主流的微电子器件封装技术与常见的可靠性评估方法

2025-01-31秦绍于耀王国宁刘小丽

品牌与标准化 2025年1期

摘要：微电子器件作为现代电子技术的基石，其可靠性对整个电子行业至关重要。随着电子设备向更小型化、高性能化发展，微电子器件的可靠性问题日益凸显，微电子器件封装技术对于保证器件性能和延长使用寿命具有至关重要的作用。本文概述当前市场上主流封装技术，简要介绍一些加速失效的影响因素，并提出一系列封装可靠性评估方法。

关键词：微电子器件；封装；可靠性

中图分类号：TN405文献标志码：ADOI编码：10.3969/j.issn.1674-4977.2025.01.047

0引言

微电子器件的封装不仅保护器件免受物理损害，还确保了电气连接的稳定性。然而，随着器件尺寸的减小和集成度的提高，封装过程中可能出现的问题也越来越复杂。因此，对封装可靠性的研究显得尤为重要。本文将重点关注几种塑封封装的优缺点比较，以及如何通过一系列封装可靠性评估方法来考察塑封封装的可靠性。

1主流封装技术

1.1传统封装技术（典型封装技术）

1.1.1双列直插式封装（DIP）

双列直插式封装是一种简单的封装技术，多数中小规模的集成电路均会使用这种封装，而且这种封装的引脚数一般不超过100。其可以插在具有双列直插结构的芯片插座和焊接在焊孔数与几何排列相同的电路板上，插拔一定要小心防止引脚损坏。这种封装结构形式有多层陶瓷双列直插式DIP，单层陶瓷双列直插式DIP，引线架DIP等，特点在于对于PCB上的穿孔、焊接特别方便，且其体积因封装面积和芯片面积比值大而较大。1.1.2四边扁平封装（QFP）

四角扁平封装为了解决在不大幅度扩大芯片面积的基础上提高芯片的引出端数目（输入、输出）四边扁平封装的概念便应运而生，一般可达到44～208个脚，有的甚至可达到304个脚。多用于微处理器、通信芯片等复杂芯片。这种封装的引脚间距很小且引线很细，QFP形式上多为正方形，引脚分布在四周且呈海鸥翼（L）形。基材有陶瓷、金属和塑料。引脚中心距有1.0、0.8、0.65、0.5、0.4、0.3 mm等规格。四角扁平封装的特点有以下几种：

1）适用于表面贴装器件安装技术在PCB上安装布线。

2）更加适合高频情况下使用。

3）可靠性高且操作便捷。

4）芯片与封装的面积之比较小。

1.1.3球栅阵列封装（BGA）

球栅阵列封装是在基板的反面制有球形触点阵列引脚，而IC芯片位于基板的正面，BGA芯片与引脚端在基板同一侧，是多引脚大规模集成电路芯片封装用的一种表面贴装型技术。优点：互联长度缩短使得封装性能得到进一步提升，互联所占的板面积小，最大程度利用基板空间，并且I/O间距也要求不严，能高效地进行信号屏蔽和功率分配。其特点如下：

1）提高了成品率。

2）BGA焊点的中心距一般为1.27 mm，可以利用现有的SMT工艺设备实现相对于引脚中心距只有0.3 mm的QFP封装需要很精密的安放设备以及完全不同的焊接工艺。

3）改进了器件引脚数和本体尺寸。

4）极大地提高了共面问题，减少了共面损坏。

5）外引线相对于QFP来说更加牢固，很难变形。

6）外引线短，信号路径短，减小了引线上的电感电容，增加了节点性能。

7）球形外引线形状有助于热量散发。

8）BGA适合MCM的封装需要，有利于实现MCM的高密度、高性能。

1.2先进封装技术

1.2.1芯片尺寸封装（CSP封装）

这种封装结构可以达到芯片面积/封装面积为1∶1.1，也就是裸芯片的面积只比封装外形尺寸小，这种新的封装形式被命名为Chip Size Package/Chip Scale Package。这种封装的特点如下：

1）满足了LSI芯片引脚不断增加的需要。

2）解决了集成电路裸芯片不能进行交流参数和老化筛选的问题。

3）封装面积缩小到BGA（Ball Grid Array，球栅阵列封装）的1/10～1/4，延迟时间缩小到极短。

1.2.2硅片级芯片尺寸封装（WLCSP）

常见的CSP封装都是将硅片切割为单个IC芯片后再进行后道封装工艺，而WLCSP多数工艺步骤都是在完成前道工序的硅片上完成，最终将硅片直接切割成分离的独立器件。这种封装除了具备CSP的所有优点之外，还有独特的优势：

1）可以多个硅片同时加工，封装加工效率很高。

2）具有倒装芯片封装的轻、薄、短、小的优点。

3）与前道工序相比较，只是增加了引脚重新布线和凸点制作两道工序，其余全部都是传统工艺。

4）减少了传统封装中的多次测试。

1.2.3倒装芯片技术

这种倒装技术是直接通过芯片上呈阵列排布的凸点来实现芯片与封装衬底、电路板的互联。由于芯片放置方向与常规相反，直接倒扣在封装衬底上，也被称作倒装片。与常规的引线键合相比，由于采用了凸点结构，互连长度更短，伴随的互联线电阻、电感值更小从而封装的电性能明显改善。同时芯片中产生的热量也可以通过焊料凸点直接传输至封装衬底。这种封装最主要的优点是拥有更高密度的I/O数，明显优于TAB（载带自动键合bvcxz）和WB（引线键合）这两种芯片互联技术。

1.2.4三维（3D）封装

3D封装模块是指芯片在Z方向垂直互连结构，好比是“立体版”的乐高积木，可以像盖楼房一样将所有需要的功能模块一层层地纵向叠加累积起来，这种封装是一种晶圆对晶圆无凸起的键合3D IC制程技术。三维封装技术的优点：

1）替代单芯片封装，缩小了器件的重量和尺寸并且很大程度上取决于垂直互联的密度。

2）3D封装更有效地使用了硅片有效区域，硅片效率相比较其他2D封装技术，其硅片效率超过了100%。

3）3D技术由于电子元器件相互间非常的靠近，信号在系统功能电路之间传输所需要的时间比2D结构更短，并且缩短互连长度降低了互连伴随的寄生电容和电感，也是缩短了信号延迟的原因。

4）由于缩短了互连长度，3D封装降低了互连伴随的寄生性，对于同等数目的互联，其反射噪声、串扰噪声、同步噪声都会被减小。

5）对于功耗而言，由于寄生电容和互联长度成比例，因此3D封装降低了寄生性，相应的功耗也会降下来。

6）从速度方面来看，3D技术节约的功率可以在不增加功耗的基础上提高每秒的转换速度（频率）从而使得总的系统性能得以提高。

7）3D封装使得互联带宽更大，在通信系统中降低延迟。

2加速电子封装失效的因素

2.1热应力

封装材料和元件在温度变化下的热膨胀系数差异导致的热应力是电子封装失效的主要原因之一。高温工作环境、快速热循环或不良的热管理设计都可能加剧热应力，导致裂纹、分层或焊点断裂。

2.2机械应力

装配、运输和使用过程中的机械冲击、振动或压力可能引起封装材料的变形和损坏，如芯片移位、封装壳体破裂等。

2.3电气应力

过高的电压或电流可能导致电弧放电、击穿或热失控，进而引起封装材料的烧损、绝缘材料的击穿或元件的过热。

2.4腐蚀

环境中的湿度、化学物质和温度变化可能导致封装材料的腐蚀，如金属导线的氧化、有机材料的水解等，这会削弱封装的电气性能和机械强度。

2.5制造缺陷

生产过程中的不完美，如焊接缺陷、封装材料的不均匀性、气泡或夹杂物等，都可能成为潜在的失效源。

2.6使用条件

超出设计规范的使用条件，如过高的工作温度、湿度、电压或电流，以及恶劣的环境条件（如盐雾、高温高湿等），都可能加速封装的老化和失效。

2.7时间依赖性

随着时间的推移，封装材料可能因热老化、电迁移、材料疲劳等原因逐渐退化，最终导致失效。

2.8设计不当

如散热通道设计不合理、封装结构强度不足或电气隔离不良等，都可能降低封装的可靠性。

了解和控制这些失效因素对于提高电子封装的可靠性至关重要。通过优化设计、选用合适的材料、改善制造工艺和严格的质量控制，可以显著延长电子封装的使用寿命。

3封装可靠性评估方法

3.1加速寿命测试（Accelerated Life Testing，ALT）

这是一种用于评估产品在极端条件下的可靠性和寿命的测试方法。该方法通过模拟产品在高温、高湿、高压、高电压等恶劣环境下的工作状态，加速产品老化过程，从而在较短的时间内预测其在正常使用条件下的预期寿命。加速寿命测试对于产品研发、质量控制和可靠性评估具有重要意义，它可以帮助制造商预测产品在实际使用中的表现，优化产品设计，降低故障率，延长产品寿命。同时，ALT还可以用于比较不同产品或材料的耐久性，为产品选型和采购提供科学依据。

3.2环境应力筛选（ESS）

环境应力筛选（Environmental Stress Screening，ESS）是一项关键的质量控制程序，旨在通过模拟极端环境条件来加速识别和排除电子组件及系统中的潜在缺陷。该程序基于对产品预期使用环境的深入理解，结合统计过程控制（SPC）原理，精心设计筛选参数，以确保样本集的代表性和筛查过程的有效性。在实施ESS时，首先从生产批次中严格按照预定抽样计划选取测试样品，随后在控制环境中对这些样品施加一系列预定义的环境应力，包括但不限于温度循环、振动、湿度冲击等。这些应力条件旨在触发那些可能在正常使用条件下潜伏较长时间的早期故障模式。测试期间，采用先进的监测设备实时记录关键性能参数，如温度变化、信号完整性等，同时利用图像分析技术捕捉样品表面的微观变化。所有数据均按照国际标准化组织（ISO）和美国国防部（DoD）等相关标准进行记录和分析。数据分析阶段采用高级统计方法，如威布尔分布分析和累积故障概率分析，以量化产品的可靠性表现。通过对比测试前后的性能数据，可以识别出那些由于制造缺陷、材料疲劳或设计不当而导致的潜在故障点。基于分析结果，ESS过程不仅能够识别出需要维修或更换的个体样品，还能为产品设计改进提供科学依据，从而优化生产流程，提高产品的整体可靠性。此外，ESS对于满足严格的军事和航空航天标准尤为关键，有助于确保关键系统在极端环境下的稳定运行。

3.3电学参数与机械性能测试

通过测量器件的电气与机械参数来评估封装对器件性能的影响。例如，热阻/扩散系数决定器件热管理的好坏，过高/低均影响性能；通过介电常数/损耗可以反映信号是否完整，过高/大可导致信号衰减；寄生电容/电感影响高频响应，过大可引起信号反射/延迟；泄漏电流过大说明绝缘性能，关系到稳定性；机械强度/耐久性可确保封装在各种各样条件下的稳定性，不足可导致破裂或变形。通过上述参数的测量和评估可为器件的设计、制造和应用提供重要参考，同时针对评估结果可以对封装材料和结构进行优化与改进，提高器件的性能和可靠性。

3.4可靠性模型建立

基于大量实验数据，建立可靠性模型，预测器件在特定条件下的失效概率和寿命。常见的可靠性建模有：

1）统计分析。收集失效数据，建立概率分布模型，如威布尔分布，对数正态分布等。

2）物理模型。结合物理失效机制，如热循环、电迁移、应力腐蚀等，描述失效过程。

3）加速寿命测试。在高于正常工作条件下进行测试，通过Arrhenius方程等关联加速因子与实际寿命。

4）蒙特卡洛模拟。采用随机抽样技术模拟失效过程，评估失效概率和寿命分布。

可靠性建模是确保器件长期稳定运行的关键环节，通过建立准确的预测模型，可以有效指导产品设计、生产和维护，降低故障率，提高用户满意度。