1、集成电路封装技术11.1 11.1 概述概述 在芯片完成整个封装流程后，封装厂会对产品进行质量检测和可靠性检测。1.1.质量和可靠性检测概念质量和可靠性检测概念 质量检测是检查测试封装后的芯片的质量和性能情况，是否可用。 可靠性即产品可靠度的性能，具体表现在产品使用过程中是否容易出故障，产品使用寿命是否合理。 图示的是统计学上的关于可靠性的盆浴曲线，它可以很清晰地描述生产厂商对产品可靠性的控制，也反映了用户对产品可靠性的要求。第第1111章章 封装可靠性工程封装可靠性工程 图中横坐标表示时间，纵坐标表示不良率（损坏率）。早夭区是指短时间内就会损坏的产品，这是厂家要淘汰的；正常使用区代表为合格产
2、品，也就是用户能够接受的产品；耐用区指产品的使用寿命超过预期，特别耐用。 从图中可见，在早夭区和耐用区不良率都比较高。在正常使用区，优良率稳定。大部分产品都在正常使用区。可靠性测试就是为了分辨产品是否属于正常使用区的测试，解决早期开发中产品不稳定，优良率低等问题，以提高技术和生产线所生产产品的合格率。可靠性性测试项目有6项，见表第第11章章 封装可靠性工程封装可靠性工程11.2 可靠性测试项目可靠性测试项目11.2 11.2 可靠性测试项目可靠性测试项目可靠性测试项目可靠性测试项目测试项目简称测试项目简称预处理(Preconditioning Test)preconditioning test
3、温度循环测试(Temperature Cycling Test)T/C Test热冲击(Thermal shock Test)T/S Test高温储藏(High Temperature Storage Test)HTST Test温度和湿度(Temperature & Humidity Test) T&H Test高压蒸煮(Pressure Cooker Test)PCT Test 各个测试都有一定的目的，针对性和具体办法，但就测试项目而言，基本上都与温度、湿度、压强有关，偶而还会加上偏压等以制造恶劣破坏环境来达到测试产品可靠性的目的。各个测试项目大都采用随机取样的方法。各个封装厂的可靠性判断
4、标准各不相同，实力雄厚的企业一般会用较高水准的可靠性标准。 6种测试标准是有先后顺序的，如图所示。预处理是首先要进行的测试项目,之后进行其他5项的测试，这是由测试目的决定的。鉴于项目测试的特殊性，将其放到最后介绍。项目测试项目测试T/CT/SHTSTT&HP第第11章章 封装可靠性工程封装可靠性工程11.3 T/C测试测试11.3 T/C11.3 T/C测试测试 T/S测试即温度循环测试。图为温度循环测试炉，它是由一个热气腔和一个冷气腔组成，腔内分别填充热冷空气，热冷空气相对温差越大，通过测试的产品的某特性可靠性越高，热冷空气的温度各个封装厂有自己的标准。两腔之间有阀门，是待测产品往返两腔的通
5、道。 温度循环测试有四个参数：热腔温度、冷腔温度、循环次数、芯片单次单腔停留时间。 讲义上表11.2表示的是将封装后的芯片置于150和65腔体中各15分钟，循环1000次。经此循环后测试电路性能，看其是否通过T/C可靠性测试。T/C测试的主要目的是测试测试的主要目的是测试半导体封装体热胀冷缩的耐久性半导体封装体热胀冷缩的耐久性第第11章章 封装可靠性工程封装可靠性工程11.3 T/C测试测试11.3 T/C11.3 T/C测试测试 在封装体中，有多种材料，材料之间都有相应的结合面，在封装体所处环境的温度有所变化时，封装体内各种材料就会有热胀冷缩效应，当材料热膨胀系数不同时，其热胀冷缩的程度将有
6、所不同，这样原来紧密结合的材料结合面就会出现问题。 以Lead Frame封装为例，见图11.4。主要材料包括：导线架的铜材料，芯片的硅材料，连接用的金线材料，还有芯片粘结的胶体材料。其中包封模塑料（Encapsulation Molding Compound,EMC）与硅芯片，导线框有大面积接触，比较容易脱层，硅芯片与粘合的硅胶、硅胶和导线框架之间也会在T/C测试中失效。第第11章章 封装可靠性工程封装可靠性工程11.3 T/C测试测试11.3 T/C11.3 T/C测试测试 讲义上图11.5表示T/C测试中的几个失效模型。芯片表面脱层导致电路断路。脱层处影响到金线，扯断金线就造成了断路。芯
7、片在T/C测试中会开裂，导致电路混乱、断路或短路。 为了更好地通过T/C测试，尽量减少各种材料的热膨胀率差异，在芯片表面涂上一层缓冲层胶体过渡等是好的解决方案。第第11章章 封装可靠性工程封装可靠性工程11.4 T/S测试测试11.4 T/S11.4 T/S测试测试 T/S即热冲击测试，它是测试封装体的抗热冲击能力。抗热冲击测试炉的结构与热循环温度测试炉相似，不同的是T/S测试环境是在高温液体中转换，如图所示。液体的导热比空气快，因此有较强的热冲击力。 测试时先将封装产品放入一个区，比如150液体区域，时间5分钟，然后再放入65的液体中5分钟，如此循环1000次，来测试产品的抗热冲击性，最终也
8、是通过测试电路的通断情况断定产品是否通过T/S可靠性测试。第第11章章 封装可靠性工程封装可靠性工程11.5 HTS测试测试11.5 HTS11.5 HTS测试测试 HTS(High Temperature Storage)测试，即高温储藏测试，它是测试封装体长时间暴露在高温环境下的耐久性实验。该测试是把封装产品长时间放置在150的氮气中1000小时，然后再测试它的电路通断情况。第第11章章 封装可靠性工程封装可靠性工程11.5 HTS测试测试11.5 HTS11.5 HTS测试测试 在金线和芯片的结合面上，它的材料结构依次为：铝、铝金合金、金，在高温的状态下，金和铝金属都变得很活跃，相互会扩
9、散，但是由于铝的扩散速度比金快，所以铝的界面物质就变少，就形成了孔洞。这就导致电路性能不好，甚至导致断路。 解决物质的相互扩散而造成电路的电性能不良或失效的措施是：选择同种物质结合电路，如金线用铝线代替，这样就不会产生因扩散产生不良问题；用掺杂物质作中介层来抑制物质间的相互扩散；避免将封装体长时间高温储存。第第11章章 封装可靠性工程封装可靠性工程11.6 TH测试测试11.6 TH11.6 TH测试测试 TH测试是测试封装件在高温潮湿环境下的耐久性的试验。测试是在一个能保持恒定温度的锅体中进行的，见图11.9。测试参数是温度为85，相对湿度85%，时间1000小时。试验结束后，测定封装体电路
10、的通断特性来判定产品耐高温潮湿性能的好坏。 在TH测试中，由于包封模塑料有一定的吸湿性，而内部电路在潮湿的环境下，很容易导致漏电、短路等效应。为了有更好的防湿性，可选择陶瓷材料来代替塑料封装，通过改变塑封料的成分，可以改善其吸湿性。第第11章章 封装可靠性工程封装可靠性工程11.7 PC测试测试11.7 PC11.7 PC测试测试 PC测试即高压蒸煮测试，是测试封装体抵抗潮湿环境能力的。因此与TH测试类似，是加速测试，即增加测试压力以縮短试验时间。用来进行PC测试的工具是“高压锅”。见图。试验参数是相对湿度100%，压力2个大气压，时间504小时。 试验以后，还是测试产品的电路通断性能。在导线
11、架式封装中，导线架材料与塑封料结合处很容易渗水，这样就容易造成内部电路的腐蚀而破坏产品性能。针对上述情况的解决办法是提高导线架材料与塑封料的结合性能，可以通过改变塑封料成分以及针对性的处理引线材料的表面。第第11章章 封装可靠性工程封装可靠性工程11.8 Precon测试测试11.8 Precon11.8 Precon测试测试 Precon测试，即Pre-Conditioning 测试。从集成电路芯片封装完成以后到实际再组装，这个产品还有很长一段过程，包括包装、运输等，这些都会损坏产品，所以需要模拟这个过程，测试产品的可靠性，这就是Precon测试。也可理解为模拟测试。模拟测试过程如图 产品完
12、成封装后需要包装好，运输到组装厂，然后拆开包封把封装后芯片组装在下一级板子上，并且组装还要经过焊锡过程，整个过程既有类似TC的经过，也有类似TH的过程，焊锡过程也需要模拟测试。第第11章章 封装可靠性工程封装可靠性工程11.8 Precon测试测试11.8 Precon11.8 Precon测试测试 整个Precon测试有一定的测试流程，测试前检查电气性能和内部结构（用超声波检测），确定没有问题，开始各项恶劣环境的考验，先是T/C测试模拟运输过程中温度变化，再模拟水分子干燥过程,一般是真空包封，类似水分子干燥。然后在下表中所列的6组试验参数中选择一组进行试验，以模拟开封后的吸湿过程。在表中的6
13、组参数中1的等级最高，依次下降。看需要选择的等级。等等 级级温度、湿度条件（温度、湿度条件（/%RH）测试时间）测试时间干燥包装开封后有效寿命干燥包装开封后有效寿命1 185/85 168h无限无限2 285/60 168h一年一年3 330/60 192h168h168h（一星期）（一星期）4 430/60 92h72h(372h(3天天)5 530/60 76h48h48h6 630/60 6h6h6h表表11.7 Precon模拟环境等级参数表模拟环境等级参数表第第11章章 封装可靠性工程封装可靠性工程11.8 Precon测试测试11.8 Precon11.8 Precon测试测试 在
14、Precon测试中，会出现的问题有:爆米花效应、脱层、电路失效等问题爆米花效应、脱层、电路失效等问题。这些问题都是因为封装体会在吸湿后再遭遇高温而造成的，高温时封装体内的水分变为气体从而体积急剧膨胀，造成对封装体的破坏。减弱塑封体材料的吸湿性可解决爆米花效应，而减少封装的热膨胀系数，增强附着力，可改善脱层问题，防止电路失效。 只有在顺利通过了Precon测试以后，才能保证产品能顺利送到最终用户端，这就是Precon放到第一个测试位置的原因所在。 所以，一个好的封装要有好的可靠性能，必须有较强的耐湿、耐热、耐高温的能力，6个可靠性测试都与温度湿度有关。通过可靠性测试能够评估产品的可靠度，有利于反馈改善封装设计工艺，从而提高产品的可靠度。
