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(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大使集成電路（IC）的成本持續(xù)下降。為了滿足較低價(jià)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(jiān)固和防潮。本報(bào)告描述了鑒定塑封微電路時(shí)用來調(diào)查一整套環(huán)境應(yīng)力的多個(gè)試驗(yàn)，它將描述過去6年中對(duì)1500多塊GaAs MESFET IC實(shí)施的塑料封裝試驗(yàn)。2目的本項(xiàng)目的目的是論證GaAs IC技術(shù)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(píng)價(jià)試驗(yàn)是作為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的封裝相關(guān)鑒定試驗(yàn)的組成部分來論證的。3方法歷史上

2、，人們更多地強(qiáng)調(diào)GaAs器件的可靠性而不是強(qiáng)調(diào)封裝的能力。不過，隨著GaAs投入大量生產(chǎn)，封裝費(fèi)用繼續(xù)成為成品總費(fèi)用中最大部分之一。封裝與試驗(yàn)費(fèi)用高于GaAs芯片費(fèi)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(huì)帶來較多的可靠性問題，例如，應(yīng)力、潮氣入侵、沾污和腐蝕引起的可靠性問題。適當(dāng)平衡的可靠性評(píng)價(jià)方法將針對(duì)塑料封裝相關(guān)的所有問題以及技術(shù)相關(guān)的典型可靠性問題。用于塑封器件的整套可靠性試驗(yàn)是JEDEC 26A中確定的試驗(yàn)。本規(guī)范概述了4組試驗(yàn)：電氣、封裝/工藝、封裝芯片和封裝設(shè)計(jì)。在5年試驗(yàn)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(yàn)是以JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)26A開始的?；仡?0年代末，26A僅提供全套塑料試驗(yàn)。通用的850C和85%RH加偏壓的試驗(yàn)被普遍采用，但普遍未作出規(guī)定。濕度試驗(yàn)的加速形式當(dāng)時(shí)處于研究之中，但還未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。眾所周知，大功率器件大體上可通過85/85試驗(yàn)，因?yàn)槠骷膬?nèi)部功耗可防止潮氣侵入到芯片表面上，從而不會(huì)出現(xiàn)腐蝕。TriQuint公司的第一個(gè)塑料封裝是定制20引線方形鷗翼設(shè)計(jì)，不帶插座。由于2個(gè)原因（功耗烘干和無標(biāo)準(zhǔn)插座），器件在無偏壓條件下接受了潮濕試驗(yàn)和壽命試驗(yàn)，以標(biāo)準(zhǔn)接著實(shí)施了JEDEC 26A試驗(yàn)。通過塑料封裝鑒定試驗(yàn)獲得成功之后，研究人員試圖制定出更嚴(yán)格的判據(jù)。TriQuint公司

4、以并排方式實(shí)施下一組試驗(yàn)，這些試驗(yàn)包括85/85（以最小偏壓）與高加速應(yīng)力試驗(yàn)（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(yàn)。此外，還要實(shí)施補(bǔ)充的熱偏移試驗(yàn)，以評(píng)價(jià)機(jī)械應(yīng)力問題。接著，研究人員為器件的鑒定制定了標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)流程，還實(shí)施了專用工程試驗(yàn)，以觀測(cè)GaAs器件的耐潮性。塑封GaAs器件有2個(gè)特殊的考慮。一是常用的芯片涂覆材料，二是高溫壽命試驗(yàn)。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(gè)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(jī)械應(yīng)力期間的空運(yùn)線（airbridges）提供機(jī)械保護(hù)。當(dāng)芯片涂層無需用來封裝GaAs芯片

5、時(shí)，往往會(huì)提高封裝器件的成品率，減少因機(jī)械損傷造成的隨機(jī)失效的機(jī)會(huì)。高溫壽命試驗(yàn)是令人擔(dān)心的一個(gè)問題，因?yàn)镚aAs器件一般要經(jīng)受很苛刻的加速壽命試驗(yàn)。由于GaAs器件的原有失效機(jī)理容易被溫度加速，壽命試驗(yàn)有時(shí)在高達(dá)3000C的溫度下進(jìn)行。高溫試驗(yàn)一般不對(duì)塑料封裝進(jìn)行，因?yàn)樗芰系牟ＡмD(zhuǎn)換溫度通常在1601800C之間。當(dāng)試驗(yàn)溫度明顯高于玻璃轉(zhuǎn)換溫度時(shí)，塑料實(shí)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(huì)導(dǎo)致實(shí)際使用中從未觀測(cè)到的異常失效。TriQuint公司通過實(shí)施梯升溫度試驗(yàn)和在多個(gè)溫度下的壽命試驗(yàn)來表征玻璃轉(zhuǎn)換溫度閾值的影響。 4結(jié)果 本研究項(xiàng)目中實(shí)施的中心組的試驗(yàn)包括JEDEC-STD

6、-26A“嚴(yán)酷應(yīng)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(guān)的試驗(yàn)。實(shí)施的試驗(yàn)包括：物理尺寸測(cè)試、標(biāo)記永久性測(cè)試、可焊性試驗(yàn)、高壓鍋試驗(yàn)、壽命試驗(yàn)、濕度試驗(yàn)、引線完整性、耐焊接熱、熱沖擊和溫度循環(huán)。還實(shí)施了偏壓和非偏壓濕度試驗(yàn)。為了抵消無偏壓的熱效應(yīng)，壽命試驗(yàn)在1500C的環(huán)境溫度下進(jìn)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(yàn)中都應(yīng)暴露在較高溫度下。這個(gè)較熱的條件比在較低溫度下的偏壓試驗(yàn)更為嚴(yán)格，因?yàn)镚aAs器件的失效機(jī)理主要用溫度來加速。在非偏壓濕度試驗(yàn)中，潮氣能使塑料達(dá)到飽和，并完全滲透到芯片表面上。而在偏壓試驗(yàn)中，電路上產(chǎn)生的熱量往往會(huì)

7、把潮氣驅(qū)趕走。壽命試驗(yàn)和濕度試驗(yàn)都超過規(guī)定的最長時(shí)限1000小時(shí)而沒有失效。所有標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)No.26-A規(guī)定的要求組別試驗(yàn)說明方法JEDEC-STD-22條件（允許的剔除數(shù)）樣品B物理尺寸標(biāo)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(yàn)偏壓濕度壽命試驗(yàn)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(shí)施了附加的試驗(yàn)，以確認(rèn)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(shí)施了HAST試驗(yàn)。由于成功地完成了這一系列試驗(yàn)，6個(gè)獨(dú)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(xiàng)目試驗(yàn)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(shè)計(jì)極限和驗(yàn)證絕對(duì)最大定額在室溫下以0.5V增量施加步進(jìn)應(yīng)力354溫度梯升率找出設(shè)計(jì)極限和驗(yàn)證絕對(duì)最大定額在標(biāo)稱偏壓下施加梯升環(huán)境溫度直到夾具失效35壽命試驗(yàn)測(cè)定中間壽命時(shí)間標(biāo)稱靜態(tài)偏壓加速溫度301006溫度循環(huán)材料應(yīng)力與熱失配1000次循環(huán)，-401250C777耐焊接熱測(cè)試對(duì)組裝程序的不敏感性在3000C溫度下實(shí)施5分鐘非偏壓試驗(yàn)9 表3 塑封器件鑒定摘要項(xiàng)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(guān)，20腳方形鷗翼是是4863放大器/開關(guān)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(shí)施了專用可靠性試驗(yàn)，以便把重點(diǎn)集中在塑封硅IC的最關(guān)鍵因素濕度上。曾對(duì)空心封裝實(shí)施了包括濕度加速在內(nèi)的2個(gè)專用試驗(yàn)，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(gè)步驟被設(shè)計(jì)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(jī)時(shí)間為本5分鐘。接著切斷器件電源，再使其冷卻。曾有21個(gè)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(diǎn)接受測(cè)量。即使在超過200000ppm潮氣的條

11、件下也未觀測(cè)到異常缺陷或變化。附加的最壞案例試驗(yàn)被設(shè)計(jì)用來在專用封裝種類的相互作用最小的情況下專門評(píng)價(jià)GaAs 器件在潮濕環(huán)境下的性能。專用技術(shù)表征樣品（TCV）被選擇用來提供最大量的獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)的雙列直插式封裝（DIP）中，不加蓋。封裝在試驗(yàn)箱中被施加偏壓，試驗(yàn)箱的環(huán)境條件為850C和85%RH。為了重復(fù)試驗(yàn)，芯片曾經(jīng)完全暴露在高濕度和高溫下，同時(shí)被施加偏壓。樣品曾用自動(dòng)電測(cè)試系統(tǒng)在168和500h 的中點(diǎn)接受測(cè)試，該系統(tǒng)實(shí)施5個(gè)關(guān)鍵參數(shù)測(cè)試。294個(gè)FET被測(cè)試了1000h。器件沒有失效，DC參數(shù)的變化小于1%。對(duì)非保護(hù)的芯片進(jìn)行

12、的這種加速工程試驗(yàn)不能用于硅器件，因?yàn)槠浜竻^(qū)和鋁互連層有預(yù)期的腐蝕。塑封器件的較新試驗(yàn)是“爆玉米花”試驗(yàn)。當(dāng)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(shí)，就產(chǎn)生“爆玉米花”效應(yīng)。在某些條件下，潮氣膨脹的作用力會(huì)在封裝內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力。在多數(shù)嚴(yán)酷情況下，應(yīng)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?yàn)閮?nèi)部應(yīng)力導(dǎo)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(duì)這個(gè)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(shí)的試驗(yàn)。試驗(yàn)完成之后，這些器件接受了高倍數(shù)顯微鏡的檢驗(yàn)，未觀測(cè)到開裂。表4概述了檢驗(yàn)結(jié)果。表4 20引線方形鷗翼封裝的“爆玉米花”試驗(yàn)細(xì)節(jié)樣品數(shù)模制種類引線條件高壓鍋內(nèi)的小時(shí)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(yàn)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(zhǔn)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(diǎn)已進(jìn)行