（文章来源：维科网）

 

一、什么是电子微组装

 

电子微组装是为了适应电子产品微型化、便携式、高可靠性需求,实现电子产品功能元器件的高密度集成,采用微互连、微组装设计发展起来的新型电子组装和封装技术,也是电子组装技术向微米和微纳米尺度方向的延伸,它包含了微电子封装、混合集成电路和多芯片组件、微波组件、微机电系统等相关产品的微组装技术。根据电子行业对三个层级电子封装的定义、IPC/JEDEC标准对两个层级电子互连的定义和国际半导体技术路线图(ITRS)对先进系统级封装(System in Package, SiP)的定义,本书所讨论的电子微组装包括:

 

● 内引线键合和芯片倒装焊的芯片级互连(称芯片级互连,或0级封装);

 

● 单芯片/多芯片组装及多层布线基板互连的器件级封装(称1级封装);

 

● 表面贴装元件(SMC)和表面贴装器件(SMD)在PCB或陶瓷基板上贴装的板级封装(称2级封装);

 

● 元器件集成在单一标准封装体内并具有系统功能的系统级封装(SiP)。

 

电子封装分类层级定义如图1所示,其中,国际上传统的电子封装层级(1990年)定义为:芯片级互连、1级封装、2级封装和3级封装,与日本Jisso Roadmap专委会(JRC)提出的Jisso电子互连层级(2005):1级互连、2级互连、3级互连和4级互连相对应。

 

图1 电子封装分类层级定义

 

用电子行业和IPC/JEDEC标准定义的封装互连层级的术语来表述,电子微组装是包含芯片级互连、1级封装、2级封装和系统级封装(SiP)的,适用于分立元器件、多芯片组件和模块产品的微组装与封装。对于SiP,ITRS给出的定义:一种能够集成多种不同功能有源电子器件并组装在单个标准封装体内,使其能够为某一系统或子系统提供多个功能的集成式组装及封装形式。为实现产品设计功能,SiP可以包含无源元件、微机电系统(MEMS)、光学元件和其他封装体及部件,换句话说,SiP是一种系统级一体化集成封装结构,它涵盖了图1中的1级、2级和3级封装技术。

 

从电子微组装的组成结构来看,其构成要素有4方面:基础功能元器件(有源电子器件和无源电子元件)、集成元器件的电路基板(PCB、陶瓷基板等)、元器件与电路基板间的互连组装材料(内引线键合、焊料、黏结料等)、外部封装材料(金属外壳、有机包封料和外引脚)。电子微组装涉及的产品包括:分立电子元器件(Discrete Electronic Component, DEC)、混合集成电路(Hybrid Integrated Circuit, HIC)、多芯片组件(Multi-Chip Module, MCM)、板级组件(Printed Circuit Board Assembly, PCBA)、微波组件(Microwave Assembly, MA)、微系统(Micro-system, MS)、SiP或板级微系统(System on Package, SoP)模块、真空电子器件(Vacuum Electronic Device, VED)等。

 

电子微组装的作用,就是把基础功能元器件安装在规定尺寸的封装体内,保证其内部的电连接,从而实现产品设计的功能。为此,需要采用各种微组装技术,实现产品内部芯片间互连、芯片与外壳基板的互连、1级封装与2级封装的互连,并同时满足产品散热、机械固定和防潮等方面的要求。

 

二、电子微组装技术发展历程及特点

 

作为电子组装封装技术的组成部分,电子微组装技术以传统电子封装技术为基础,为适应产品微型化的需求而得以不断发展。产业化的电子组装封装技术发展至今,已有60多年的历史。

 

1．电子组装封装技术发展历程

 

20世纪50年代,电子元器件主要有真空电子管、长引脚无源元件,这时通常采用导线连接、螺丝拧紧的方式在金属板框架上固定元器件,并未形成或提出组装密度的概念。应用的代表产品有电子管收音机。

 

20世纪60年代,半导体晶体管的出现,逐步取代了真空电子管,开始使用轴向引线元件和晶体管,采用手工焊接工艺,将元器件引脚插入单面印制电路板(PCB)的焊孔进行焊接,实现了在PCB电路板上组装元器件,大大缩小了电子产品的体积。应用的代表产品有塑料外壳半导体收音机。

 

20世纪70年代,发展了以双列直插式封装(Double In-line Package, DIP)和插针网格阵列封装(Pin Grid Array Package, PGA)为代表的半导体集成电路(Integrated Circuit, IC),以及径向引脚的无源元件,采用自动插装技术在双面PCB电路板上组装元器件。应用的代表产品有黑白、彩色电视机。

 

20世纪80年代,发展了以四边扁平封装、四边J形引脚扁平封装为代表的大规模集成电路,形成标准化的表面贴装器件(Surface Mounted Device, SMD)和表面贴装元件(Surface Mounted Component, SMC),采用表面贴装技术(SMT)在多层布线PCB和多种陶瓷基板上组装元器件。应用的代表产品有电子表、电子照相机。

 

20世纪90年代,发展了以球栅阵列(Ball Grid Array, BGA)和芯片尺寸封装(Chip Size Package, CSP)为代表的高密度封装器件,以及超大规模半导体集成电路和多芯片组件(MCM),形成了封装、芯片面积比小于1．5的高封装效率技术,采用自动贴装技术在高密度多层PCB、玻璃基板(Chip on Glass, COG)和多层陶瓷基板上组装元器件或裸芯片。其中,MCM是在HIC基础上发展起来的用于高性能系统的模块产品,价格昂贵,主要应用于航天、航空等高性能、高可靠性要求的产品,如IBM 4300系列大型计算机系统的MCM结构CPU,其陶瓷基板有40多层,包含25种IC。其他商业化应用的代表产品有手机、便携式电子产品。

 

2000—2010年,发展了系统级封装(SiP)技术、圆片级封装技术(WLP),并形成实用化产品。SiP是在成熟的主流IC装配技术和表面安装技术(SMT)基础上发展起来的高密度封装新技术,充分利用现有成熟的组装技术,灵活运用各种不同芯片资源和封装互连优势,在保持SiP系统高性能的同时降低成本,其封装解决方案包括:芯片并列、堆叠结构,PoP封装结构,PiP封装结构。应用的代表产品有智能手机、迷你移动存储卡、蓝牙模块等。

 

2010年至今,开发了极小化元器件,组装在挠性带载基板(Flexible Printed Circuit, FPC)上,打造生活化可穿戴设备,其特点是:低功耗、低成本、小尺寸,应用的代表产品有与互联网结合的智能手环、手表、眼镜、衣服等可贴身穿戴的电子产品。同期,进一步发展了SiP和SoP系统集成技术,在SiP芯片级互连方面,为获得更高性能和组装密度,不断优化3D芯片堆叠和TSV硅通孔技术;在SoP多层基板互连和元器件组装方面,开发了内埋置元件多功能基板,SiP、SoP封装技术在射频和无线电设备、固体硬盘、汽车电子、微机电系统等领域的应用不断拓展。

 

国际半导体技术路线图(ITRS)报告(2015年)指出,半导体芯片体积到2021年将不再缩小,预测技术进步的传统“摩尔定律(Moore's Law)”—每1～2年单芯片内晶体管数量翻倍且性能提升一倍,将在5年内终结,如图2所示。为持续提高半导体器件性能和运算速度,芯片只能向3D转型,3D堆叠等新型微组装技术将在短期内成为芯片晶体管密度提高的重要手段,并被解释为预测技术进步的“摩尔定律升级(More than Moore)”,在“ITRS 2．0”中,3D集成技术将聚焦系统集成、异构集成和异构组成等三维集成微组装技术。长远来看,多种功能芯片的高密度集成必然带来新型电子微组装技术的发展和革命。

 

图2 ITRS报告:传统“摩尔定律”将在2021年终结

 

2．电子微组装技术发展趋势和特点

 

自1960年出现晶体管以来,电子封装50多年的演变和发展趋势如图3所示。

 

图3 电子封装50多年的演变和发展

 

与SiP相比,SoP亦是系统级封装的概念,虽然都采用“封装”来描述,但前者强调一个小型完整“封装”的理念,后者强调在单一基板上实现系统功能“组装”的理念,各有优势和适用范围。为保证系统级封装的一体化,SiP注重芯片级互连技术,通过芯片叠层、硅TSV通孔、芯片倒装焊和内引线键合等互连技术,实现对构成系统功能的各类裸芯片在单一封装体内的高密度组装,系统功能的拓展则采用PoP或PiP封装技术,SiP大量应用于存储器等数字产品和高可靠性产品。而为保证复杂系统功能在单一基板上的实现,SoP注重无源嵌入及多层布线基板技术,通过LTCC、MLCC、厚膜等多层布线基板技术和可埋置薄膜阻容感元件技术,实现对构成系统功能的各类独立封装元器件(包括MCM、SiP)在单一多功能基板上的高密度组装,以满足各种复杂系统功能的组装要求,SoP主要应用于射频/微波组件、光学探测和微机电传感等微系统产品。从近10年的系统级封装技术发展和应用对比来看,SiP商业化产品已成熟推出,而SoP的更高性能的多层基板技术还在不断开发和完善,其成熟的商业化产品仍在期待中。

 

为适应电子产品的小型化应用,21世纪初至今,电子微组装技术在三个方向不断创新和进步。

 

(1)微米级的组装技术,实现更小尺寸、更高密度的封装。如:硅芯片TSV通孔技术、碳纳米管微凸点技术。

 

(2)圆片级封装(Wafer Level Package, WLP)技术,实现工艺成本的降低和封装效率及可靠性的提高。如:从Fan-in WLP发展到Fan-out WLP,通过eWLP-BGA结构使3D SiP封装在纵向互连。

 

(3)满足系统功能的3D封装物理布局设计技术,以最合理的封装结构实现产品的系统功能。如:通过基于SiP的信息安全芯片集成设计技术解决信息安全系统中逻辑芯片与存储器难集成的问题,采用内埋置多层布线基板和芯片叠层组装技术满足射频收发及D/A转换等系统功能设计要求,采用单晶硅基板和硅埋置型多层BCB/Au布线的SiP封装工艺技术满足k波段雷达功分器的设计要求,利用多层厚膜布线基板技术设计以满足毫米波SoP电路系统功能,以及利用先进的埋置型晶圆级BGA技术和PoP技术(eWLB-PoP)解决手机高密度封装问题并满足相应的功能要求。实际上,系统级封装(SiP、SoP)的设计,需要综合考虑产品的功能、尺寸、重量、成本和可靠性要求,是需要将产品功能与传统PCB技术、先进SoC及SiP/SoP互连技术协同设计的封装技术。

 

ITRS报告关于3DIC TSV的技术路线图表明,2009—2015年,TSV技术进步特点是尺寸减小到原来的一半,见表1;ITRS报告关于SiP芯片与基板布线互连的丝键合水平,见表2。

 

表1 ITRS 3DIC TSV路线图:TSV技术

 

注:W2W,Wafer to Wafer,晶片与晶片(堆叠);

 

D2W,Die to Wafer,芯片与圆片(堆叠);

 

D2D,Die to Die,芯片与芯片(堆叠);

 

TSV,Through Silicon Via,硅通孔。

 

表2 ITRS关于SiP封装的丝键合水平

 

总体而言,随着电子封装技术的快速发展,特别是电子微组装技术的加入和拓展,半导体技术、封装技术和系统级封装产品之间不断渗透,界限越来越模糊。在一个系统级封装产品中,由于元器件高密度组装,其微组装材料既是结构的固定材料又是电路的阻容感元件,特别是微波电路产品,因此系统功能的实现与半导体裸芯片之间的互连方式以及多层基板布线结构的设计直接相关。

 

从产品的角度,在电子微组装技术创新和进步的带动下,电子封装技术有以下八个主要发展方向:

 

① 向着高密度、多I/O数方向发展;

 

② 向着提高表面贴装密度方向发展;

 

③ 向着高频、大功率方向发展;

 

④ 向着薄型化、微型化、不对称化、低成本化方向发展;

 

⑤ 从单芯片封装向多芯片封装发展;

 

⑥ 从2D平面封装向3D立体封装方向发展;

 

⑦ 向着系统级封装(SiP、SoP)方向发展;

 

⑧ 向着绿色环保化方向发展。

 

三、电子微组装可靠性要求

 

电子微组装可靠性要求,体现在两个层面。首先是微组装产品的可靠性要求,其次是产品微组装互连结构的可靠性要求,产品的可靠性要求决定了微组装互连结构的可靠性要求,虽然产品可靠性与使用环境密切相关,但最终决定产品可靠性的应力因素是产品微组装物理结构的实际载荷应力。

 

标准对可靠性的定义:产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可以知道,对某类产品而言,其可靠性所描述的“能力”与使用环境应力和工作时间有关,而这种“能力”可以用可靠度、失效概率、失效密度、失效率、平均寿命、特征寿命等可靠性特征量来度量,如果用可靠度来度量产品的可靠性,则产品的可靠度(R)是使用环境应力F和时间t的函数,即

 

 

式中,ψ为产品可靠度R与环境应力F和时间t的函数关系,T为产品寿命。

 

现实中的使用环境,应力F有各种类型,如:温度应力F1(恒定温度T,温度变化ΔT,温度梯度?T,温度变化率?T/?t,…),机械应力F2(振动应力FV,机冲应力FS,恒加应力Fa,…),潮湿应力F3(%RH,…),电磁应力F4(电场E,磁场H,静电损伤ESD,…),盐雾F5(SF,…),辐射应力F6(总剂量Cy,中子注入量Cn,…),低气压F7(PV,…)等,如果把产品电负荷(电流I,电压V,功耗P,频率f,负载R/RL/RC,…)作为电载应力F8,产品工作时间(持续时间t,开关/循环/冲击次数N,…)是必然存在的时间应力,则产品可靠度就是这些环境应力、电载应力和时间应力的函数,根据式(1-1),将产品可靠度R与外部环境应力F之间的关系写为

 

 

如果分别考虑某类应力或多类应力耦合对产品可靠性的影响,则根据式(1-2),产品可靠度R与各种环境应力F和时间t的函数关系可表示为

 

 

式中,φ1、φ2、…、φ8和ψ,分别是产品可靠度R与环境的温度应力F1、机械应力F2、潮湿应力F3、电磁场/静电应力F4、盐雾应力F5、辐照应力F6、低气压应力F7、电载应力F8和多应力耦合(F1∩…∩F8)的函数关系。

 

所以,产品的可靠性是环境应力的函数,不同环境应力下的产品可靠性不尽相同,可以通过可靠性试验和各类环境试验,考核产品的可靠性与环境适应性,综合环境试验可以考核产品在多环境应力耦合下的环境适应性,加速寿命、加速退化等加速应力试验是快速建立式(1-3)中可靠性函数关系的有效手段。

 

2．微组装产品可靠性要求

 

电子微组装互连包括芯片级互连、1级封装和2级封装,从相关标准和组装结构定义来区分,其涉及的产品有分立电子元器件(DEC)、混合集成电路(HIC)、多芯片组件(MCM)、微波组件(MS)、光电组件(Opto-Electronic Assembly, OEA)、微电路模块(Microcircuit Modules, MM)、系统级封装产品和真空电子器件(VED)等。

 

相关标准规定了可靠性基本要求和环境适应性要求(含用户规定),包括以失效率和寿命为指标的可靠性基本要求,以温度、机械、湿热、盐雾、电磁、辐照、低气压等标准环境应力为指标的环境适应性要求。前者描述产品在规定应力(通常降额)条件下长期工作仍能实现规定功能的能力要求,后者描述产品在规定应力(极限或额定)条件下短时间工作(或非工作)仍能实现规定功能的能力要求。显然,可靠性基本要求和环境适应性要求分别描述了产品质量的“耐力”和“强度”,可靠性基本要求强调的是较低应力水平和长时间工作,环境适应性强调的是较高应力水平和短时间工作。

 

1)可靠性基本要求

 

表3列出了与失效率和寿命相关的6项可靠性基本要求,这些基本要求由元器件、组件和模块的相关标准或用户来规定。评价产品是否达到这些基本可靠性要求的标准为GB 1772—79《电子元器件失效率试验方法》、GJB 128A—97《半导体分立器件试验方法》、GJB 360B—2009《电子及电气元件试验方法》、GJB 548B—2005《微电子器件试验方法和程序》、GJB 616A—2001《电子管试验方法》、GJB 899A—2009《可靠性鉴定和验收试验》和GB 2689．1～2689．4—81《寿命试验和加速寿命试验方法》。

 

表3 电子元器件、组件和模块产品的可靠性基本要求(标准和规范)

 

注:1)参照GJB 33A—97《半导体分立器件总规范》,1a)表5C组周期检验;

 

2)参照各类电子元件总规范,如:GJB 63B—2001《有可靠性指标的固体电解质钽电容器总规范》,4．7．19寿命;GJB 601A—98《热敏电阻器总规范》;

 

3)参照GJB 597B—2012《半导体集成电路通用规范》,3a)表B．4 C组检验;

 

4)参照GJB 2438A—2002《混合集成电路通用规范》,4a)表C．14 C组检验;

 

5)参照SJ 20527A—2003《微波组件通用规范》,5a)和5b)表3 C组检验;

 

6)参照SJ 20786—2000《半导体光电组件总规范》,6a)表6 C组检验;

 

7)参照SJ 20668—1998《微电路模块总规范》,7a)表2 鉴定试验;

 

8)根据产品功能类别选用相关标准,通常情况下,若SiP/SoP产品为气密封装,则参照GJB 2438A标准要求;若产品为灌封等非气密封装,则参照SJ 20668标准要求;

 

9)参照GJB 3312A—2011《微波电子管通用规范》,9a)和9b)表2 检验项目表,9c)4．9 保证使用寿命,9d)3．6．9 储存寿命。

 

(1)失效率(λ)要求。

 

失效率(λ)是指工作到时刻t时尚未失效的产品在单位时间内失效的概率,失效率要求规定了产品在有效工作寿命期内允许发生随机失效的概率上限。可以用失效率等级、失效率预计值或失效率计算值、规定条件下稳态寿命或间歇寿命的期望来表征元器件及其组件的失效率要求。

 

失效率等级,是针对元器件失效率高低划分的等级。根据GB1772—79《电子元器件失效率试验方法》中的定义,元器件失效率等级共分为七级,由低至高依次为:亚五级,五级,…,十级,失效率单位为1/小时或1/10次,可以通过该标准的试验方法,对寿命符合指数分布的元器件产品进行失效率定级、等级维持和升级。

 

失效率预计,是指利用以往累积的现场使用失效数据,对寿命符合指数分布的元器件,预计其工作状态下的失效率。根据GJB/Z299C—2006《电子设备可靠性预计手册》,采用元器件应力分析可靠性预计法,对国产元器件的基本失效率或工作失效率进行预计,进口元器件则采用相关的预计手册。

 

失效率计算,是利用加速应力试验的失效数据,对寿命符合指数分布的半导体器件,计算器件FIT级失效率。根据JESD 85(2001),对半导体器件在单一失效机理、多失效机理状态下的失效率进行计算。

 

稳态寿命或间歇寿命,是指利用产品在1000小时或规定开关次数内、在最高允许壳温或环境温度下的额定功率试验数据。针对寿命符合指数分布的分立器件、HIC、MCM、微波组件、微电路模块、SiP/SoP等,测定某批次产品可靠性是否符合规定条件下的失效率(λ)要求,或者说测定某批次产品是否已处于失效率浴盆曲线的有效工作寿命期,而不具有早期失效的特征。根据GJB 33A—97《半导体分立器件总规范》、GJB 597B—2012《半导体集成电路通用规范》、GJB 2438A—2002《混合集成电路通用规范》、SJ 20527A—2003《微波组件通用规范》、SJ 20668—1998《微电路模块总规范》和GJB 922—90《电子管总规范》,开展规定条件下的稳态寿命、间歇寿命等试验。

 

(2)寿命要求。寿命是指产品在规定条件下,从开始使用到必须大修或报废的寿命单位数(工作时间、循环次数)。对元器件及其组件产品而言,寿命要求则是规定了产品在有效工作寿命期或储存期至少应达到的寿命,可以用平均寿命(MTTF或MTBF)、工作寿命和储存寿命的期望来表征元器件及其组件的寿命要求。

 

平均寿命,是指产品寿命这一随机变量的平均值,标志着一批产品平均能工作多长时间的量,对于不可修复的元器件而言,元器件平均寿命是失效前的平均时间,即平均失效前时间MTTF(Mean Time to Failure);对于可修复的微波组件、光电组件、真空电子器件产品而言,其平均寿命是平均失效间隔时间,记为MTBF(Mean Time Between Failure)。当元器件或组件产品寿命符合指数分布时,MTTF/MTBF表示可靠度R=0．368时的寿命,这时可以通过MTTF或MTBF获取其失效率,λ=1/MTTF或1/MTBF。根据GJB 899A—2009《可靠性鉴定和验收试验》,可以对微波组件、光电组件、真空电子器件进行试验获得MTBF。

 

工作寿命,在这里是指元器件和组件连续工作或发生性能退化而不再满足要求时的耗损寿命,是一种表征产品退化特性的寿命参数,与失效率浴盆曲线的有效工作寿命区(随机失效阶段)的宽度对应。元器件和组件的耗损寿命应大于配套整机的连续工作寿命,无论元器件和组件是稳态工作还是间歇(开关)工作,整机中最短耗损寿命(短板寿命)的元器件决定了整机的工作寿命。根据GB 2689．1～2689．4—81、JEP 122G(2011),可以对元器件和组件开展加速寿命试验和评估,获取耗损寿命参数。

 

储存寿命,是指产品在规定储存条件下能够满足规定要求的储存期限。元器件和组件的储存寿命应大于配套整机的储存寿命,目前行业对元器件和组件储存寿命的指标要求有5年、8年、13年和15年。根据GB 2689．1～2689．4—81和JEP 122G(2011),结合储存环境的温度、湿度及运输应力条件,可以对元器件和组件开展储存加速寿命试验和评估,获取储存寿命。储存期间元器件非工作状态的失效率预计,可以按照GJB/Z 108—98《电子设备非工作状态可靠性预计手册》进行。

 

2)温度、机械环境适应性要求

 

表4给出了与温度、机械相关的6类环境适应性要求,这些要求来自电子元器件、组件和模块产品通用规范的相关环境适应性考核要求。评价产品是否达到规定的适应性要求的试验方法,除前面列出的标准GJB 128A—97、GJB 360B、GJB 548B、GJB 616A外,还有标准GJB 150A—2009《军用装备实验室环境试验方法》、GB/T 2423《电工电子产品基本环境试验规程 方法系列》、GB/T 2424《电工电子产品基本环境试验规程 导则系列》。

 

表4 电子元器件、组件和模块环境适应性要求——温度/机械(标准和规范)

 

注:1)参照GJB 33A—97《半导体分立器件总规范》。1a)表3“A组检验”;1b)表7“E组检验”;表4b“B组检验”;1c)、1d)和1e)表5“C组检验”;1f)表4b“B组检验”。

 

2)参照各类电子元件总规范,如:GJB 63B—2001《有可靠性指标的固体电解质钽电容器总规范》、GJB 601A—98《热敏电阻器总规范》等。2a)GJB 63B—2001表11“稳定性试验温度”;2b)GJB 63B—2001 4．7．13．1 温度冲击;2c)GJB 63B—2001 4．7．11 高频振动;2d)GJB 63B 4．7．10 冲击(规定脉冲);

 

3)参照GJB 597B—2012《半导体集成电路通用规范》。3a)表B．2“A组电测试”;3b)、3c)、3d)、3e)和3f)表B．5“D组检验”。

 

4)参照GJB 2438A—2002《混合集成电路通用规范》。4a)表C．11“A组检验”;4b)、4c)、4e)和4f)表C．14“C组检验”;4d)需要时根据用户需求规定。

 

5)参照SJ 20527A—2003《微波组件通用规范》。5a)表2“A组检验”;5b)表3“C组检验”;5c)和5d)表3“C组检验”。

 

6)参照SJ 20786—2000《半导体光电组件总规范》。6a)表1、表4和表5;6b)、6c)和6d)表6“C组检验”。

 

7)参照SJ 20668—1998《微电路模块总规范》。7a)表2“鉴定检验”;7c)、7d)和7e)表4“C组试验”。

 

8)根据产品类别,选用相关标准要求,通常情况下,若SiP/SoP产品为气密封装,则参照GJB 2438A标准要求;若产品为灌封等非气密封装,则参照SJ 20668或SJ 20527A标准要求。

 

9)参照GJB 3312A—2011《微波电子管通用规范》。9a)表2“检验项目表 高温工作、低温工作”;9b)、9d)和9e)表2“检验项目表 温度循环、振动、机械冲击”;9c)参照产品详细规范要求。

 

(1)温度环境适应性要求。温度环境适应性是指产品在其寿命期预计可能遇到的各种温度环境下进行工作或储存,仍能实现预定功能、性能且不被破坏的能力,温度环境适应性要求则规定了产品应能耐受的温度应力水平。可以用高温/低温环境适应性、温度循环适应性、温度冲击适应性的期望来表征元器件及其组件的温度环境适应性要求。

 

高温/低温环境适应性,是指产品在最高、最低额定外壳温度或环境温度条件下工作,能够满足规定功能和性能的适应能力。极端高温/低温会使元器件和组件产品的结构和物理性能发生很大变化,导致产品损伤或发生性能变化,如:高温使有机材料快速老化、半导体器件PN结漏电流增加、绝缘材料性能下降,低温使有机材料丧失弹性或破裂、金属和塑料脆性开裂、气密封装器件内部水汽凝露发生参数超差或短路等。采用高温/低温试验,可以对元器件及其组件的高温/低温环境适应性进行考核,其最高温度和最低温度以产品详细规范中“工作条件-温度范围”规定的最低壳/环温度和最高壳/环温度为依据。

 

温度循环适应性,是指产品在极端高温和极端低温,以及极端高温与极端低温缓慢交替变化(ΔT/min≤20℃)条件下工作,能够满足规定功能和性能的适应能力。高温、低温及高低温缓慢交替变化应力的持续施加,会使元器件和组件产品材料界面的韧性材料发生疲劳和蠕变,导致局部导电性能和机械强度下降,如:使元器件焊点材料热疲劳导致开裂、使塑封器件水汽沿引脚框架渗入导致芯片腐蚀、使气密封装器件内部水汽凝结并蒸发导致芯片腐蚀加速等。采用温度循环试验,可以对元器件及其组件的温度循环适应性进行考核,其温循应力水平以标准或产品详细规范要求为准。

 

温度冲击适应性,是指产品经历温度剧变(ΔT/min≥20℃)后仍能保持结构完整性的能力。温度剧烈变化,会使元器件和组件内部在材料界面迅速形成强烈应力响应,可能导致产品快速产生裂纹和结构损伤,如:使硬焊料烧结的芯片破裂、使密封器件玻璃绝缘子开裂水汽渗入、使元件涂敷层脱落等。采用温度冲击试验,可以对元器件及其组件的温度冲击适应性进行考核,试验应力水平参考相关标准。

 

(2)机械环境适应性要求。机械环境适应性是指产品在其寿命期预计可能遇到的多种机械环境的作用下,仍能实现预定功能、性能且不被破坏的能力,机械环境适应性要求规定了产品应能适应的机械应力水平。可以用机械振动适应性、机械冲击适应性、恒定加速度(或稳态加速度)适应性的期望来表征元器件及其组件的机械环境适应性要求。

 

机械振动适应性,是指产品在经历机械振动后或在机械振动条件下工作,仍能保持结构完整或满足规定功能和性能的能力。机械振动会使产品结构产生裂纹损伤或振动疲劳破坏,如:继电器触点接触不良、PCB板上元器件引脚焊点振动疲劳脱开、气密性封装组件盖板焊缝开裂等。为模拟地面固定装置、船舶航行等引起的正弦振动,模拟火箭发射、喷气发动机和车辆行驶等引起的随机振动,标准给出了扫频振动和振动疲劳试验(10～2000Hz扫频或定频的正弦振动激励)以及随机振动试验(10～2000Hz同时在所有频率上进行激励),考核产品抗振能力和振动疲劳寿命。

 

机械冲击适应性,是指产品在经历机械冲击后,仍能保持结构完整的能力。机械冲击产生于产品装卸、车辆紧急制动和碰撞等过程,由于产品突然受力或运动状态发生突然变化,使元器件和组件产品结构瞬间变形并产生瞬态冲击响应,可能导致产品结构破损,如:气密封装盖板塌陷导致内引线变形损伤、HIC电路陶瓷基板开裂、高密度陶封电路内引线触碰短路等。采用机械冲击试验,可以对元器件及其组件的机械冲击适应性进行考核。

 

恒定加速度(或稳态加速度)适应性,是指产品在经历某种恒定加速度作用后,仍能保持结构完整的能力。恒定加速度产生于车辆、飞机和导弹的加速、减速、转弯等过程,由于产品不断受到恒定加速度的作用,使元器件或组件内部组装结构持续受到与加速度方向相反的应力作用,可能导致产品外壳、引线、封接等处损伤,导致电性能变坏,如:加速度过载使MEMS器件微硅质量块系统发生不可恢复的形变、电感或电容器量值变化、继电器误动作、组件内部表面贴装元件脱落等。一般采用离心方式的恒定加速度试验,对元器件和集成电路封装结构、模块电路组装结构的恒定加速度适应性进行考核。

 

3)湿热、盐雾、电磁、辐射、低气压环境适应性要求

 

表5列出了与湿热、盐雾、电磁、辐射、低气压5类环境的适应性要求,这些要求来自电子元器件、组件和模块产品通用规范的相关环境适应性考核要求,评价其是否达到规定的适应性要求的试验方法,除前面列出的标准GJB 128A—97、GJB 360B、GJB 548B、GJB 616A、GJB 150A、GB/T 2423和GB/T 2424外还依据标准GB/T 10125—2012《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》等。

 

表5 电子元器件、组件和模块环境适应性要求——湿热/盐雾/电磁/辐照/低气压(标准和规范)

 

 

注:1)参照GJB 33A—97《半导体分立器件总规范》。1a)表5“C组检验 耐湿”;1b)表5“C组检验 盐雾”;1c)“4．5．2．1 ESD等级鉴定”;1d)表1b“辐射强度保证等级和要求”;1e)表7“E组检验(仅对>200V器件)”。

 

2)参照各类电子元件总规范。如:GJB 63B—2001《有可靠性指标的固体电解质钽电容器总规范》,2a)表4“C组检验 耐湿”;2b)表4“C组检验 盐雾”。GJB 601A—98《热敏电阻器总规范》。

 

3)参照GJB 597B—2012《半导体集成电路通用规范》。3a)表B．5“D组检验 耐湿”;3b)表B．5“D组检验 盐雾”;3c)检测方法:IEC 61967,Ed．2∶Integrated circuits-Measurement of electromagnetic emissions-Part 3∶ Measurement of radiated emissions-Surface scan method．2013;3d)3．4．2．4 ESDS等级鉴定;3e)表2“RHA等级”。

 

4)参照GJB 2438A—2002《混合集成电路通用规范》。4a)表C．15“与封装有关的D组检验 耐湿”;4b)表C．15“与封装有关的D组检验 盐雾”;4c)3．8．5．7．3 ESDS识别标志;4d)表E．1“RHA等级”;4e)GJB1027A—2005《运载器、上面级和航天器试验要求》6．4．4组件鉴定热真空试验。

 

5)参照SJ 20527A—2003《微波组件通用规范》。5a)表3“C组检验 稳态湿热”;5b)表3“C组检验 盐雾”;5c)3．810．8．2 静电敏感标志;5d)6．1 预定用途 特殊要求在详细规范中规定;5e)表3“C组检验低气压”。

 

6)参照SJ 20786—2000《半导体光电组件总规范》。6a)表6“C组检验 稳态湿热”;6b)表6“C组检验盐雾”;6c)表6“C组检验 电磁兼容试验”;6d)表6“C组检验 静电放电敏感度试验”。

 

7)参照SJ 20668—1998《微电路模块总规范》。7a)表2“鉴定检验 稳态湿热”;7b)表2“鉴定检验 盐雾”。

 

8)根据产品类别,选用相关标准要求,通常情况下,若SiP/SoP产品为气密性封装,则参照GJB 2438A标准要求;若产品为灌封等非气密封装,则参照SJ 20668或SJ 20527A标准要求。

 

9)参照GJB 3312A—2011《微波电子管通用规范》。9a)、9b)和9c)表2“检验项目表 防潮、盐雾、低气压、热真空”。

 

(1)湿热环境适应性要求。湿热环境适应性是指产品在高湿、高热环境下工作或储存,仍能实现预定功能、性能且不被破坏的能力,湿热环境适应性要求规定了产品应能耐受的湿度/温度应力水平。一般用标准的稳态湿热试验、耐湿试验,分别模拟雨季高温不通风场合(地下室或坑道)的高温高湿环境、热带和亚热带日夜间的循环高温高湿环境,对元器件及其组件的湿热环境适应性进行考核。

 

稳态湿热试验,是使产品连续暴露在高温高湿(90%～95%RH/40℃)条件下,促使材料吸潮后膨胀,性能变坏,引起绝缘材料性能下降,甚至可能引起金属材料表面严重腐蚀,引脚断裂。产品受潮机理以水汽吸附、吸收和扩散为主。

 

耐湿试验,是使产品暴露在高湿和温度循环(80%～100%RH/25～65℃)条件下,反复经受高湿和温度循环的共同作用,引起材料表面凝露和腐蚀、绝缘材料性能下降,同时凝露水汽所引起的应力将会造成材料裂缝加宽。产品受潮机理以表面凝露、蒸发的“呼吸”过程为主,而“呼吸”作用会加速材料的腐蚀。

 

(2)盐雾环境适应性要求。盐雾环境适应性是指产品在含有很多盐分的大气环境下工作或储存,外部封装材料仍能保持规定的电性能、机械性能和外观要求的能力,盐雾环境适应性要求规定了产品应能耐受的盐雾应力水平。一般用标准的盐雾试验,模拟海洋气候环境,考核元器件及其组件封装材料和外引脚材料的盐雾适应性。

 

盐雾试验,是使产品暴露在盐雾沉积率为(20～50)g/m2·d的条件下,使产品封装镀涂层表面发生锈蚀,降低元器件及其组件的封装可靠性。

 

(3)电磁环境适应性要求。电磁环境适应性包括产品的电磁兼容(EMC)性、电磁干扰(EMI)性以及抗静电损伤(ESD)能力,电磁环境适应性要求规定了产品应能满足的电磁发射、电磁干扰应力水平,以及应能耐受的静电放电电压水平。一般采用IEC 61967或GB/T 17626标准方法对集成电路、光电组件、微波组件等微组装产品进行EMC和EMI测试,采用GJB 1649或GB/T 17626标准方法的人体静电放电模型对分立器件、集成电路、混合集成电路、微波组件等微组装产品进行抗ESD水平测试。

 

(4)辐射环境适应性要求。辐射环境适应性即抗辐射能力,包括:电离辐射(总剂量)、中子辐射,辐射环境适应性要求规定了产品能抵抗辐射应力的水平。空间辐射环境中的γ射线、X射线、高能电子流、快中子流、α射线和β射线都能引起材料的电离,即发生电离辐射效应,在半导体器件中引起瞬时光电流、寄生漏电流、表面效应和化学效应,可能导致器件性能退化和失效;空间辐射环境中的中子、电子和γ射线均能在半导体材料中造成位移损伤,即位移辐射效应,其中以中子辐射影响最大[40]。一般采用GJB 128A—97标准中的“方法1019稳态总剂量辐照程序”和GJB 548B—2005标准中的“方法1017中子辐射试验程序”“方法1019．2电离辐射(总剂量)试验程序”“方法1020．1剂量率感应锁定试验程序”“方法1021．1数字微电路的剂量翻转试验”“方法1023．1线性微电离的剂量率响应和翻转阈值”,对微电子器件产品进行抗辐射能力检测。

 

(5)低气压/真空环境适应性要求。低气压/真空环境适应性是指产品在空气稀薄环境或真空环境下工作或储存,仍能实现预定功能、性能的能力。低气压/真空环境适应性要求规定了产品所能适应的低气压/真空应力水平。一般用标准的低气压试验和热真空试验,分别模拟高原和高山地带的对流层环境和航天器在空间的真空环境,对元器件及其组件的低气压/真空环境适应性进行考核。

 

低气压试验,是使产品暴露在低气压((0．15～0．32)×10-6kPa)条件下,使得产品通过空气对流换热的效率降低,导致升温;使气密封装产品产生由内部指向外部的压力,发生封装结构变形和泄漏;使产品的空气绝缘性能下降,产生局部火花或微放电问题。一般用GJB 360B标准“方法105低气压试验”和GJB 616A标准“方法1002A低气压试验”,对电子电气元件、微波组件和微波真空器件的低气压环境适应性进行检测。

 

热真空试验,是使航天用电子组件产品处于真空(6．65×10-3Pa)和热循环(-35～70℃)条件,使得产品散热能力急剧下降,导致产品内部温度大幅上升;同时伴随温度循环过程,使得产品在不同材料界面处产生热失配,特别是气密封装产品外引脚的玻璃绝缘子,易因此发生破裂。一般用GJB 1027A标准“6．4．4飞行器鉴定热真空试验”或GJB 3758标准“5．1外热流模拟”“5．2温度模拟”,对航天用电子组件产品的热真空适应性进行检测。

 

3．微组装可靠性与载荷应力的关系

 

由图1可知,电子微组装包括芯片级互连、1级封装和2级封装,对于每个微组装部位(分别指互连结构、封装结构和内装元器件)而言,其可靠性与产品中该部位实际承受的载荷应力及载荷时间有关,如果用可靠度来度量某个微组装部位的可靠性,则该部位的可靠度Ri是其载荷应力Fr和载荷时间t的函数;而载荷应力Fr作为产品微组装部位对外部环境应力F的真实响应,其大小与环境应力F、微组装结构参数S、微组装材料参数M、内装元器件规格参数P有关,则微组装载荷应力Fr是F、S、M、P的函数,Ri是F、S、M、P的函数。

 

若产品中有n个微组装部位,则第j(j=1～n)个微组装部位的可靠度Rj是其局部载荷应力Fr,j和载荷时间tj的函数,即

 

 

而第j个微组装部位的局部载荷应力Fr,j是F、Sj、Mj、Pj的函数,即

 

 

则,第j个微组装部位的可靠度Rj是F、Sj、Mj、Pj的复合函数,即

 

 

式中,Tj是产品的寿命;Rj(t)是第j个微组装的可靠度;Fr,j是第j个微组装的直接载荷应力(即响应应力,如半导体器件芯片PN结温TJ、内引线键合谐振频率fV和模态振型X-Y/Y-Z/Z-X、芯片焊料温变载荷ΔT、腔内水汽含量X%H2O等);tj是第j个微组装载荷应力时间;fj是第j个微组装Rj(t)与Fr,j的函数关系;F是产品外部环境应力;Sj是第j个微组装部位的结构几何参数;Mj是第j个微组装部位的材料参数;Pj是第j个微组装部位内装元器件的规格参数;gj是第j个微组装部位的Fr,j与微组装设计参数F、Sj、Mj、Pj的函数关系。

 

如果建立了微组装产品的可靠性数学模型R(t),如最常用的串联模型,可靠度

 

 

这里Rj(t)是把产品中每个互连结构、封装结构和内装元器件分别视为一个独立微组装单元,共计n个独立微组装单元,则微组装产品的可靠度R(t)可以表示为

 

 

实际上,环境应力F对微组装可靠性的影响与局部载荷应力Fr,j的类别及应力大小相关,如果按应力类别考虑局部载荷应力,如温度载荷应力Fr1、机械载荷应力Fr2、潮湿载荷应力Fr3、…、m类载荷应力Frm,以及局部多应力耦合载荷应力Fr(1∩m),可以更准确地把握微组装可靠性设计的物理切入点。为清晰表示这些局部载荷应力,参照式(1-3),给出影响产品第j个微组装可靠性的(m+1)类载荷应力矩阵[Fr(i,j)]m+1,j(m类应力、1∩m耦合应力),即

 

 

影响产品n个微组装可靠性的载荷应力矩阵[Fr(i,j)](m+1)×n为

 

 

式中,包含n个微组装的产品,有(m+1)×n个载荷应力元素Fri,j(应力类别i=1,2,…,m,1∩m;微组装部位j=1,2,…,n);Fr1,j是第j个微组装部位的温度载荷应力,包括恒定温度T、温度变化 ΔT、温度梯度?T、温度变化率?T/?t等;Fr2,j是第j个微组装部位的机械载荷应力,包括谐振频率fj和振型(X-Y/Y-Z/Z-X)、机械冲击力FS、离心力Fa等;Fr3,j是第j个微组装部位的潮湿载荷应力,包括相对湿度%RH、水汽压e、腔内水汽含量X%H2O、…;Fr4,j是第j个微组装部位的电磁场/静电载荷应力,包括电场E、磁场H、静电放电ESD等;Fr5,j是第j个微组装部位的盐雾载荷应力,包括局部盐雾沉积率SF、温度T等;Fr6,j是第j个微组装部位的辐射载荷应力,包括封装内局部电离辐射(总剂量)Cy、中子辐射Cn等;Fr7,j是第j个微组装部位的低气压载荷应力,包括局部低气压或真空度PV等;Fr8,j是第j个微组装部位的电载荷应力,包括电流I、电压V、功耗PD、阻性/感性/容性负载R/RL/RC等;Frm,j是第j个微组装部位的第m类其他载荷应力;Fr(1∩m),j是第j个微组装部位的多应力耦合(1∩2∩…∩m)载荷应力,包括不同类应力的耦合(如:金属腐蚀中的“湿度∩温度”耦合,焊料低周/高周疲劳的“温循∩振动”耦合)和同类应力的耦合(如:MCM内部多热源之间的热耦合)。

 

所以,元器件、组件和模块产品的微组装可靠性是其局部实际载荷应力的函数,而式(1-10)是产品微组装可靠性设计需要考虑与控制的各类载荷应力,通过建立式(1-4)的可靠度Rj(t)与载荷应力Fr,j之间的函数关系,建立式(1-5)中的载荷应力Fr,j与F、Sj、Mj、Pj的函数关系,并求解式(1-10)中各类局部载荷应力的阈值Sri,j(Fri,j的最大允许值或最小允许值),则可算出针对载荷应力阈值控制的F、Sj、Mj、Pj等关键设计参数。研究表明,微电子产品局部(j=k)单一退化型失效机理的应力阈值,可以在

 

 

条件下,基于tj≥ML的要求进行计算(tj是针对失效机理模型预测的失效时间,ML是器件要求的工作寿命)。

 

实际工程应用中,可以参考现行标准给出的微电子产品可靠性与载荷应力关系的典型数学模型Rj(t)=fj(Fr,j,tj),以及载荷应力与产品性能参数之间的典型数学模型Fr,j=gj(F,Sj,Mj,Pj),或者通过可靠性试验、有限元仿真等手段,建立微组装载荷应力与产品结构之间的关系模型,提取每个部位微组装载荷应力Fri,j以及与Fri,j相关的环境应力、结构材料及内装元器件规格参数,获得满足可靠性指标的设计和使用控制参数:F、Sj、Mj、Pj。这种以微组装载荷应力控制的设计策略,正是电子微组装可靠性设计的核心思想。

 

例如,混合集成电路(HIC)失效率控制的设计,产品失效率按指数分布考虑,其失效率是温度的函数,

 

 

元器件基本失效率与其工作温度的函数关系,采用GJB 299中的数学模型:半导体器件

 

 

 

电阻器

 

 

电容器

 

 

感性元件

 

 

等。根据以上函数关系可以算出满足失效率指标要求的所有内装元器件的工作温度上限TJ(器件PN结结温或元件热点温度),采用热阻模型TJ=RJ-C·PD+TC,计算与TJ相关的设计参数和使用控制参数:热阻Rj、元器件功耗Pj、壳温TC,从结构、材料、元器件选择等方面提出最优设计方案。如果考虑HIC耗损寿命控制设计,则采用由Arrhenius模型导出的寿命模型

 

 

4．电子微组装可靠性要求

 

在产品设计阶段,电子微组装可靠性要求是指微组装可靠性设计要求。微组装可靠性设计的目的,是消除影响产品可靠性的主要失效模式并控制性能退化速率,使产品设计达到预期可靠性与环境适应性要求。

 

微组装失效模式和退化机理,与微组装的载荷应力类别和水平有关。相关标准和专著,在对微组装失效模式、失效机理及其数理模型的研究和应用中,重点关注温度应力、机械应力和潮湿应力的影响,如长期稳态温度应力可导致微电子器件性能退化、长期温变应力可导致表贴(表面贴装)焊点低周疲劳开裂、振动应力可导致GBA焊点高周疲劳、水汽渗入可导致内装芯片腐蚀等。

 

1)温度载荷应力下电子微组装可靠性要求

 

温度载荷应力,包括稳态温度应力和变化温度应力,不同类型的温度应力及应力水平,对电子微组装带来不同的退化机制和失效机理。表6为温度载荷应力下电子微组装可靠性要求(可靠性设计指标),表7给出了电子微组装热降额设计指标要求。

 

表6 温度载荷应力下电子微组装可靠性要求(可靠性设计指标)

 

 

注:1)表中温度退化的第j个失效机理的耗损寿命模型tj(T)、基于温变疲劳的第j个失效机理的耗损寿命Nj(ΔT)

 

2)λ是微组装组件失效率指标,t是微组装组件耗损寿命指标;

 

3)降额等级控制,具体要求见GJB/Z 35—93《元器件降额准则》“附录G元器件降额准则一览表”;4)依据元器件产品详细规范或数据手册;

 

5)参考JEP 149(2004)Application Thermal Derating Methodologies;

 

6)参考IPC-SM-785(1992)Guidelines for Accelaerated Reliability Testing of Surface Mount Solder Attachments,Nj(ΔT)为热疲劳寿命,Δα为CET差异、ε′f为疲劳韧性系数、h为焊料厚度。

 

表7 电子微组装热降额设计指标要求

 

2)机械载荷应力下电子微组装可靠性要求

 

机械载荷应力,包括:机械振动、机械冲击、恒定加速度,不同类型的机械应力及应力水平,对电子微组装带来不同的退化机制和失效机理。表1-8为机械载荷应力下电子微组装可靠性要求(可靠性设计指标)。

 

表8 机械载荷应力下电子微组装可靠性要求(可靠性设计指标)

 

注:1)表中振动疲劳寿命模型Nj(fV)

 

2)Nj(fV)为振动导致的第j个微组装结构高周疲劳;

 

3)Pj为第j个微组装结构强度,Fj为第j个微组装结构承受的机械冲击力或离心力。

 

3)潮湿载荷应力下电子微组装可靠性要求

 

潮湿载荷应力,一般通过与其他应力耦合产生作用,从可靠性设计的角度,潮湿载荷应力包括:湿度、湿度-温度、湿度-温度-偏压,不同类型的潮湿应力及应力水平,会给电子微组装带来不同的退化机制和失效机理。表9所示为潮湿载荷应力下电子微组装可靠性要求(可靠性设计指标)。

 

表9 潮湿载荷应力下电子微组装可靠性要求(可靠性设计指标)

 

注:1)表中露点温度模型Td(X)、水汽腐蚀寿命模型tc(RH%,T)、水汽渗入时间模型ti(Pin,Pout)、表面绝缘电阻温湿度退化模型IR(RH,T)、CAF极限湿度条件模型;

 

2)参考GJB 548B—2005《微电子器件试验方法和程序》,X%H2O为气密封装器件内部水汽含量,L为细检漏等效表中漏率,Td为露点温度,Tmin为产品最低工作温度;

 

3)参考GB/T 2423．3—2006《电工电子产品环境试验》第2部分 试验方法 试验Cab:恒定湿热试验;

 

4)参考JEP 122G(2011)Failure Mechanisms and Models for Semiconductor Devices;

 

5)参考GJB 548B—2005《微电子器件试验方法和程序》方法1031 薄膜腐蚀试验。

 

简介

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