塑封砷化鎵集成電路的可靠性

1、塑封砷化鎵集成電路的可靠性1引言無線與光纖通訊應用范圍的不斷擴大使集成電路（IC）的成本持續(xù)下降。為了滿足較低價格的期望，制造商需要花錢較少的封裝解決方案。為了在塑料封裝或其它非氣密封裝中保持完好，砷化鎵集成電路（GaAsIC）必須堅固和防潮。本報告描述了鑒定塑封微電路時用來調(diào)查一整套環(huán)境應力的多個試驗，它將描述過去6年中對1500多塊GaAs MESFET IC實施的塑料封裝試驗。2目的本項目的目的是論證GaAs IC技術在塑料封裝中抗可靠性劣化的性能。例如，最壞案例條件用來顯示完整的抗高濕度環(huán)境的性能。此外，典型的封裝評價試驗是作為工業(yè)標準的封裝相關鑒定試驗的組成部分來論證的。3方法歷史上

2、，人們更多地強調(diào)GaAs器件的可靠性而不是強調(diào)封裝的能力。不過，隨著GaAs投入大量生產(chǎn)，封裝費用繼續(xù)成為成品總費用中最大部分之一。封裝與試驗費用高于GaAs芯片費用是不常見的。與傳統(tǒng)的高性能氣密封裝相比，塑料封裝會帶來較多的可靠性問題，例如，應力、潮氣入侵、沾污和腐蝕引起的可靠性問題。適當平衡的可靠性評價方法將針對塑料封裝相關的所有問題以及技術相關的典型可靠性問題。用于塑封器件的整套可靠性試驗是JEDEC 26A中確定的試驗。本規(guī)范概述了4組試驗：電氣、封裝/工藝、封裝芯片和封裝設計。在5年試驗中，TriQuint公司把調(diào)查集中在塑料封裝的首要問題即潮氣上。在TriQuint公司里，塑料封裝

3、鑒定試驗是以JEDEC 標準26A開始的?；仡?0年代末，26A僅提供全套塑料試驗。通用的850C和85%RH加偏壓的試驗被普遍采用，但普遍未作出規(guī)定。濕度試驗的加速形式當時處于研究之中，但還未實現(xiàn)標準化。眾所周知，大功率器件大體上可通過85/85試驗，因為器件的內(nèi)部功耗可防止潮氣侵入到芯片表面上，從而不會出現(xiàn)腐蝕。TriQuint公司的第一個塑料封裝是定制20引線方形鷗翼設計，不帶插座。由于2個原因（功耗烘干和無標準插座），器件在無偏壓條件下接受了潮濕試驗和壽命試驗，以標準接著實施了JEDEC 26A試驗。通過塑料封裝鑒定試驗獲得成功之后，研究人員試圖制定出更嚴格的判據(jù)。TriQuint公司

4、以并排方式實施下一組試驗，這些試驗包括85/85（以最小偏壓）與高加速應力試驗（HAST）。雖然工程樣品上能產(chǎn)生一些失效，但生產(chǎn)中的器件卻能通過該試驗。此外，還要實施補充的熱偏移試驗，以評價機械應力問題。接著，研究人員為器件的鑒定制定了標準試驗流程，還實施了專用工程試驗，以觀測GaAs器件的耐潮性。塑封GaAs器件有2個特殊的考慮。一是常用的芯片涂覆材料，二是高溫壽命試驗。芯片涂覆材料是許多電路封裝所共用的。涂覆材料用于GaAs器件中有2個重要原因：涂層能為芯片表面保持較穩(wěn)定的介電環(huán)境，并為模制和經(jīng)受熱機械應力期間的空運線（airbridges）提供機械保護。當芯片涂層無需用來封裝GaAs芯片

5、時，往往會提高封裝器件的成品率，減少因機械損傷造成的隨機失效的機會。高溫壽命試驗是令人擔心的一個問題，因為GaAs器件一般要經(jīng)受很苛刻的加速壽命試驗。由于GaAs器件的原有失效機理容易被溫度加速，壽命試驗有時在高達3000C的溫度下進行。高溫試驗一般不對塑料封裝進行，因為塑料的玻璃轉(zhuǎn)換溫度通常在1601800C之間。當試驗溫度明顯高于玻璃轉(zhuǎn)換溫度時，塑料實際上已開始“熔化”。在高于玻璃轉(zhuǎn)換溫度下持續(xù)循環(huán)會導致實際使用中從未觀測到的異常失效。TriQuint公司通過實施梯升溫度試驗和在多個溫度下的壽命試驗來表征玻璃轉(zhuǎn)換溫度閾值的影響。 4結(jié)果 本研究項目中實施的中心組的試驗包括JEDEC-STD

6、-26A“嚴酷應用條件下使用的塑封微電路的一般規(guī)范”中概述的所有封裝相關的試驗。實施的試驗包括：物理尺寸測試、標記永久性測試、可焊性試驗、高壓鍋試驗、壽命試驗、濕度試驗、引線完整性、耐焊接熱、熱沖擊和溫度循環(huán)。還實施了偏壓和非偏壓濕度試驗。為了抵消無偏壓的熱效應，壽命試驗在1500C的環(huán)境溫度下進行，比規(guī)范中規(guī)定的1250C高出250C。因此，塑料封裝和芯片在這種型式的壽命試驗中都應暴露在較高溫度下。這個較熱的條件比在較低溫度下的偏壓試驗更為嚴格，因為GaAs器件的失效機理主要用溫度來加速。在非偏壓濕度試驗中，潮氣能使塑料達到飽和，并完全滲透到芯片表面上。而在偏壓試驗中，電路上產(chǎn)生的熱量往往會

7、把潮氣驅(qū)趕走。壽命試驗和濕度試驗都超過規(guī)定的最長時限1000小時而沒有失效。所有標準的試驗都在無失效的情況下完成。表1 典型的塑料封裝鑒定要求-JEDEC標準No.26-A規(guī)定的要求組別試驗說明方法JEDEC-STD-22條件（允許的剔除數(shù)）樣品B物理尺寸標記永久性可焊性高壓鍋B100B107B102A102按數(shù)據(jù)表封裝圖抗溶劑性能最少25引線接收數(shù)=1非偏壓2氣氛飽和蒸氣，1210C，最少96h2（0）4（0）377(1)C偏壓壽命試驗偏壓濕度壽命試驗A108A101環(huán)境溫度=1250C或Tpeak(Tg-50C)，最少1000h850C/85%RH，最少1000h77(1)D引線完整性耐焊

8、接熱特性熱沖擊溫度循環(huán)B105B106A106A104最少25引線接收數(shù)=12600C焊料浸漬，10秒-401250C，最少100次循環(huán)-401250C，最少1000次循環(huán)322（0）77（1）77（1）現(xiàn)已實施了附加的試驗，以確認塑料良好的可靠性性能。 塑料所用的加速溫度為1352600C之間。還在85%RH和1350C條件下實施了HAST試驗。由于成功地完成了這一系列試驗，6個獨立的器件/封裝種類已經(jīng)象90年初那樣開始鑒定。表2 器件鑒定要求項目試驗名稱目的條件/方法樣品數(shù)1熱分析溫度剖面峰值溫度IR熱成象，液晶12ESD敏感度損傷閾值MIL-STD-883方法3015最少93電壓梯升率找

9、出設計極限和驗證絕對最大定額在室溫下以0.5V增量施加步進應力354溫度梯升率找出設計極限和驗證絕對最大定額在標稱偏壓下施加梯升環(huán)境溫度直到夾具失效35壽命試驗測定中間壽命時間標稱靜態(tài)偏壓加速溫度301006溫度循環(huán)材料應力與熱失配1000次循環(huán)，-401250C777耐焊接熱測試對組裝程序的不敏感性在3000C溫度下實施5分鐘非偏壓試驗9 表3 塑封器件鑒定摘要項目器件種類封裝鑒定器件鑒定樣品量1多功能ASIC，20腳方形鷗翼是582SPST開關，20腳方形鷗翼是是4863放大器/開關ASIC，24腳SSOP是是4374800Hz放大器，8腳SOIC是2035RFIC下變換器，14腳SOIC

10、是1856收發(fā)放大器，24腳SSOP是134 研究人員還實施了專用可靠性試驗，以便把重點集中在塑封硅IC的最關鍵因素濕度上。曾對空心封裝實施了包括濕度加速在內(nèi)的2個專用試驗，以表現(xiàn)“最壞案例”條件。附加的水與環(huán)氧樹脂的組合在密封前被特意引入封裝腔內(nèi)。器件在非偏壓模式下首先被冷卻到-200C，持續(xù)30分鐘左右。這個步驟被設計用來冷凝空腔上和封裝內(nèi)芯片表面的所有潮氣。然后給器件通電并施加800C溫度，停機時間為本5分鐘。接著切斷器件電源，再使其冷卻。曾有21個132腳器件經(jīng)受了1000次這樣的循環(huán)，未發(fā)現(xiàn)失效。樣品曾在100、200和解00次循環(huán)的中點接受測量。即使在超過200000ppm潮氣的條

11、件下也未觀測到異常缺陷或變化。附加的最壞案例試驗被設計用來在專用封裝種類的相互作用最小的情況下專門評價GaAs 器件在潮濕環(huán)境下的性能。專用技術表征樣品（TCV）被選擇用來提供最大量的獨立有源器件，以致于各種偏壓條件能以濕度接受調(diào)查。TCV被封裝在工業(yè)標準的雙列直插式封裝（DIP）中，不加蓋。封裝在試驗箱中被施加偏壓，試驗箱的環(huán)境條件為850C和85%RH。為了重復試驗，芯片曾經(jīng)完全暴露在高濕度和高溫下，同時被施加偏壓。樣品曾用自動電測試系統(tǒng)在168和500h 的中點接受測試，該系統(tǒng)實施5個關鍵參數(shù)測試。294個FET被測試了1000h。器件沒有失效，DC參數(shù)的變化小于1%。對非保護的芯片進行

12、的這種加速工程試驗不能用于硅器件，因為其焊區(qū)和鋁互連層有預期的腐蝕。塑封器件的較新試驗是“爆玉米花”試驗。當汽相焊接或紅外回流焊接中塑料封裝中的潮氣轉(zhuǎn)化為蒸氣并迅速膨脹時，就產(chǎn)生“爆玉米花”效應。在某些條件下，潮氣膨脹的作用力會在封裝內(nèi)產(chǎn)生應力。在多數(shù)嚴酷情況下，應力可造成封裝外部開裂。這種現(xiàn)象一般被看作是“爆玉米花”現(xiàn)象,因為內(nèi)部應力導致封裝鼓脹，然后伴隨可聽見的爆裂聲而開裂。由于所用的焊接方法和塑料厚度較小，表面安裝器件對這個問題較敏感。1組20引線方形鷗翼器件曾在高壓鍋中、在1210C、100%RH和超壓氣氛條件下經(jīng)受了72小時的試驗。試驗完成之后，這些器件接受了高倍數(shù)顯微鏡的檢驗，未觀測到開裂。表4概述了檢驗結(jié)果。表4 20引線方形鷗翼封裝的“爆玉米花”試驗細節(jié)樣品數(shù)模制種類引線條件高壓鍋內(nèi)的小時數(shù)IR焊接循環(huán)失效數(shù)10老鍍鎳722010老裸銅722010新鍍鎳72206新裸銅7220總器件數(shù)72205影響這些試驗結(jié)果論證了GaAs塑封IC的可接受的可靠性性能。這不僅提供了GaAs器件準備用于低成本封裝的證據(jù)，而且表明GaAs IC的可靠性超過硅器件，特別是在加速濕度條件下是這樣。6摘要總之，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)GaAs芯片在塑料封裝中是可靠的。下列要點已進行