国外塑封器件筛选温度范围应用研究

郭威威

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

国外塑封器件筛选温度范围应用研究

郭威威

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

介绍了塑料封装的特点，对金属、陶瓷、塑料三种封装材料的特点进行了比较，分析了塑封元器件高可靠应用中的主要问题，对国外塑封器件筛选温度范围的应用进行了研究。

塑封器件；筛选；温度范围

塑料封装出现在20世纪50年代末期，塑封器件由于成本低且可大量生产而得到工业界和用户的普遍接受。本文对塑封元器件高可靠应用中的主要问题、国外塑封器件筛选温度范围的应用进行了研究。

1　塑料封装的特点及比较

用于元器件的封装材料主要有金属、塑料、陶瓷、玻璃等。塑料封装重量轻，约为陶瓷封装的1/2，适合于薄型封装；成本低，约为陶瓷封装的55%。塑料封装属于非气密封装，因此存在一些可靠性的问题，如塑料和引线之间的结合不能阻止气体和液体的渗入，模塑材料会吸收潮气，表面组装元件焊接加热时封装会出现爆裂；管芯容易产生金属化腐蚀，需要干燥包装；塑封器件对静电敏感，静电损伤会引起元件电学过应力失效，参数漂移，可靠性下降。

目前由于封装技术和材料的改进，塑封在商业中已占绝对优势，但在某些特殊领域（如航空、航天等高可靠领域），气密封装仍然必不可少。表1为气密封装和非气密封装的比较及使用这些封装的器件类型。

表1　封装材料的比较

2　塑封元器件高可靠应用中的主要问题

虽然塑封材料的改进已使塑封器件的物理性能和可靠性有了很大的提高，但在应用中由于封装材料本质特征，仍存在由于潮气入侵和温度性能差而导致的一些可靠性问题。

2.1温度适应性问题

相对于玻璃和陶瓷，塑封材料属于低温材料，其玻璃化转换温度为130℃～160℃，一般的商用塑封器件主要满足以下3个温度范围的要求：0℃～70℃（商业温度）、-40℃～85℃（工业温度）和-40℃～125℃（汽车温度）。但是，这些范围比军用温度范围-55℃～125℃要窄。

由于芯片、引线框架、树脂各自的热膨胀系数不同，树脂模注后产生内应力。在温度循环试验中，这种内应力成为循环变化的应力。在这种应力作用下，衬底之下或引线之间的区域容易产生裂纹，此外连接芯片和引线的键合丝也会因温度循环而周期性变形，从而造成疲劳损伤。

2.2潮气入侵问题

由于塑封材料具有固有的吸湿性以及环氧成型材料的吸附性，塑封器件会产生很多可靠性问题。潮气的入侵会由于离子沾污而导致大量的与腐蚀有关的失效，在潮湿环境中贮存和使用也会因水汽浸入而发生腐蚀，有害物质，如卤素，常伴随水汽一起侵入，腐蚀会更加严重。

塑封材料吸潮后会发生尺寸蠕变，对芯片、键合点和内引线产生应力。如果在塑封材料吸收了水汽的情况下进行焊接，因突然受热使水汽快速膨胀，会对器件造成更严重的损伤，甚至爆裂，这种现象对小尺寸表面贴装电路尤为明显。随着大封装尺寸表贴技术的大量应用，湿度引起的封装损伤（如内部分层和再流焊过程中的开裂现象）会导致一系列的可靠性问题，PEM（塑封微电路）的很多失效机理，如腐蚀和“爆米花”效应都可以归结为潮气入侵。

2.3塑封微电路的分层

2.3.1低温分层

在高可靠应用中，如航空航天环境，环境温度会达到-65℃甚至更低，塑封器件在低温下使用时，会发生塑料外壳分层和开裂导致的器件失效。

在从室温到极端寒冷环境的热循环过程中，模压复合物与基片或引线框之间的热膨胀系数（CTE）差异可造成分层和开裂。并且，随着塑料在极端低温下耐开裂强度的下降，开裂的可能性也增加了。

2.3.2“爆米花”效应

塑封器件在焊接期间传导到器件上的热有三种来源：红外回流焊加热、气相回流焊加热和波峰焊加热。红外加热的峰值温度是235℃～240℃，10s；气相加热问题215℃±5℃，40s；波峰焊加热温度260℃±5℃，5s。在器件受热过程中，由于管壳中所吸附的水分快速汽化，内部水汽压力过大，使模制材料（环氧树脂化合物）膨胀，出现分层剥离和开裂现象，俗称“爆米花”效应。“爆米花”效应是已经吸潮的塑封器件在短时间内出现开裂的一种失效模式。由于在再流焊过程中，塑封器件所处的环境短时间温度升至205℃～250℃，上升梯度较大（1℃/s～2℃/s）。当温度超过塑封材料的玻璃化转换温度（一般为130℃～160℃）时，塑封材料变软，如果器件内部有较多水汽，水汽在短时间内受热快速膨胀，造成塑封材料爆裂。

2.3.3分层引起的可靠性问题

研究表明，塑封器件的基片—封装材料界面处的分层会严重影响PEM的可靠性。它会因球焊或楔形焊的切断而引起直接或间歇性电失效，或形成渗透通路和出现集聚水分和离子沾污物的区域，增加器件腐蚀失效的可能性，从而危及PEM的长期可靠性。在引线键合处的分层可能会使键合界面退化，因为在温度循环过程中可能会在球焊处产生机械应力，这就会导致在球焊点下的硅材料破裂。另外，分层可能造成分离的塑料与基片表面产生相对位移，损坏钝化层和金属化层。

3　国外塑封器件筛选温度范围研究

前苏联的一些微电子研究所及工厂也进行了大量塑封器件可靠性研究。如塔什干研究所等单位对塑封器件进行了高压蒸煮试验、温湿度组合试验、真空-浸水试验、热应力试验。

NASA在2003年06月颁布了PEM-INST-001《塑封微电路的选择、筛选和鉴定规程》。在NASA/GSFC《塑封微电路降额、贮存与鉴定报告》中，详细给出了降额导则、微电路的贮存以及鉴定方法。另外，美国喷气推进实验室（JPL）在2005年5月发布《塑封微电路空间应用的可靠性/使用导则》；EIA协会发布了《SSB-1军用、航空及其它严酷条件下塑封微电路和半导体使用指南》。这些文件均为用户在高可靠领域使用PEM提供了降低风险的方法与措施。PEM-INST-001《塑封微电路的选择、筛选和鉴定规程》中推荐的典型PEM筛选试验流程如图1。

图1　典型PEM筛选试验流程

［1］付桂翠.电子元器件使用可靠性保证［M］.北京：国防工业出版社，2011.

Application Study on the TemperatureScreening Rangeof Foreign Plastic Packaging Devices

Guo Weiwei
（China Air to Air Missile Research Institute，Luoyang Henan 471009）

The characteristics of plastic package are introduced，the characteristics of three packaging materials：metal，ceramic，plastic are compared，the main problems in the high-reliability applications of the plastic components are analyzed，and the application of temperature screening range in foreign plastic packaging device is studied.

plastic packaging devices；screening；temperature range

TN43

A

1003-5168（2015）12-0147-2

2015-12-10

郭威威（1982.03-），男，研究生，工程师，研究方向：可靠性专业。