摘要：
在气密性陶瓷封装、金属封装元器件在体积、重量、性能等方面无法满足使用要求时，设计师不得不选用塑封元器件，且军 用塑封器件多是来自国外进口。航空航天等高可靠领域对塑封器件的使用日益广泛，但尚缺乏统一的标准规范指导选用，用户单位需要根据塑封器件常见的故障模式和失效机理，采用X光、声扫、高温高压蒸煮试验以及老炼筛选等手段，评价塑封器件的可靠性，增加使用塑封器件的信心。
0 引言
塑封材料的升级改进和生产工艺技术的日渐提高，可以有力提升塑封器件的可靠性水平。武器系统朝着高性能、小型化、轻型化和高集成化的方向发展，陶瓷和金属封装的元器件在小型化和轻型化方面不能满足要求，随着塑封器件可靠性的提高，军 用领域已经逐步大量接受并使用进口塑封元器件，国产塑封器件在材料和工艺方面相比国外差距较大，存在不容忽视的使用可靠性问题。本文介绍了塑封元器件的故障模式和机理，研究采用针对性的可靠性评价技术（鉴定试验），以提高用户在高可靠领域使用塑封器件的信心。
1 塑封料与引线框架介绍
■ 1.1 塑封料的组成与作用
塑封料是一种多组分的高分子复合材料，主要由一种高分子热固性树脂所组成，其中包括多种有机成分和无机成分。塑封料的基本构成包括：
聚合物：主要作用是无机物和有机物的桥梁；
催化剂：主要作用是加快交联反应速度；
填充剂：主要作用是提高物理性能，降低膨胀系数、吸水性和成本；
添加剂：主要作用是提高脱模性能，改善流动性、提高材料的阻燃性能、染色、降低杂质含量等。
■ 1.2 引线框架的基本性质
引线框架的主要作用是承托芯片和外引管脚，连接器件与印刷电路板，实现器件功能与印制板金属介质的互通，目前市场上的基材主要分为铜质和铁质两种。一般选用铁质引线导线框架，表面镀铜，铜的特点为导电性与导热度都极 佳。
在工程应用中，一方面应尽量寻找膨胀系数接近的引线框架和塑封料，另一方面增加塑封料与框架间的粘合力，用来消除温度变化过程中不同材料之间产生的不平衡应力。
2 塑封元器件失效分析
■ 2.1 温度失效
军 用元器件的温度一般介于 -55℃ ~125℃之间，工业级塑封元器件工作温度介于 -40℃ ~85℃之间，而商用塑封器件温度在 0℃ ~70℃之间。对于塑封元器件在高可靠领域的应用，必须考虑其温度范围。并且，塑封器件相对于陶封、金封器件，散热性能较差，这也是需要充分考虑，降额设计的关键因素。
由于军 用塑封器件相比民用产品要经历更为严苛的环境条件，比如机械振动、低气压、高低温差、盐雾、砂尘、辐照等，其中严酷温差的变化引起的热胀冷缩效应，导致器件内部结构之间产生内部应力。内部应力作用在塑封器件的管芯、引线框架、引线及塑封材料等结构处，可能在薄弱环节处产生裂纹、变形、拉扯、扭曲等可靠性问题，尤其容易造成键合引线的断裂；如果支撑管芯的框架因为内部应力而产生裂纹，将导致器件散热性能下降，对管芯造成损伤，影响器件的长期使用可靠性等。
■ 2.2 潮气入侵失效
一系列文献研究表明湿气侵入封装是造成该失效的主要原因。塑封体本身吸湿特性和塑封料与引线框架的界面浸入是湿气侵入塑封器件的主要两种方式。塑封元器件潮气侵入往往是上述两种方式综合作用的结果。
潮气的侵入往往伴随着杂质离子的污染，这是导致塑封器件失效的重要因素，随着塑封器件生产工艺的提高，塑封材料的改进以及钝化层技术的发展，塑封器件的可靠性水平逐步提升，降低了杂质离子污染管芯的几率。
潮气入侵严重威胁塑封元器件的可靠性，通过HAST（高加速应力试验）试验发现，潮气入侵塑封元器件内部出现的故障模式主要有以下三种：
(1) 第 一种为钝化层开裂，潮气及其附带的杂质离子可以通过钝化层裂纹侵入芯片内部，威胁内部芯片金属系统；
(2) 第 二种为键合点退化，潮气及其附带的杂质离子对键合点产生腐蚀作用，导致键合力下降，接触不 良影响电性能；
(3) 第 三种是芯片开裂，芯片结构遭到破坏，极可能引发功能失效。
为了定量评价塑封集成电路耐潮气影响的能力，IPC/JEDEC 制定了一套关于潮气敏感度的标准（详情搜索J-STD-020），该标准主要用于帮助 IC 制造商用以确认并定义其所生产的元器件到底符合哪种潮湿敏感度等级，不同敏感度等级的元器件有相应的使用贮存要求，用户也应将其做为一个重要考核项目，作为选择器件的重要参考。
■ 2.3 内部分层失效
塑封体的分层主要由于内应力造成 , 内部分层将导致钝化层开裂、管芯开裂、电路键合
性能退化等现象，是导致电路失效的重要原因。内应力产生的主要原因有两种：
一是塑封料在高温下会发生液化再固化的过程，在这个过程中塑封料会产生收缩，而塑封料和接触界面的不同材料的热膨胀系数不一致所产生的应力，当不同部位的应力差达到一
定值，将造成器件损伤。
不同材料拥有不同的热膨胀系数，因此温度变化条件下，不可避免的会产生内部应力，当内部应力足够大时有可能在薄弱环节产生裂纹、变形等可靠性问题，内部水分和杂质离子的不断积累，容易造成塑封元器件内部电化学腐蚀，对塑封器件的长期使用可靠性造成隐患。
在焊接期间，塑封器件上的热源主要来自以下三种：气相回流焊加热、红外回流焊加热和波峰焊加热。峰值温度在220℃ ~265℃左右，持续时间在 5~40s 左右。湿气容易在塑封料和引线框架结合不好处扩散，焊接期间的高温将会使水汽变成高压蒸汽，造成塑封器件内部产生应力导致开裂，从而引发“爆米花现象”。
3 相关标准及指南
■ 3.1 PEM-INST-001《塑封微电路选择、筛选和鉴定指南》PEM-INST-001《塑封微电路选择、筛选和鉴定指南》是由美国 NASA 发布，该指南对塑封器件的选择和使用给出了指导性建议，需要强调的是该文件不是标准，而是指导使用方降低塑封器件使用风险的指南。选择塑封器件是基于其功能优势和可用性，而不是为了节省成本，保证塑封器件可靠性所必需的步骤通常会抵消任何初始明显的成本优势。该指南中指出塑封器件质量水平难以表征的原因主要有以下三个方面 :
(1) 对塑封器件制造商的专有设计、材料、芯片的追溯以及生产工艺和程序了解不足；
(2) 没有权威机构对塑封器件的产品质量进行监督，制造商内部建立的可靠性保障体系没有得到保证和控制，使得同一制造商的不同批次的产品不可以同等接收；
(3) 良性环境下工作的塑封器件能否在恶劣的环境下提供可接受的性能和可靠性没有评估。
要严格控制塑封器件的来源，塑封器件市场鱼龙混杂，良莠不齐，要选用来源正规的生产厂家，杜绝假冒伪劣塑封产品；其次还需要对塑封器件进行全 面测试和老炼筛选试验，以剔除早期失效，并在鉴定中进行全参数电测试、环境适应性试验、封装特性评价试验、稳态寿命试验等来评估塑封器件的质量可靠性。
该指南指出通过筛选和鉴定试验，对具体的热、机械和辐射影响进行全 面评估，增加了未知可靠性的塑封器件应用在高可靠领域用户的使用信心。塑封器件的使用仅在性能需求、军 用高可靠性领域无替代产品、项目愿意接受高风险的前提下选用。
该指南提出塑封元器件典型鉴定试验流程如图 1 所示。
（该指南中指出：若不是考虑到经济因素，HTOL 试验与温度循环试验可采用不同样品进行。）
■ 3.2 GJB 7400-2011《合格制造厂认证用半导体集成电路通用规范》
国内塑封半导体集成电路鉴定检验主要依据 GJB 7400-2011《合格制造厂认证用半导体集成电路通用规范》进行，标准包括了器件应满足的质量和可靠性保证要求，并规定了塑封半导体器件质量保证等级：N 级。
GJB 7400-2011 中 4.4 节鉴定检验中描述“鉴定检验应按附录 B 中 B.2.4.2 和 B2.4.3 的规定进行”，但附录 B 中并无相应条款，国内大多数单位按规范“表 6 塑封 QML 器件 D 组检验”来完成塑封器件的鉴定考核，作者认为 D 组项目中zui为核心的为 D3 和 D4 分组试验项目，如表 1 所示。
■ 3.3 比较分析
图 1 和表 2 比较，可以明显看出 GJB 7400-2011 给出的塑封器件鉴定项目及条件比 PEM-INST-001 提出的鉴定项目严酷的多。
目前国产塑封器件按 N 级进行鉴定试验，大多数是无法通过 D4a）组试验，主要原因 4a）组中的热冲击和温度循环试验样品 22 只是叠加进行的，且 -65℃ ~+150℃的温度范围也十分严苛。热冲击主要考察塑封材料在温度急剧变化，热胀冷缩可能造成材料的开裂、接触不 良、性能变化等现象；而温度循环侧重在测定器件承受极端高低温的能力，以及极端高低温交替变化对器件的影响，当样品经受极端温度循环时，塑封内部各材料热膨胀系数不匹配，缺陷部位会受应力不断扩大，从而导致失效。同一组样品经受 100次热冲击和 1000 次温度循环后，大多数产品会失效，进行S-CAM 检查时，经常会发现芯片与塑封料的大面积分层。
国内一些单位无法通过 GJB 7400-2011 的 N 级考核，又苦于无其他标准指导，只能降低 N 级项目的考核要求，改变样品分组和降低试验条件形成所谓的 N1 级考核，典型条件如表 2 所示。
4 结束语
塑封器件在高可靠领域的应用是科技发展的必然趋势，高可靠性塑封产品的研制和生产需求越发紧迫。目前 GJB7400-2011 为塑封器件主要的军 用参考标准，其提出的鉴定项目及条件过于严苛，个人认为不适用于实际需要，推动塑封产品的应用不仅要从产品设计、工艺改进着手，还需要器件生产厂家、鉴定机构与标准化院所三方共同努力：一方面，军 用元器件使用主机厂所要为器件生产厂家提供需求牵引；一方面，三方应协调沟通主动作为，促进具有权威且结合实际具有指导意义的标准体型的建立，为器件生产厂家和器件使用单位提供参考依据。