对塑封器件分层的影响分析

Zjianeng

摘要：

选取三种具有一定代表性的塑封产品，严格按照军用级标准 GJB 7400 对塑封电路筛选、预处理后，进行 HAST试验摸底，验证 HAST 环境试验对国产塑封器件的影响，并提出军用塑封器件在设计时的注意事项。

引言

塑封器件具有体积小、重量轻、成本低、电性能指标优良等特点。在发达国家塑封器件的发展早已成熟，取代陶瓷封装器件的趋势已定，发达国家早在多年前便已成功地将塑封器件应用在许多军用电子设备中。而在我国，由于缺乏军用塑封器件生产线，国内工业级塑封线不能完全符合军用级标准，特别是经历高温高湿的环境试验后，塑封电路在超声检测时分层现象尤为严重，因此，尽管塑封器件具有诸多优点，但在我国军用电子元器件领域，大规模的以塑封器件代替陶瓷封装电子元器件在短期内还无法实现。

为验证国内工业级塑封元器件与军品塑封元器件要求的差距，须按国军标要求对其进行一系列可靠性试验，评估我国现有工业级塑封器件的可靠性水平。为此，我们选取了不同封装形式、不同封装厂家、不同芯片面积与载体比例的三种具有一定代表性的塑封产品，严格按照军用标准G JB 7400要求进行了可靠性摸底试验。经摸底发现，国产工业级塑封器件在按照GJB 7400进行筛选、考核试验的摸底时，“超声检测分层面积超标”是最主要的失效、淘汰原因。由于热应力与湿气最容易引起塑封器件分层，而H AST试验是GJB 7400规定的塑封器件筛选、考核试验中热应力与湿气应力最为严苛的试验，因此本文针对强加速稳态湿热试验（H AST）对塑封器件分层的影响进行分析。

1 H AST试验

1.1 试验样品预处理

我们选取1#、2#、3#三种不同封装形式、不同封装厂家、不同芯片面积与载体比例的塑封器件进行H AST试验。三种器件封装形式、封装厂家及芯片面积与载体面积比例等具体参数如表1所示。

根据GJB 7400要求，对上述三种工业级塑封器件进行如下试验：首先对1#、2#及3#三种塑封器件进行筛选（包括：温度循环、老炼、电测试、X 射线、超声检测等共计10余项），筛选完成后，抽取1#、2#及3#筛选合格电路各22只，按GJB 7400的D4分组试验要求进行预处理试验（包括：125℃、24h烘焙，60℃、60% RH 、40h湿浸试验、回流焊、清洗、烘干），对预处理后的上述三种塑封电路进行电参数测试，测试结果全部合格（即预处理过程未发现失效）。

1.2 HAST试验及结论

1.2.1130℃、85% RH 100h的H AST试验

首先对预处理之后电路进行130℃、85% RH 100h强加速稳态湿热试验（H AST）。

对130℃、85% RH 100h H AST试验后电路进行电参数测试，所有电路电参数测试结果均合格，相对试验前电参数未见明显变化。

再对上述电路进行超声检测，结果显示：1#及2#合格，未出现分层现象，3#约有95% 器件出现明显的、严重的分层现象，三种塑封器件试验前超声照片及H AST试验后超声检测照片如图1、图2所示。从图2中可明显观察到3#试验后有大面积的分层现象。

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1.2.2130℃、85% RH 500h的H AST试验

对100h强加速稳态湿热试验后未分层的1#及2#电路继续进行500h的 H AST试验，试验后电路电参数测试均合格，超声检测结果，未发现明显分层现象。

1.2.3 小结

由H A ST试验结果可知，三种工业级塑封器件在经历100h H AST试验后，电参数均合格，未出现功能性失效，而且1#及2#未出现明显分层现象；但3#出现了大量电路分层。说明目前国内工业级塑封生产线仍不能完全满足军用级要求。按照国军标要求进行可靠性试验之后电路虽电参数满足指标要求，但分层带来的可靠性问题会极大地影响工业级塑封器件在军事领域的应用。

2 H AST试验结论分析

2.1 HAST试验引起塑封器件分层失效机理

经过H AST试验之后的塑封器件主要受到温度应力及湿气两方面的作用。

由于封装体与焊盘及引线框架材料的热膨胀系数均不一致，热应力作用下塑封器件内不同材料的连接处会产生应力集中，如果应力水平超过其中任何一种封装材料的屈服强度或断裂强度，便会导致器件分层。而且一般来说塑封料环氧树脂的玻璃化温度都不高，其热膨胀系数和杨氏模量在玻璃化温度附近区域对温度变化非常敏感，在极小的温度变化量下，环氧塑封材料的热膨胀系数和杨氏模量就会发生特别明显的变化，导致塑封器件更容易出现可靠性问题。

塑封器件是以树脂类聚合物为材料封装的半导体器件，树脂类材料本身并非致密具有吸附水汽的特性，封装体与引线框架的粘接界面等处也会引入湿气进入塑封器件，当塑封器件中水汽含量过高时会引起芯片表面腐蚀及封装体与引线框架界面上的树脂的离解，反过来进一步加速了湿气进入塑封器件内部，最终导致分层现象出现。

在H AST试验中热应力及湿气共同作用，封装体内部水汽压力快速升高，封装体膨胀，进一步加速了塑封器件分层。

2.2 试验后仅3#分层原因分析

2.2.1 芯片面积与载体面积比例的差异

对比同一塑封厂家加工的3#及2#的塑封参数可知，3#芯片面积与载体面积比例约30.77% ，2#芯片面积与载体面积比例约为17.3% ，3#与2#相比芯片面积与载体面积比例较大，即芯片面积占载体面积比例相对较多，塑封料与载体接触面积相对较少，导致3#在严酷的试验条件下更易发生分层失效。

2.2.2 粘结材料的差异

对比1#与3#的塑封参数可知，1#与3#采用的粘结材料有所差异，1#采用绝缘胶粘结，而3#采用导电胶粘接。与3#相比，虽然1#芯片面积与载体面积比例也较接近，但经历相同条件H AST试验之后却未发生明显分层现象。可见粘结材料对塑封器件可靠性也有一定影响。

3 军用塑封器件设计时需注意事项

根据上述实验结论可以得出通过正确的选择塑封材料及塑封参数等条件可适当提高塑封器件可靠性：

1）对比相同厂家但芯片面积与载体面积比例不同的塑封器件试验结果可知，芯片面积与载体面积比例较接近的器件更易分层。由于芯片面积无法更改，在塑封尺寸的选择时，可尽量选择较大的载体尺寸，增大塑封料与载体接触面积。如果载体面积也已固定，可适当加大塑封材料灌封时的压力，以便塑封材料与载体结合的更加紧密，减小造成塑封器件分层失效的可能。

2）对比不同塑封厂家加工的塑封器件H AST试验结果可知，由于粘结材料不同试验后分层情况也有所差异，导电胶粘结的塑封器件更易分层，因此在设计时，可尽量选择绝缘胶粘结，提升塑封器件可靠性。

3）针对已封装完成无法改变塑封条件的器件，可采用真空涂敷工艺对工业级塑封元器件进行三防处理的方法以增强塑封器件密封性，有助于提高工业级塑封器件可靠性，使其接近军用环境下的使用要求，而且应用在元器件上的三防材料（主要是丙烯酸树脂、环氧树脂、硅树脂、聚安基甲酸树脂和聚对二甲笨）多数为透明材料，涂敷后不会影响塑封器件的辨别。

虽然目前部分国产工业级塑封器件能够达到军用级要求，但并没有塑封体尺寸选择或其他塑封条件选择的相关参照标准，因此在军用级塑封器件选择塑封参数时应综合各方面可能影响其可靠性的因素。

4 结论

本文选取了不同封装形式、不同封装厂家、不同芯片面积与载体比例的三种具有一定代表性的塑封产品按照GJB 7400要求进行筛选、预处理后，进行H AST试验，通过对H AST试验后电路分层情况进行分析，得出影响塑封电路可靠性的因素，对军用塑封器件的设计提出了一些建议，例如尽量选取尺寸较大的载体，适当加大塑封材料灌封时的压力等。但是由于试验样品种类及试验条件的限制，本文的试验结论具有一定的局限性，需通过大量试验数据进一步完善。

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塑封器件具有体积小、重量轻、成本低、电性能指标优良等特点