论文部分内容阅读
摘要：本文重点研究了塑封半导体分立器件的失效模式、筛选考核和试验方法，其基于实际的生产任务和器件特征，提出塑封器件质量保证流程，是对传统金封半导体分立器件应用的扩充。
关键词：塑封半导体分立器件 失效模式 筛选 考核试验
1 引言
塑封性半导体分立器件（以下简称塑封器件）由于供货周期短、价格低、性能先进、重量轻、体积小等优点，其广泛运用于充电器、数码、电源、汽车等领域。虽然塑封器件应用于多种领域，但是由于商用航天等领域对产品的可靠性要求高，塑封器件的可靠性考核显得尤为重要。
塑封器件广泛应用于要求严苛的汽车电子领域，国际上商业航天项目上也采用了塑封器件，常被称为商用货架产品。NASA在2003年发布了由GSFC制定的《塑封微电路选择、筛选和鉴定指南》，其全面阐述了包括商业塑封器件在内的器件，在航天应用时必须进行的质量保证要求、防静电和湿度控制要求等。欧空局（ESA）早在20世纪80年代就独立开展了商业器件在空间领域的应用研究，并在部分项目上进行了验证。
2 失效模式
塑封器件失效同样遵循浴盆曲线。早期失效是由设计和工艺造成的质量缺陷所导致的，可以通过电性能检测和筛选来辨别。我公司某个月24批塑封产品出现早期失效，除了框架变形、混批、打标错误等原因，其中有11批通过电性能测试得出失效的主要原因是电参数失效，图1是参数失效分布图。
以公司生产的塑封高可靠性半导体分立器件WVM100N6S28为例，采用塑封PG-TDSON-8封装。500只WVM100N6S28器件经过筛选淘汰38只。在筛选中采用了与金属封装一致的考核条件，删减了塑封器件不适用的密封、PIND、冲击、恒定加速度。值得一提的是高温寿命、温度循环、高温反偏、功率老炼等项目中的工作温度都与金属封装的条件一致，并且增加了超声扫描。
退化失效是由器件的潜在缺陷引起的，潜在缺陷与时间和应力有关。塑封器件的考核主要考虑与时间和应力的关系。塑封器件结构是用塑料把框架、管芯和键合引线包封起来为管芯提供保护。包封采用环氧树脂为基础，以酚醛树脂为固化剂，再添加了填充剂、阻燃剂等成分，在热和固化剂的作用下，使之成为热固性塑料。这种热固性塑料具有较高的吸潮性，是一种非气密性封装。塑封器件用于高可靠领域，重点考察以下失效模式。
2.1温度范围
塑封器件工作范围较窄，商用级在0℃～+70℃、工业级在-40℃～+85℃，通常不能达到-55℃～125℃（甚至更高达到150℃）的高可靠性半导体分立器件的工作范围。Space X公司根据相关报告或数据评价塑封器件的温度是否满足使用环境的温度要求，如按照美国太空司令部AFSPC Manua191-710中给出的测量验证数据，确定发射阶段火箭舱内的实际环境温度为-37℃～+71℃，因此选择工作温度在-40℃～+85℃的工业级商业塑封器件是可行的。
2.2 纯锡
塑封器件生产时考虑到环保的无铅要求，引线镀层一般采用纯锡，但是纯锡在低重力或失重条件下，容易生长锡须，虽然生长非常缓慢，但是也不能排除产生的短路风险。另外纯锡在低温下（低于-13℃）原子间的空间变大，形成结晶态的锡疫，可导致半导体分立器件引线及焊点的破坏。所以目前塑封器件引线涂覆要求必须含有至少3%的铅。NASA的元器件政策文件NPD 8730.2规定，如果能够按照GEIA-STD—0005-2中C2等级进行风险控制，提供2种以上缓解锡须、锡疫问题的措施及相关证明材料，也可以选用纯锡材料引线的塑封器件。
2.3吸潮
塑封材料的吸潮性严重影响了塑封器件的可靠性，主要表现在焊装过程中的“爆米花效应”以及内部湿气引起的键合焊点电偶腐蚀。“爆米花效应”是由于塑封器件内部水分加热，气体体积快速膨胀引起的，会导致塑封器件内部分层、封装基体破裂、键合点破坏等失效。同时，空气中的水汽结合封装内部的游离离子杂质，还会导致键合系统发生腐蚀。Space X公司严格按照行业标准J-STD-033的要求，对塑封器件进行MSL（潮湿敏感度评价），确保产品满足要求。西安卫光科技有限公司严格按照国军标《塑封集成电路的潮湿敏感度分级试验方法》，确保产品满足要求。
3 考核试验
塑封器件虽然有很多优点，但是由于其自身的吸潮性等缺点，国内塑封器件用于航天等高可靠领域尚未可行，目前只用于商用用途。塑封器件的可靠性考核就显得尤其重要。Space X公司基于商业航天的应用背景，制定了商业塑封器件质量保证的试验流程，在试验项目上采取了剪裁和针对性设计：器件级只进行100%筛选试验，并重点把单型号器件进行电装后纳入到筛选试验中，如板级温度循环、板级老练等项目，通过后再进行多品种器件的板级试验。从试验流程和方法上来看，Space X公司采用了器件级和板级试验相结合的“批筛选试验+单板考核试验”的质量保证模式，由试验结果决定是否接收，逐步淡化对制造商的资质和生产过程的控制要求。这样做的优点非常明显，就是可以按照常规的商业模式进行器件采购，只要满足质量要求的元器件都可以使用，不必局限在宇航和军用认证的优选元器件目录内进行。
Space X公司的成功经验并不适合国内，西安卫光科技有限公司参考了GJB 33A-97《半导体分立器件总规范》，对于塑封器件质量保证措施主要包括筛选试验和考核试验2个方面，在试验项目上采取了剪裁并针对塑封产品的特性进行了设计。由于塑封器件内部无空腔，密封、冲击、PIND、恒定加速度等试验不适用，增加了超声检测、高压蒸煮、稳态湿热（强加速稳态湿热）、内部易燃性、外部易燃性等试验。并制定了塑封器件质量保证流程，如图2所示，最终试验合格的塑封产品交付使用。
结束语
美国Space X公司已经形成了一套有别于NASA的质量保证方法。我公司借鉴参考了Space X公司的成功经验和我公司现状，再结合用户的实际运用的环境和需求，针对已知的的可靠性隐患采取相应的缓解措施，从而设计出适合塑封器件的考核试验，保证了塑封器件在商业航天等任务应用中的可靠性。
参考文献
[1]張大宇，宁永成，王熙庆等.商业航天领域商业塑封器件质量保证方法研究.2016年航天元器件专题论坛.2016年11月。
[2] Space X公司的商用塑封器件质量保证方法及流程。2019年8月。
关键词：塑封半导体分立器件 失效模式 筛选 考核试验
1 引言
塑封性半导体分立器件（以下简称塑封器件）由于供货周期短、价格低、性能先进、重量轻、体积小等优点，其广泛运用于充电器、数码、电源、汽车等领域。虽然塑封器件应用于多种领域，但是由于商用航天等领域对产品的可靠性要求高，塑封器件的可靠性考核显得尤为重要。
塑封器件广泛应用于要求严苛的汽车电子领域，国际上商业航天项目上也采用了塑封器件，常被称为商用货架产品。NASA在2003年发布了由GSFC制定的《塑封微电路选择、筛选和鉴定指南》，其全面阐述了包括商业塑封器件在内的器件，在航天应用时必须进行的质量保证要求、防静电和湿度控制要求等。欧空局（ESA）早在20世纪80年代就独立开展了商业器件在空间领域的应用研究，并在部分项目上进行了验证。
2 失效模式
塑封器件失效同样遵循浴盆曲线。早期失效是由设计和工艺造成的质量缺陷所导致的，可以通过电性能检测和筛选来辨别。我公司某个月24批塑封产品出现早期失效，除了框架变形、混批、打标错误等原因，其中有11批通过电性能测试得出失效的主要原因是电参数失效，图1是参数失效分布图。
以公司生产的塑封高可靠性半导体分立器件WVM100N6S28为例，采用塑封PG-TDSON-8封装。500只WVM100N6S28器件经过筛选淘汰38只。在筛选中采用了与金属封装一致的考核条件，删减了塑封器件不适用的密封、PIND、冲击、恒定加速度。值得一提的是高温寿命、温度循环、高温反偏、功率老炼等项目中的工作温度都与金属封装的条件一致，并且增加了超声扫描。
退化失效是由器件的潜在缺陷引起的，潜在缺陷与时间和应力有关。塑封器件的考核主要考虑与时间和应力的关系。塑封器件结构是用塑料把框架、管芯和键合引线包封起来为管芯提供保护。包封采用环氧树脂为基础，以酚醛树脂为固化剂，再添加了填充剂、阻燃剂等成分，在热和固化剂的作用下，使之成为热固性塑料。这种热固性塑料具有较高的吸潮性，是一种非气密性封装。塑封器件用于高可靠领域，重点考察以下失效模式。
2.1温度范围
塑封器件工作范围较窄，商用级在0℃～+70℃、工业级在-40℃～+85℃，通常不能达到-55℃～125℃（甚至更高达到150℃）的高可靠性半导体分立器件的工作范围。Space X公司根据相关报告或数据评价塑封器件的温度是否满足使用环境的温度要求，如按照美国太空司令部AFSPC Manua191-710中给出的测量验证数据，确定发射阶段火箭舱内的实际环境温度为-37℃～+71℃，因此选择工作温度在-40℃～+85℃的工业级商业塑封器件是可行的。
2.2 纯锡
塑封器件生产时考虑到环保的无铅要求，引线镀层一般采用纯锡，但是纯锡在低重力或失重条件下，容易生长锡须，虽然生长非常缓慢，但是也不能排除产生的短路风险。另外纯锡在低温下（低于-13℃）原子间的空间变大，形成结晶态的锡疫，可导致半导体分立器件引线及焊点的破坏。所以目前塑封器件引线涂覆要求必须含有至少3%的铅。NASA的元器件政策文件NPD 8730.2规定，如果能够按照GEIA-STD—0005-2中C2等级进行风险控制，提供2种以上缓解锡须、锡疫问题的措施及相关证明材料，也可以选用纯锡材料引线的塑封器件。
2.3吸潮
塑封材料的吸潮性严重影响了塑封器件的可靠性，主要表现在焊装过程中的“爆米花效应”以及内部湿气引起的键合焊点电偶腐蚀。“爆米花效应”是由于塑封器件内部水分加热，气体体积快速膨胀引起的，会导致塑封器件内部分层、封装基体破裂、键合点破坏等失效。同时，空气中的水汽结合封装内部的游离离子杂质，还会导致键合系统发生腐蚀。Space X公司严格按照行业标准J-STD-033的要求，对塑封器件进行MSL（潮湿敏感度评价），确保产品满足要求。西安卫光科技有限公司严格按照国军标《塑封集成电路的潮湿敏感度分级试验方法》，确保产品满足要求。
3 考核试验
塑封器件虽然有很多优点，但是由于其自身的吸潮性等缺点，国内塑封器件用于航天等高可靠领域尚未可行，目前只用于商用用途。塑封器件的可靠性考核就显得尤其重要。Space X公司基于商业航天的应用背景，制定了商业塑封器件质量保证的试验流程，在试验项目上采取了剪裁和针对性设计：器件级只进行100%筛选试验，并重点把单型号器件进行电装后纳入到筛选试验中，如板级温度循环、板级老练等项目，通过后再进行多品种器件的板级试验。从试验流程和方法上来看，Space X公司采用了器件级和板级试验相结合的“批筛选试验+单板考核试验”的质量保证模式，由试验结果决定是否接收，逐步淡化对制造商的资质和生产过程的控制要求。这样做的优点非常明显，就是可以按照常规的商业模式进行器件采购，只要满足质量要求的元器件都可以使用，不必局限在宇航和军用认证的优选元器件目录内进行。
Space X公司的成功经验并不适合国内，西安卫光科技有限公司参考了GJB 33A-97《半导体分立器件总规范》，对于塑封器件质量保证措施主要包括筛选试验和考核试验2个方面，在试验项目上采取了剪裁并针对塑封产品的特性进行了设计。由于塑封器件内部无空腔，密封、冲击、PIND、恒定加速度等试验不适用，增加了超声检测、高压蒸煮、稳态湿热（强加速稳态湿热）、内部易燃性、外部易燃性等试验。并制定了塑封器件质量保证流程，如图2所示，最终试验合格的塑封产品交付使用。
结束语
美国Space X公司已经形成了一套有别于NASA的质量保证方法。我公司借鉴参考了Space X公司的成功经验和我公司现状，再结合用户的实际运用的环境和需求，针对已知的的可靠性隐患采取相应的缓解措施，从而设计出适合塑封器件的考核试验，保证了塑封器件在商业航天等任务应用中的可靠性。
参考文献
[1]張大宇，宁永成，王熙庆等.商业航天领域商业塑封器件质量保证方法研究.2016年航天元器件专题论坛.2016年11月。
[2] Space X公司的商用塑封器件质量保证方法及流程。2019年8月。