封装形式对电子元器件长期储存可靠性研究

张 倩



封装形式对电子元器件长期储存可靠性研究

张 倩

（工业和信息化部电子科学技术情报研究所，北京 100040）

长期储存是解决军用电子元器件停产断档问题的常用和重要方法之一。本文首先分析了长期储存中电子元器件的失效原因，包括静电、潮湿、温度、污染和震动，然后研究了对封装材料和环境的通用要求以及各封装形式对长期储存的特殊要求，最后比较了每种储存形式的实际寿命和优缺点。证实只要方法得当，每种储存形式均可实现大于15年以上的长期有效储存。

气密封装；塑料封装；裸芯片；长期储存；电子元器件；可靠性

随着冷战后军费开支大幅压缩，军用电子元器件所占市场份额从1970年代的17%迅速缩小至1990年代的不足1%。美国国防部从20世纪90年代起开始实施“商用现货”（COTS）政策，即通过商业采购渠道购买市场上已有产品来满足军方需求。目前，美军武器装备所用电子元器件的96%以上为商用现货[1]。然而，商用现货的快速更新换代与军用装备长达数十年服役周期之间的供需矛盾，常导致大量使用商用现货的军用装备在试样或服役初期就面临无电子元器件备用的难题。例如，F-35战机的研发从2001年开始至今已超过16年的时间，仍未投入使用，而微电子器件的特征尺寸早已从2001年的0.13 μm发展到现阶段的10 nm，历经8代变迁。由于装备一旦定型后所用元器件非极端特殊条件不可随意改动，装备生产商为保证装备研制和服役后维修维护的顺利进行常采取的一种做法是，在所需器件最后一次购买（Last Time Buy，LTB）时大量买进并进行数年至数十年的长期储存[2]。然而，随着新政策的出台和技术的发展，长期储存的难度不断加大。例如，2006年生效的《危险品限制指令》（RoHS)因要求商用产品无铅化而带来了长期储存中的锡须问题；特征尺寸的微缩和整体封装体积的减小，降低了器件的可靠性和对环境的耐受能力[3]。我国在某种程度上也存在相似的问题。因此，为保证长期储存的有效性，本文对影响电子元器件长期储存可靠性的因素包括静电、潮湿、温度、污染和震动等以及应对措施进行了研究。

1 长期储存可靠性的影响因素

电子元器件的长期储存（Long Term Storage，LTS）是指以非加电状态持续保存一段相当长的时间。具体保存时长依据使用环境而不同，在商用领域一般要求超过12个月，而在军事和航空航天领域一般要求超过5年，但在实际使用中，军事领域用电子元器件的长期储存常需达到20年甚至更长[4]。

军用电子元器件的封装形式主要有气密封装（Hermetic Packages）、塑料封装（Plastic Encapsulated Microcircuits，PEM）和不封装的裸芯片三种，如图1所示。气密封装包括陶瓷封装和金属封装，是传统军用电子元器件的标准封装形式。塑料封装是绝大多数商用现货采用的标准封形式。裸芯片包括晶圆（wafer）和晶粒（die）。裸芯片原是电子元器件的组成部分和制造环节之一，但随着模块电路的发展也变成电子元器件的一种供货形式。

图1 军事领域用电子元器件封装形式划分

电子元器件在长期储存期间发生的性能退化主要由不适宜的储存环境和不当的人为操作等原因造成。环境因素包括静电、温度、湿度、污染物、氧气、太阳光或紫外光源等；人为操作包括摆放、震动、冲击等；其他因素包括封装和包装的寿命和特性等。主要影响因素分析如下。

（1）静电：可导致器件PN结损坏、氧化、击穿和其他敏感参数效应，特别是容易对CMOS电路造成损伤。

（2）湿度：如果湿度过高，湿气将加速芯片表面金属通路、焊盘、引线和管腿的腐蚀，导致开路、焊盘鼓起或变色、键合损伤等问题。由于塑料的亲水性，湿气还将导致塑封件表面在加热过程中出现鼓包或“爆米花”现象。如果湿度过低，空气过于干燥，则容易产生静电。

（3）温度：如果温度过高，芯片易出现腐蚀、材料分解、卷边、金属层应力孔洞等现象，非易失性储存器件还可能丢失所存数据[5]。如果温度变化过快，容易引起湿气在芯片表面的凝结。

（4）污染物：吸附到芯片表面后可能引起键合不牢（Non-Stick-on-Pad，NSOP）、断路和与相邻金属区短路等问题。另外，污染物中常含有氟和溴，吸收空气中的水分后液化加剧腐蚀。

气密封装、塑料封装和裸芯片对上述性能影响因素的抵抗力依次减弱。气密封装的密封性好、机械硬度大，可有效阻止湿气入侵和撞击伤害。塑料封装除亲水性和锡须问题外，还因材料种类众多，为长期储存埋下隐患。日本Sumitomo公司曾为适应环保要求而在焊料成分中加入了红磷，结果却导致元器件在长期储存的过程中失效率大幅上升，造成巨大损失[6]。裸芯片直接暴露于外部环境，最易受影响。

对于各种不同的电子元器件，包括金属氧化物半导体和双极性器件、电容和压膜陶瓷、振荡器和晶振、微电路和混合电路、单片集成器件等，在长期储存过程中会出现不同的问题，具体表现、原因、检验方法和应对建议如表1所示[7]。

2 通用储存步骤和要求

在决定对某个元器件进行长期储存后，从该元器件的采购起就应给予特别注意，包括制定储存计划、评估供应源、入场检验、建立储存日志、检查包装材料和控制储存环境六步骤，每一个步骤都有明确的要求。

（1）根据稀缺程度对电子元器件器件归类并制定相应储存计划。对于功能简单、环境适应力强、供应渠道丰富、容易替换的电子元器件，不需要采取特殊的措施；对于价值高、不可替换、即将或已经停产的器件，应制定谨慎、周密的储存计划。具体需要关注的点包括：产品等级（商业、工业、各种军用、航空）、封装类型和管脚材料、停产断档信息以及其他器件采购经验。

（2）要求供应商诚实可信并提供与产品相关的详细信息。在购买前应要求供应商提供元器件生产批号、生产日期、生产厂商出具的出厂证明等信息；说明能追溯回生产厂商的产品流转路径、发货前产品的包装方式、储存环境和时间；以原厂包装方式发货，不得混装不同生产日期或批号的产品、翻新或改变封装，更改或涂抹产品标签等。

（3）在储存前的入场检验中鉴别真伪和检验质量。对贵重且稀缺的元器件，必须鉴别真伪；对管脚数多且易受损伤的封装类型，如塑封球栅阵列（PBGA），要检查是否出现划伤、撞击等机械损伤[8]。带有机械损伤的器件虽不直接影响性能，但不适于长期储存。

表1 长期储存对各类电子元器件造成的影响和应对措施

Tab.1 LTS’s impact to various kinds of components and solutions

（4）建立全过程储存数据日志。元器件到货时即建立数据日志，包括产品基本信息、到货前的流转路径和储存状态、到货检验情况等；长期储存过程中，应以生产批号、生产日期和最小包装为单位对每天的储存环境、定期检查结果等常规内容，以及如停电停气、位置改变等非常规事件进行记录等。数据日志是器件状态确认、失效分析的重要依据。

（5）确保包装用品符合标准。电子元器件在储存过程中常用到的包装用品有防静电纸、晶圆盒、晶粒盒（Waffle Pack），包装卷（Reel）、防潮袋（Moisture Barrier Bag，MBB）、干燥剂、湿度指示卡（Humidity Indicator Card，HIC）、干燥箱以及干燥柜等。包装用材料不应随时间老化而释放多余物质，要能满足静电防护要求。具体要求见表2所列的多个标准。

防潮袋和干燥柜是最重要的两道保护屏障，使用中需注意以下事项。使用防潮袋时，首先检查防潮袋的密封性，然后放入元器件并充入干燥的氮气或其他惰性气体，最后再抽真空；必要时可进行两次充放气以完全隔绝外界空气；根据防潮袋的有效期定期检查防潮效果。使用干燥柜时，为保证干燥柜能在普通开关门后的1 h内恢复至预定指标，干燥柜累计开门时间在8 h内不超过10 min、24 h内不超过30 min。

表2 包装用品相关标准

Tab.2 Related standards for packing materials

（6）储存环境要做到适宜可控，具体指标要求如下：

典型温度：20℃±10℃。温度变化大于10℃的持续时间一般不应超过24 h。由于高温可能导致或加速包装材料分解，应根据材料特性对器件可承受的最高温度和最长持续时间做出修正。

典型湿度：40%~60%相对湿度（RH）。对于部分亲水性元器件，湿度控制应更严格，如光电器件中的光纤在长时间暴露于潮湿环境后可能在表面出现裂痕[9]。

静电防护：搬运和安放电子元器件时，人员的穿戴、操作应符合防静电要求，如从包装卷取元器件时，卷盘的速度应小于10 mm/s，取出角度应处于165°~180°[10]。

电子元器件在储存过程中还应避免紫外光或太阳光直射和化学污染，储存位置应合理规划以减少挪动和搬运的次数，避免对元器件造成额外损害及减少不必要的质检和操作步骤。更多具体要求参考表3所列的多个标准。

表3 长期储存相关标准

Tab.3 Related standards for LST

3 塑封器件和裸芯片的特殊储存要求

除通用储存要求外，塑封器件和裸芯片还需额外保护措施。

（1）裸芯片

裸芯片应真空密封在防潮袋中，并将防潮袋置于温度为18~24°C、相对湿度小于30%、干燥的惰性气体环境中。如非真空密封包装，则需放在以(2~6)×0.028 m3/h速率吹氮气的氮气柜中。包装和检查裸芯片的环境应遵照ISO14644-1中6或以下等级所列要求[12]。

（2）塑封器件

湿气是塑封器件最需要防范的影响因素。标准J-STD-40中根据塑封器件待装寿命（Floor Life）的长短将塑封器件对湿气的敏感程度分为8个等级，如表4所示。待装寿命指元器件在使用前离开储存环境、暴露于温度不超过30℃、相对湿度不超过60%的环境中所允许的最长时间。为保证元器件的有效，元器件从出厂之日起在测试、分装、流通等环节的累计待装时间应小于元器件待装寿命。为此，元器件生产厂商必须说明元器件的待装寿命；用户必须以最小包装对元器件的待装时间进行跟踪和累计。如果元器件待装时间超出待装寿命，常用干燥方法有干燥箱或烘烤两种。若器件待装时间小于8h，则需将元器件置于25℃±5℃、相对湿度小于10%的干燥箱中[13]；如果待装时间不可考，则通常将元器件以125 ℃的温度烘烤24 h，以控制管壳吸收的水汽占总重的比例小于0.05%。在烘烤过程中，每30 min需要在不超过30 ℃和60%相对湿度的环境中进行目检和重新包装。

Solution of nonlinear operator equation by inexact iterative under the ordered compressed conditions

表4 塑封器件湿度敏感等级

Tab.4 Moisture sensitive levels and corresponding floor life

注：*如果再流焊温度为235 ℃则为必需。

4 三种封装方式长期储存效果验证及比较

据美国国家航空航天局（NASA）、美国QP半导体公司、Spansion公司、德州仪器公司、Micross公司和英国Alter公司等机构的调查和实验结果，如果遵照要求妥善储存，气密封装、塑料封装和裸芯片均可实现长期储存：气密封装的常规储存年限是10至20年；塑封器件储存期超过15年；裸芯片储存期超过20年[6-15]；该实验结论普遍适用，即对于抗辐射等特殊元器件并不需要额外采取更多的特殊保护步骤。

以NASA为例，NASA下设的10个主要研究中心，如喷气推进实验室（JPL）和兰利研究中心，以及众多其他研究机构，都需用到大量的电子元器件。以JPL为例，在其自有的飞行电子器件储存库中就储存了超过200万只专为航天应用而设计、测试和认证的电子元器件。NASA表示，每一个研究中心都如此，电子元器件的长期可靠储存对于美国航空航天设备的研制和正常工作至关重要。根据NASA在2014年发布的有关长期储存的报告[7]，NASA搜集研读了125篇报道文章，进行了17人的电话和当面访谈，实地走访了4家工厂，与高校和科研机构的专家进行大量电子邮件交流，覆盖从航空到汽车，从计算机到无线电的多个领域。调查结果是，除了个别例外，只要保证采取合理的储存方式，没有确凿且充分的证据显示经过长期储存器的器件不可信，使用被妥善储存的长期储存器件对板级和系统级几乎不存在风险；现有报道长期储存失效的文章，普遍存在调查数量只是个位量级、缺少对储存情况和产品特征标定等情况的说明等问题，不足以论证长期储存是失效的原因。例外的情况是，避免使用批次号指向1999到2003年封装和组装的任何塑料封装器件，因为制造商曾在该段时间为降低可燃性而在焊料中引入了溴，后者容易引发腐蚀进而导致引线框架和键合线的失效。

又以英国Alter公司为例，Alter长期存储开始于1982年的“空间实验室维护”项目[16]，1993年获得欧空局（ESA）支持评估高可靠器件的长期存储[14]。Alter在此期间形成一套完整的长期储存操作流程和规范，覆盖采购控制、备件准备、文档控制、可追踪性、筛选、测试、能力保留、存储准备、封装、存储条件、监控、统计和看门狗测试各方面，已为包括欧空局在内的全球多个机构和企业提供了长期储存服务，服务范围包括挑选、订货、收货、测试、包装和存储、周期性验证、根据预定时间发货等，所提供器件的最长存储期已超过15年。

再进一步具体到不同封装方式上，气密封装对储存环境和基础设施要求最低，且有着长储存寿命，一直是长期储存的首选，但并非所需的电子元器件都有气密封装；且随着气密封装越来越少，它们作为长期储存的首选已没有从前吸引人。塑封器件最容易获得，但储存环境较气密封装苛刻。裸芯片可提供最大的灵活性，避免了现阶段气密和塑料封装形式无法满足未来需要的问题；裸芯片所需储存空间也较小，7000只晶粒只需一片6 cm×2.54 cm(6英寸)晶圆面积大小，而7000只14管脚塑料双列直插封装则需要一个抽屉的空间，而且，塑封器件不像裸芯片和密封器件，无法检查内部缺陷。但裸芯片的储存环境最苛刻、包装步骤最繁琐，要求最严格，并非每一个电子元器件用户都能具备。为此，市场上出现了专门提供裸芯片储存服务的公司，如QP半导体（已被e2V收购）、Micross等。雷声、仙童（已被安森美收购）、国家半导体（已被德州仪器收购）、TRW、Vishay、Signetics和飞利浦等[6]。三种封装形式更详细的储存优劣比较如表5所示。

表5 三种封装长期储存优劣比较

Tab.5 Storage effect comparison of 3 kinds of packing

5 结束语

长期储存是停产断档问题的解决方案之一，是特殊器件“最后一次购买”的唯一解决方案，也是满足“升级筛选”或“提高额定值”需求的实用解决方案。在建立了完备操作标准和规范的基础上，通过选择适宜存储的电子元器件、制定正确全面的储存计划、设定适宜的储存环境、选择合适的包装材料、定期进行检查等措施，气密封装、塑料封装和裸芯片这三种封装方式均可实现储存期超过15年的长期储存，但裸芯片封装在使用灵活性和存储空间上更具优势。需指出的是，长期存储的研究并不是一劳永逸的事情，需随着新器件材料和结构的不断发展持续开展研究，以保证新器件也能在长期储存后满足使用需求。

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（编辑：陈渝生）

Reliability study of long-term storage for electronic component packaging

ZHANG Qian

(Electronic Technology Information Research Institute, Ministry of Industry and Information, Beijing 100040, China)

Long-term storage is an important solution to address the off production and short stocking issues with military electronic components. In this thesis, failure mechanisms of long-term stored ICs, including ESD (electronic static discharge), humidity, temperature, contamination and vibration, were analyzed. Then the general requirements on packaging materials and environment as well as the special demands on long-term storage were analyzed. Finally, the actual lifetime, merits and demerits of each storage form were compared. It demonstrates that if stored properly, the components could work properly after 15 years’ storage.

hermetic package; plastic package; wafer; long-term storage; electronic component; reliability

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.06.020

TN61

A

1001-2028（2017）06-0099-06

2017-03-31

张倩（1984－），女，陕西宝鸡人，工程师，主要从事军用电子元器件相关研究，E-mail: 18801002065@163.com。

网络出版时间：2017-06-07 13:45

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170607.1345.020.html