效能夠產(chǎn)生，在模擬回流焊的時(shí)候，溫度使用了260℃和280℃。因?yàn)榻M件內(nèi)的潮氣水平相似的時(shí)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(dǎo)致組件開(kāi)裂失效。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 同一封裝組件不同浸潤(rùn)條件下潮氣吸收量與時(shí)間的關(guān)系

如圖3所示。從圖中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)C條件下在72h時(shí)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(guò)快；意味著其條件過(guò)于苛刻，后續(xù)的實(shí)驗(yàn)將不做重點(diǎn)考慮。

4.2 不同封裝組件在同一浸潤(rùn)條件下潮氣吸收量與時(shí)間的關(guān)系

采用各種不同封裝形式的組件進(jìn)行浸潤(rùn)測(cè)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(biāo)準(zhǔn)C條件下（9天）的潮氣吸收量是一樣的，圖中標(biāo)示了A-A’、B-B’、C-C’，一一對(duì)應(yīng)。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(biāo)準(zhǔn)c下9天的潮氣吸收量也同樣是非常接近的（因?yàn)榻Y(jié)果類(lèi)似，文中未給出圖示）。

4.3 有限元分析驗(yàn)證[8-9]（FEA）

有限元法FEA是求解微分方程的一種數(shù)值計(jì)算方法，自20世紀(jì)60年代出現(xiàn)以來(lái)，F(xiàn)EA被證明是一種行之有效的工程問(wèn)題的計(jì)算機(jī)模擬仿真方法；FEA解決了大量的工程實(shí)際問(wèn)題，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，為工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步起到了巨大的推動(dòng)作用。最初用于固體力學(xué)問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算，目前已推廣到各類(lèi)場(chǎng)問(wèn)題的數(shù)值求解，如溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)和流場(chǎng)等；分析的對(duì)象也從彈性材料擴(kuò)展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合材料。近年來(lái)，其在IC封裝方面的應(yīng)用展示了相當(dāng)?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(gè)大的結(jié)構(gòu)劃分為有限個(gè)小的單元，在每個(gè)單元里，計(jì)算機(jī)求解變形和應(yīng)力，進(jìn)而可以獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力。當(dāng)劃分的單元足夠小，計(jì)算的結(jié)果也就越接近真實(shí)情況。有限元分析可分成三個(gè)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(dǎo)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(shí)間、k為熱傳導(dǎo)系數(shù)、ρ為密度、C為熱容比、xyz為坐標(biāo)。圖6為求解本問(wèn)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(shí)際測(cè)量結(jié)果的對(duì)比。由此可以看出，有限元方法分析的結(jié)果和實(shí)際測(cè)量的結(jié)果是非常吻合的。這也說(shuō)明了有限元分析模擬工程計(jì)算的方法在集成電路組件封裝可靠性分析中的應(yīng)用是完全有效的。

4.4 同浸潤(rùn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(yàn)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(jìn)行試驗(yàn)，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(yīng)和非加速條件下的失效響應(yīng)是基本一致的。

5 結(jié)論

隨著半導(dǎo)體業(yè)界越來(lái)越關(guān)注成本控制和新品開(kāi)發(fā)周期，如何在保證客戶(hù)需求的前提下縮短產(chǎn)品可靠性評(píng)估的周期已經(jīng)被很多國(guó)際半導(dǎo)體大廠所關(guān)注。加速的條件已經(jīng)在作者所在單位成功導(dǎo)入并且得到了其主要客戶(hù)如諾基亞、思科、博世、LG、夏普等的認(rèn)可。然而在目前的半導(dǎo)體組件級(jí)的可靠性評(píng)估中，仍有一些項(xiàng)目耗時(shí)較長(zhǎng)，如高低溫循環(huán)等。目前塑封料自身的特點(diǎn)和半導(dǎo)體業(yè)界的生產(chǎn)模式?jīng)Q定了該類(lèi)項(xiàng)目是必須要進(jìn)行的。隨著國(guó)內(nèi)外對(duì)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(jí)封裝方向發(fā)展。同時(shí)，隨著半導(dǎo)體大廠間供應(yīng)鏈的不斷整合，相信在不遠(yuǎn)的將來(lái)，可靠性趨于完善的塑封組件將會(huì)出現(xiàn)。屆時(shí)，相關(guān)可靠性評(píng)估的時(shí)間和頻率就有可能縮短。

［1］萬(wàn)延樹(shù). 塑料封裝可靠性問(wèn)題簡(jiǎn)析[J]. 電子與封裝，2007，7(1):8-13.

［2］張鵬，陳億裕. 塑封組件失效機(jī)理及其快速評(píng)估技術(shù)研究[J]. 半導(dǎo)體技術(shù)，2006，31(9):676-679.

［3］AEC-Q100-REV-G[S].2007. 5

［4］崔波，陳海蓉，王建志，等. 塑封組件的貯存環(huán)境與使用可靠性[J]. 半導(dǎo)體技術(shù)，2002，27(2):72-74.

［5］IPC/JEDEC J-STD-020D[S].2007.6

［6］張林春. 綠色塑封IC的吸濕敏感性等級(jí)評(píng)價(jià)[J]. 電子工藝技術(shù)，2005，26(6):1273-1277.

［7］表面安裝塑封體吸濕性引起的開(kāi)裂問(wèn)題及其對(duì)策[J]. 電子與封裝，2005，5(10):14-18.

［8］王勖成. 有限元方法[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2003.7.

［9］黃國(guó)權(quán). 有限元法基礎(chǔ)及ANSYS應(yīng)用[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.6.