CH11-封裝可靠性工程1課件

集成電路封裝技術集成電路封裝技術11.1概述在芯片完成整個封裝流程后，封裝廠會對產品進行質量檢測和可靠性檢測。1.質量和可靠性檢測概念質量檢測是檢查測試封裝后的芯片的質量和性能情況，是否可用。可靠性即產品可靠度的性能，具體表現(xiàn)在產品使用過程中是否容易出故障，產品使用壽命是否合理。圖示的是統(tǒng)計學上的關于可靠性的盆浴曲線，它可以很清晰地描述生產廠商對產品可靠性的控制，也反映了用戶對產品可靠性的要求。第11章封裝可靠性工程圖中橫坐標表示時間，縱坐標表示不良率（損壞率）。早夭區(qū)是指短時間內就會損壞的產品，這是廠家要淘汰的；正常使用區(qū)代表為合格產品，也就是用戶能夠接受的產品；耐用區(qū)指產品的使用壽命超過預期，特別耐用。

從圖中可見，在早夭區(qū)和耐用區(qū)不良率都比較高。在正常使用區(qū)，優(yōu)良率穩(wěn)定。大部分產品都在正常使用區(qū)。可靠性測試就是為了分辨產品是否屬于正常使用區(qū)的測試，解決早期開發(fā)中產品不穩(wěn)定，優(yōu)良率低等問題，以提高技術和生產線所生產產品的合格率。11.1概述第11章封裝可靠性工程圖中橫可靠性性測試項目有6項，見表第11章封裝可靠性工程11.2可靠性測試項目11.2可靠性測試項目可靠性測試項目測試項目簡稱預處理(PreconditioningTest)preconditioningtest溫度循環(huán)測試(TemperatureCyclingTest)T/CTest熱沖擊(ThermalshockTest)T/STest高溫儲藏(HighTemperatureStorageTest)HTSTTest溫度和濕度(Temperature&HumidityTest)T&HTest高壓蒸煮(PressureCookerTest)PCTTest各個測試都有一定的目的，針對性和具體辦法，但就測試項目而言，基本上都與溫度、濕度、壓強有關，偶而還會加上偏壓等以制造惡劣破壞環(huán)境來達到測試產品可靠性的目的。各個測試項目大都采用隨機取樣的方法。各個封裝廠的可靠性判斷標準各不相同，實力雄厚的企業(yè)一般會用較高水準的可靠性標準。

6種測試標準是有先后順序的，如圖所示。預處理是首先要進行的測試項目,之后進行其他5項的測試，這是由測試目的決定的。鑒于項目測試的特殊性，將其放到最后介紹。項目測試T/CT/SHTSTT&HP可靠性性測試項目有6項，見表第11章封裝可靠性工程11.2第11章封裝可靠性工程11.3T/C測試11.3T/C測試T/S測試即溫度循環(huán)測試。圖為溫度循環(huán)測試爐，它是由一個熱氣腔和一個冷氣腔組成，腔內分別填充熱冷空氣，熱冷空氣相對溫差越大，通過測試的產品的某特性可靠性越高，熱冷空氣的溫度各個封裝廠有自己的標準。兩腔之間有閥門，是待測產品往返兩腔的通道。溫度循環(huán)測試有四個參數：熱腔溫度、冷腔溫度、循環(huán)次數、芯片單次單腔停留時間。講義上表11.2表示的是將封裝后的芯片置于150℃和﹣65℃腔體中各15分鐘，循環(huán)1000次。經此循環(huán)后測試電路性能，看其是否通過T/C可靠性測試。T/C測試的主要目的是測試半導體封裝體熱脹冷縮的耐久性第11章封裝可靠性工程11.3T/C測試T/S第11章封裝可靠性工程11.3T/C測試11.3T/C測試在封裝體中，有多種材料，材料之間都有相應的結合面，在封裝體所處環(huán)境的溫度有所變化時，封裝體內各種材料就會有熱脹冷縮效應，當材料熱膨脹系數不同時，其熱脹冷縮的程度將有所不同，這樣原來緊密結合的材料結合面就會出現(xiàn)問題。

以LeadFrame封裝為例，見圖11.4。主要材料包括：導線架的銅材料，芯片的硅材料，連接用的金線材料，還有芯片粘結的膠體材料。其中包封模塑料（EncapsulationMoldingCompound,EMC）與硅芯片，導線框有大面積接觸，比較容易脫層，硅芯片與粘合的硅膠、硅膠和導線框架之間也會在T/C測試中失效。第11章封裝可靠性工程11.3T/C測試在第11章封裝可靠性工程11.3T/C測試11.3T/C測試講義上圖11.5表示T/C測試中的幾個失效模型。芯片表面脫層導致電路斷路。脫層處影響到金線，扯斷金線就造成了斷路。芯片在T/C測試中會開裂，導致電路混亂、斷路或短路。為了更好地通過T/C測試，盡量減少各種材料的熱膨脹率差異，在芯片表面涂上一層緩沖層膠體過渡等是好的解決方案。第11章封裝可靠性工程11.3T/C測試講義第11章封裝可靠性工程11.4T/S測試11.4T/S測試T/S即熱沖擊測試，它是測試封裝體的抗熱沖擊能力?？篃釠_擊測試爐的結構與熱循環(huán)溫度測試爐相似，不同的是T/S測試環(huán)境是在高溫液體中轉換，如圖所示。液體的導熱比空氣快，因此有較強的熱沖擊力。測試時先將封裝產品放入一個區(qū)，比如150℃液體區(qū)域，時間5分鐘，然后再放入﹣65℃的液體中5分鐘，如此循環(huán)1000次，來測試產品的抗熱沖擊性，最終也是通過測試電路的通斷情況斷定產品是否通過T/S可靠性測試。第11章封裝可靠性工程11.4T/S測試T/S第11章封裝可靠性工程11.5HTS測試11.5HTS測試HTS(HighTemperatureStorage)測試，即高溫儲藏測試，它是測試封裝體長時間暴露在高溫環(huán)境下的耐久性實驗。該測試是把封裝產品長時間放置在150℃的氮氣中1000小時，然后再測試它的電路通斷情況。第11章封裝可靠性工程11.5HTS測試H第11章封裝可靠性工程11.5HTS測試11.5HTS測試在金線和芯片的結合面上，它的材料結構依次為：鋁、鋁金合金、金，在高溫的狀態(tài)下，金和鋁金屬都變得很活躍，相互會擴散，但是由于鋁的擴散速度比金快，所以鋁的界面物質就變少，就形成了孔洞。這就導致電路性能不好，甚至導致斷路。解決物質的相互擴散而造成電路的電性能不良或失效的措施是：①選擇同種物質結合電路，如金線用鋁線代替，這樣就不會產生因擴散產生不良問題；②用摻雜物質作中介層來抑制物質間的相互擴散；③避免將封裝體長時間高溫儲存。第11章封裝可靠性工程11.5HTS測試第11章封裝可靠性工程11.6TH測試11.6TH測試

TH測試是測試封裝件在高溫潮濕環(huán)境下的耐久性的試驗。測試是在一個能保持恒定溫度的鍋體中進行的，見圖11.9。測試參數是溫度為85℃，相對濕度85%，時間1000小時。試驗結束后，測定封裝體電路的通斷特性來判定產品耐高溫潮濕性能的好壞。在TH測試中，由于包封模塑料有一定的吸濕性，而內部電路在潮濕的環(huán)境下，很容易導致漏電、短路等效應。為了有更好的防濕性，可選擇陶瓷材料來代替塑料封裝，通過改變塑封料的成分，可以改善其吸濕性。第11章封裝可靠性工程11.6TH測試TH測第11章封裝可靠性工程11.7PC測試11.7PC測試PC測試即高壓蒸煮測試，是測試封裝體抵抗潮濕環(huán)境能力的。因此與TH測試類似，是加速測試，即增加測試壓力以縮短試驗時間。用來進行PC測試的工具是“高壓鍋”。見圖。試驗參數是相對濕度100%，壓力2個大氣壓，時間504小時。試驗以后，還是測試產品的電路通斷性能。在導線架式封裝中，導線架材料與塑封料結合處很容易滲水，這樣就容易造成內部電路的腐蝕而破壞產品性能。針對上述情況的解決辦法是提高導線架材料與塑封料的結合性能，可以通過改變塑封料成分以及針對性的處理引線材料的表面。第11章封裝可靠性工程11.7PC測試PC測第11章封裝可靠性工程11.8Precon測試11.8Precon測試Precon測試，即Pre-Conditioning測試。從集成電路芯片封裝完成以后到實際再組裝，這個產品還有很長一段過程，包括包裝、運輸等，這些都會損壞產品，所以需要模擬這個過程，測試產品的可靠性，這就是Precon測試。也可理解為模擬測試。模擬測試過程如圖產品完成封裝后需要包裝好，運輸到組裝廠，然后拆開包封把封裝后芯片組裝在下一級板子上，并且組裝還要經過焊錫過程，整個過程既有類似TC的經過，也有類似TH的過程，焊錫過程也需要模擬測試。第11章封裝可靠性工程11.8Precon測試第11章封裝可靠性工程11.8Precon測試11.8Precon測試整個Precon測試有一定的測試流程，測試前檢查電氣性能和內部結構（用超聲波檢測），確定沒有問題，開始各項惡劣環(huán)境的考驗，先是T/C測試模擬運輸過程中溫度變化，再模擬水分子干燥過程,一般是真空包封，類似水分子干燥。然后在下表中所列的6組試驗參數中選擇一組進行試驗，以模擬開封后的吸濕過程。在表中的6組參數中1的等級最高，依次下降。看需要選擇的等級。等

級溫度、濕度條件（℃/%RH）測試時間干燥包裝開封后有效壽命185/85168h無限285/60168h一年330/60192h168h（一星期）430/6092h72h(3天)530/6076h48h630/606h6h表11.7Precon模擬環(huán)境等級參數表第11章封裝可靠性工程11.8Precon測試第11章封裝可靠性工程11.8Precon測試11.8Precon測試在Precon測試中，會出現(xiàn)的問題有:爆米花效應、脫層、電路失效等問題。這些問題都是因為封裝體會在吸濕后再遭遇高溫而造成的，高溫時封裝體內的水分變?yōu)闅怏w從而體積急劇膨脹，造成對封裝體的破壞。減弱塑封體材料的吸濕性可解決爆米花效應，而減少封裝的熱膨脹系數，增強附著力，可改善脫層問題，防止電路失效。只有在順利通過了Precon測試以后，才能保證產品能順利送到最終用戶端，這就是Precon放到第一個測試位置的原因所在。所以，一個好的封裝要有好的可靠性能，必須有較強的耐濕、耐熱、耐高溫的能力，6個可靠性測試都與溫度濕度有關。通過可靠性測試能夠評估產品的可靠度，有利于反饋改善封裝設計工藝，從而提高產品的可靠度。第11章封裝可靠性工程11.8Precon測試集成電路封裝技術集成電路封裝技術11.1概述在芯片完成整個封裝流程后，封裝廠會對產品進行質量檢測和可靠性檢測。1.質量和可靠性檢測概念質量檢測是檢查測試封裝后的芯片的質量和性能情況，是否可用?？煽啃约串a品可靠度的性能，具體表現(xiàn)在產品使用過程中是否容易出故障，產品使用壽命是否合理。圖示的是統(tǒng)計學上的關于可靠性的盆浴曲線，它可以很清晰地描述生產廠商對產品可靠性的控制，也反映了用戶對產品可靠性的要求。第11章封裝可靠性工程圖中橫坐標表示時間，縱坐標表示不良率（損壞率）。早夭區(qū)是指短時間內就會損壞的產品，這是廠家要淘汰的；正常使用區(qū)代表為合格產品，也就是用戶能夠接受的產品；耐用區(qū)指產品的使用壽命超過預期，特別耐用。

從圖中可見，在早夭區(qū)和耐用區(qū)不良率都比較高。在正常使用區(qū)，優(yōu)良率穩(wěn)定。大部分產品都在正常使用區(qū)。可靠性測試就是為了分辨產品是否屬于正常使用區(qū)的測試，解決早期開發(fā)中產品不穩(wěn)定，優(yōu)良率低等問題，以提高技術和生產線所生產產品的合格率。11.1概述第11章封裝可靠性工程圖中橫可靠性性測試項目有6項，見表第11章封裝可靠性工程11.2可靠性測試項目11.2可靠性測試項目可靠性測試項目測試項目簡稱預處理(PreconditioningTest)preconditioningtest溫度循環(huán)測試(TemperatureCyclingTest)T/CTest熱沖擊(ThermalshockTest)T/STest高溫儲藏(HighTemperatureStorageTest)HTSTTest溫度和濕度(Temperature&HumidityTest)T&HTest高壓蒸煮(PressureCookerTest)PCTTest各個測試都有一定的目的，針對性和具體辦法，但就測試項目而言，基本上都與溫度、濕度、壓強有關，偶而還會加上偏壓等以制造惡劣破壞環(huán)境來達到測試產品可靠性的目的。各個測試項目大都采用隨機取樣的方法。各個封裝廠的可靠性判斷標準各不相同，實力雄厚的企業(yè)一般會用較高水準的可靠性標準。

6種測試標準是有先后順序的，如圖所示。預處理是首先要進行的測試項目,之后進行其他5項的測試，這是由測試目的決定的。鑒于項目測試的特殊性，將其放到最后介紹。項目測試T/CT/SHTSTT&HP可靠性性測試項目有6項，見表第11章封裝可靠性工程11.2第11章封裝可靠性工程11.3T/C測試11.3T/C測試T/S測試即溫度循環(huán)測試。圖為溫度循環(huán)測試爐，它是由一個熱氣腔和一個冷氣腔組成，腔內分別填充熱冷空氣，熱冷空氣相對溫差越大，通過測試的產品的某特性可靠性越高，熱冷空氣的溫度各個封裝廠有自己的標準。兩腔之間有閥門，是待測產品往返兩腔的通道。溫度循環(huán)測試有四個參數：熱腔溫度、冷腔溫度、循環(huán)次數、芯片單次單腔停留時間。講義上表11.2表示的是將封裝后的芯片置于150℃和﹣65℃腔體中各15分鐘，循環(huán)1000次。經此循環(huán)后測試電路性能，看其是否通過T/C可靠性測試。T/C測試的主要目的是測試半導體封裝體熱脹冷縮的耐久性第11章封裝可靠性工程11.3T/C測試T/S第11章封裝可靠性工程11.3T/C測試11.3T/C測試在封裝體中，有多種材料，材料之間都有相應的結合面，在封裝體所處環(huán)境的溫度有所變化時，封裝體內各種材料就會有熱脹冷縮效應，當材料熱膨脹系數不同時，其熱脹冷縮的程度將有所不同，這樣原來緊密結合的材料結合面就會出現(xiàn)問題。

以LeadFrame封裝為例，見圖11.4。主要材料包括：導線架的銅材料，芯片的硅材料，連接用的金線材料，還有芯片粘結的膠體材料。其中包封模塑料（EncapsulationMoldingCompound,EMC）與硅芯片，導線框有大面積接觸，比較容易脫層，硅芯片與粘合的硅膠、硅膠和導線框架之間也會在T/C測試中失效。第11章封裝可靠性工程11.3T/C測試在第11章封裝可靠性工程11.3T/C測試11.3T/C測試講義上圖11.5表示T/C測試中的幾個失效模型。芯片表面脫層導致電路斷路。脫層處影響到金線，扯斷金線就造成了斷路。芯片在T/C測試中會開裂，導致電路混亂、斷路或短路。為了更好地通過T/C測試，盡量減少各種材料的熱膨脹率差異，在芯片表面涂上一層緩沖層膠體過渡等是好的解決方案。第11章封裝可靠性工程11.3T/C測試講義第11章封裝可靠性工程11.4T/S測試11.4T/S測試T/S即熱沖擊測試，它是測試封裝體的抗熱沖擊能力。抗熱沖擊測試爐的結構與熱循環(huán)溫度測試爐相似，不同的是T/S測試環(huán)境是在高溫液體中轉換，如圖所示。液體的導熱比空氣快，因此有較強的熱沖擊力。測試時先將封裝產品放入一個區(qū)，比如150℃液體區(qū)域，時間5分鐘，然后再放入﹣65℃的液體中5分鐘，如此循環(huán)1000次，來測試產品的抗熱沖擊性，最終也是通過測試電路的通斷情況斷定產品是否通過T/S可靠性測試。第11章封裝可靠性工程11.4T/S測試T/S第11章封裝可靠性工程11.5HTS測試11.5HTS測試HTS(HighTemperatureStorage)測試，即高溫儲藏測試，它是測試封裝體長時間暴露在高溫環(huán)境下的耐久性實驗。該測試是把封裝產品長時間放置在150℃的氮氣中1000小時，然后再測試它的電路通斷情況。第11章封裝可靠性工程11.5HTS測試H第11章封裝可靠性工程11.5HTS測試11.5HTS測試在金線和芯片的結合面上，它的材料結構依次為：鋁、鋁金合金、金，在高溫的狀態(tài)下，金和鋁金屬都變得很活躍，相互會擴散，但是由于鋁的擴散速度比金快，所以鋁的界面物質就變少，就形成了孔洞。這就導致電路性能不好，甚至導致斷路。解決物質的相互擴散而造成電路的電性能不良或失效的措施是：①選擇同種物質結合電路，如金線用鋁線代替，這樣就不會產生因擴散產生不良問題；②用摻雜物質作中介層來抑制物質間的相互擴散；③避免將封裝體長時間高溫儲存。第11章封裝可靠性工程11.5HTS測試第11章封裝可靠性工程11.6TH測試11.6TH測試

TH測試是測試封裝件在高溫潮濕環(huán)境下的耐久性的試驗。測試是在一個能保持恒定溫度的鍋體中進行的，見圖11.9。測試參數是溫度為85℃，相對濕度85%，時間1000小時。試驗結束后，測定封裝體電路的通斷特性來判定產品耐高溫潮濕性能的好壞。在TH測試中，由于包封模塑料有一定的吸濕性，而內部電路在潮濕的環(huán)境下，很容易導致漏電、短路等效應。為了有更好的防濕性，可選擇陶瓷材料來代替塑料封裝，通過改變塑封料的成分，可以改善其吸濕性。第11章封裝可靠性工程11.6TH測試TH測第11章封裝可靠性工程11.7PC測試11.7PC測試PC測試即高壓蒸煮測試，是測試封裝體抵抗潮濕環(huán)境能力的。因此與TH測試類似，是加速測試，即增加測試壓力以縮短試驗時間。用來進行PC測試的工具是“高壓鍋”。見圖。試驗參數是相對濕度100%，壓力2個大氣壓，時間504小時。試驗以后，還是測試產品的電路通斷性能。在導線架式封裝中，導線架材料與塑封料結合處很容易滲水，這樣就容易造成內部電路的腐蝕而破壞產品性能。針對上述情況的解決辦法是提高導線架材料與塑封料的結合性能，可以通過改變塑封料成分以及針對性的處理引線材料的表面。第11章封裝可靠性工程11.7PC測試PC測第11章封裝可靠性工程11.8Precon測試11.8Precon測試Precon測試，即Pre-Conditioning測試。從集成電路芯片封裝完成以后到實際再組裝，這個產品還有很長一段過程，包括包裝、運輸等，這些都會損壞產品，所以需要模擬這個過程，測試產品的可靠性，這就是Precon測試。也可理解為模擬測試。模擬測試過程如圖產品完成封裝后需要包裝好，運輸到組裝廠，然后拆開包封把封裝后芯片組裝在下一級板子上，并且組裝還要經過焊錫過程，整個過程既有類似TC的經過，也有類似TH的過程，焊錫過程也需要模擬測試