塑封砷化镓集成电路的可靠性

1、塑封砷化镓集成电路的可靠性1引言无线与光纤通讯应用范围的不断扩大使集成电路（IC）的成本持续下降。为了满足较低价格的期望，制造商需要花钱较少的封装解决方案。为了在塑料封装或其它非气密封装中保持完好，砷化镓集成电路（GaAsIC）必须坚固和防潮。本报告描述了鉴定塑封微电路时用来调查一整套环境应力的多个试验，它将描述过去6年中对1500多块GaAs MESFET IC实施的塑料封装试验。2目的本项目的目的是论证GaAs IC技术在塑料封装中抗可靠性劣化的性能。例如，最坏案例条件用来显示完整的抗高湿度环境的性能。此外，典型的封装评价试验是作为工业标准的封装相关鉴定试验的组成部分来论证的。3方法历史上

2、，人们更多地强调GaAs器件的可靠性而不是强调封装的能力。不过，随着GaAs投入大量生产，封装费用继续成为成品总费用中最大部分之一。封装与试验费用高于GaAs芯片费用是不常见的。与传统的高性能气密封装相比，塑料封装会带来较多的可靠性问题，例如，应力、潮气入侵、沾污和腐蚀引起的可靠性问题。适当平衡的可靠性评价方法将针对塑料封装相关的所有问题以及技术相关的典型可靠性问题。用于塑封器件的整套可靠性试验是JEDEC 26A中确定的试验。本规范概述了4组试验：电气、封装/工艺、封装芯片和封装设计。在5年试验中，TriQuint公司把调查集中在塑料封装的首要问题即潮气上。在TriQuint公司里，塑料封装

3、鉴定试验是以JEDEC 标准26A开始的。回顾80年代末，26A仅提供全套塑料试验。通用的850C和85%RH加偏压的试验被普遍采用，但普遍未作出规定。湿度试验的加速形式当时处于研究之中，但还未实现标准化。众所周知，大功率器件大体上可通过85/85试验，因为器件的内部功耗可防止潮气侵入到芯片表面上，从而不会出现腐蚀。TriQuint公司的第一个塑料封装是定制20引线方形鸥翼设计，不带插座。由于2个原因（功耗烘干和无标准插座），器件在无偏压条件下接受了潮湿试验和寿命试验，以标准接着实施了JEDEC 26A试验。通过塑料封装鉴定试验获得成功之后，研究人员试图制定出更严格的判据。TriQuint公司

4、以并排方式实施下一组试验，这些试验包括85/85（以最小偏压）与高加速应力试验（HAST）。虽然工程样品上能产生一些失效，但生产中的器件却能通过该试验。此外，还要实施补充的热偏移试验，以评价机械应力问题。接着，研究人员为器件的鉴定制定了标准试验流程，还实施了专用工程试验，以观测GaAs器件的耐潮性。塑封GaAs器件有2个特殊的考虑。一是常用的芯片涂覆材料，二是高温寿命试验。芯片涂覆材料是许多电路封装所共用的。涂覆材料用于GaAs器件中有2个重要原因：涂层能为芯片表面保持较稳定的介电环境，并为模制和经受热机械应力期间的空运线（airbridges）提供机械保护。当芯片涂层无需用来封装GaAs芯片

5、时，往往会提高封装器件的成品率，减少因机械损伤造成的随机失效的机会。高温寿命试验是令人担心的一个问题，因为GaAs器件一般要经受很苛刻的加速寿命试验。由于GaAs器件的原有失效机理容易被温度加速，寿命试验有时在高达3000C的温度下进行。高温试验一般不对塑料封装进行，因为塑料的玻璃转换温度通常在1601800C之间。当试验温度明显高于玻璃转换温度时，塑料实际上已开始“熔化”。在高于玻璃转换温度下持续循环会导致实际使用中从未观测到的异常失效。TriQuint公司通过实施梯升温度试验和在多个温度下的寿命试验来表征玻璃转换温度阈值的影响。 4结果 本研究项目中实施的中心组的试验包括JEDEC-STD

6、-26A“严酷应用条件下使用的塑封微电路的一般规范”中概述的所有封装相关的试验。实施的试验包括：物理尺寸测试、标记永久性测试、可焊性试验、高压锅试验、寿命试验、湿度试验、引线完整性、耐焊接热、热冲击和温度循环。还实施了偏压和非偏压湿度试验。为了抵消无偏压的热效应，寿命试验在1500C的环境温度下进行，比规范中规定的1250C高出250C。因此，塑料封装和芯片在这种型式的寿命试验中都应暴露在较高温度下。这个较热的条件比在较低温度下的偏压试验更为严格，因为GaAs器件的失效机理主要用温度来加速。在非偏压湿度试验中，潮气能使塑料达到饱和，并完全渗透到芯片表面上。而在偏压试验中，电路上产生的热量往往会

7、把潮气驱赶走。寿命试验和湿度试验都超过规定的最长时限1000小时而没有失效。所有标准的试验都在无失效的情况下完成。表1 典型的塑料封装鉴定要求-JEDEC标准No.26-A规定的要求组别试验说明方法JEDEC-STD-22条件（允许的剔除数）样品B物理尺寸标记永久性可焊性高压锅B100B107B102A102按数据表封装图抗溶剂性能最少25引线接收数=1非偏压2气氛饱和蒸气，1210C，最少96h2（0）4（0）377(1)C偏压寿命试验偏压湿度寿命试验A108A101环境温度=1250C或Tpeak(Tg-50C)，最少1000h850C/85%RH，最少1000h77(1)D引线完整性耐焊

8、接热特性热冲击温度循环B105B106A106A104最少25引线接收数=12600C焊料浸渍，10秒-401250C，最少100次循环-401250C，最少1000次循环322（0）77（1）77（1）现已实施了附加的试验，以确认塑料良好的可靠性性能。 塑料所用的加速温度为1352600C之间。还在85%RH和1350C条件下实施了HAST试验。由于成功地完成了这一系列试验，6个独立的器件/封装种类已经象90年初那样开始鉴定。表2 器件鉴定要求项目试验名称目的条件/方法样品数1热分析温度剖面峰值温度IR热成象，液晶12ESD敏感度损伤阈值MIL-STD-883方法3015最少93电压梯升率找

9、出设计极限和验证绝对最大定额在室温下以0.5V增量施加步进应力354温度梯升率找出设计极限和验证绝对最大定额在标称偏压下施加梯升环境温度直到夹具失效35寿命试验测定中间寿命时间标称静态偏压加速温度301006温度循环材料应力与热失配1000次循环，-401250C777耐焊接热测试对组装程序的不敏感性在3000C温度下实施5分钟非偏压试验9 表3 塑封器件鉴定摘要项目器件种类封装鉴定器件鉴定样品量1多功能ASIC，20脚方形鸥翼是582SPST开关，20脚方形鸥翼是是4863放大器/开关ASIC，24脚SSOP是是4374800Hz放大器，8脚SOIC是2035RFIC下变换器，14脚SOIC

10、是1856收发放大器，24脚SSOP是134 研究人员还实施了专用可靠性试验，以便把重点集中在塑封硅IC的最关键因素湿度上。曾对空心封装实施了包括湿度加速在内的2个专用试验，以表现“最坏案例”条件。附加的水与环氧树脂的组合在密封前被特意引入封装腔内。器件在非偏压模式下首先被冷却到-200C，持续30分钟左右。这个步骤被设计用来冷凝空腔上和封装内芯片表面的所有潮气。然后给器件通电并施加800C温度，停机时间为本5分钟。接着切断器件电源，再使其冷却。曾有21个132脚器件经受了1000次这样的循环，未发现失效。样品曾在100、200和解00次循环的中点接受测量。即使在超过200000ppm潮气的条

11、件下也未观测到异常缺陷或变化。附加的最坏案例试验被设计用来在专用封装种类的相互作用最小的情况下专门评价GaAs 器件在潮湿环境下的性能。专用技术表征样品（TCV）被选择用来提供最大量的独立有源器件，以致于各种偏压条件能以湿度接受调查。TCV被封装在工业标准的双列直插式封装（DIP）中，不加盖。封装在试验箱中被施加偏压，试验箱的环境条件为850C和85%RH。为了重复试验，芯片曾经完全暴露在高湿度和高温下，同时被施加偏压。样品曾用自动电测试系统在168和500h 的中点接受测试，该系统实施5个关键参数测试。294个FET被测试了1000h。器件没有失效，DC参数的变化小于1%。对非保护的芯片进行

12、的这种加速工程试验不能用于硅器件，因为其焊区和铝互连层有预期的腐蚀。塑封器件的较新试验是“爆玉米花”试验。当汽相焊接或红外回流焊接中塑料封装中的潮气转化为蒸气并迅速膨胀时，就产生“爆玉米花”效应。在某些条件下，潮气膨胀的作用力会在封装内产生应力。在多数严酷情况下，应力可造成封装外部开裂。这种现象一般被看作是“爆玉米花”现象,因为内部应力导致封装鼓胀，然后伴随可听见的爆裂声而开裂。由于所用的焊接方法和塑料厚度较小，表面安装器件对这个问题较敏感。1组20引线方形鸥翼器件曾在高压锅中、在1210C、100%RH和超压气氛条件下经受了72小时的试验。试验完成之后，这些器件接受了高倍数显微镜的检验，未观测到开裂。表4概述了检验结果。表4 20引线方形鸥翼封装的“爆玉米花”试验细节样品数模制种类引线条件高压锅内的小时数IR焊接循环失效数10老镀镍722010老裸铜722010新镀镍72206新裸铜7220总器件数72205影响这些试验结果论证了GaAs塑封IC的可接受的可靠性性能。这不仅提供了GaAs器件准备用于低成本封装的证据，而且表明GaAs IC的可靠性超过硅器件，特别是在加速湿度条件下是这样。6摘要总之，现已发现GaAs芯片在塑料封装中是可靠的。下列要点已进行