评定封装可靠性水平的MSL试验

　　摘要：随着塑料封装集成电路在众多领域中的广泛应用，封装的质量和可靠性水平越来越受到广大用户的关注。作为评定和考核封装可靠性水平的重要特征参数，除通常采用的环境试验如Autoclave（PCT）、HAST Bias、TH Bias外，MSL（Moisture Sensitivity Level）试验已成为其中最重要的试验项目之一。

　　1 前言

　　集成电路的塑料封装由于成本低、质量好、易自动化、批量大生产，在国内外早已形成工业化大生产的格局。近一时期，随着笔记本电脑、摄录机、手机等重量的减轻，带来与这些配套的集成电路和元器件更小型化和微型化的趋势。这必然促使对电子元器件的封装要求越来越小和越来越薄。如32脚薄型的QFN（Quad Flat No Lead）塑料封装长×宽×高尺寸只有5mm×5mm×0．8mm，脚与脚间距为0．5mm。

　　由于对封装要求的提高，必然需要相应的封装设备、封装材料和受控的封装工艺生产线来加以保证，尤其对塑料封装的抗潮性能将会提出更高的要求。

　　因为封装的模塑料是改性环氧塑料，它属于热塑性、线型性的高分子树脂，并且它本身具有吸湿和透湿两重性，所以封装的优劣将导致成品对水气敏感或不敏感，以致直接影响和降低成品的抗潮性能。

　　2 模塑料与水的敏感程度

　　下面的实验数据充分说明模塑料的抗潮性能。表1和图1列出不同模塑料在标准大气条件和一定时间内的吸湿数据。从吸湿的结果来看，模塑料1的抗潮性比模塑料2好，而模塑料2的抗潮性比模塑料3好。

　　图2为不同的模塑料（不同的封装形式）在121℃／100％RH／15：Psig的潮气中的吸湿状况和其吸湿达到饱和所需要的时间。从模塑料的材料来看，模塑料4的抗潮性优于模塑料1，而模塑料1的抗潮性则优于模塑料3；从材料吸湿达到饱和的时间来看，TSSOP8封装的抗潮性劣于SOIC8封装，而SOIC8封装的抗潮性则劣于SMD8封装。

　　3 MSL试验

　　（1）试验目的

　　鉴别非气密性固态表面贴装器件对潮气产生的应力的敏感度分级，使塑料封装产品可以被正确地包装、贮存和搬运，以免其在回流焊贴装和／或修理操作中引起损伤。

　　（2）适用范围

　　适用于非气密性固态表面贴装器件。

　　（3）试验流程

　　（4）潮气敏感度级别

　　（5）回流焊接的峰值温度的条件

　　（6）试验样品的数量

　　有可靠性试验评估的：11个／每个级别；没有可靠性试验评估的：22个／每个级别。

　　（7）失效标准

　　在试验样品中，如一个或大于一个失效，这种封装形式将被认为预定的试验级别失效。若存在下例任一情况，则认为样品失效：

　　·在40倍光学显微镜下看到外部开裂；

　　·电性能测试失效；

　　·贯穿一焊接的金丝、金球压点或楔形压点的内部开裂；

　　·内部开裂延伸从任意引线脚到其他内部的界面（引线脚、芯片、芯片托板）；

　　·内部开裂延伸从任意内部的界面到塑封体的外部大于2／3的长度；

　　·通过裸视，明显的看到塑封体平面的变化是由于翘曲、肿胀或膨胀，如样品仍然满足共平面和下沉尺寸的话，可认为通过。

　　（8）需要进一步评估的标准 评价分层对于器件可靠性的影响，半导体制造商可以按分层的要求、JEsD22-A113和JESD47或半导体制造商的内部程序文件执行可靠性评估试验。分层测试是指从潮湿前到回流后，回流前后之间分层变化的值。它所计算的是分层占有关联的总区域的百分比的变化值。可靠性评估可以由应力试验、历史的一般数据分析等组成。如果表面贴装的器件能通过电性能测试，即使在芯片托板、散热器、芯片背面（仅限于芯片上引线）上有分层，但是没有开裂或其他的分层，可以认为它们仍满足规定分层的标准，同时被认为通过潮气灵敏度级别。

　　（9）金属框架封装的分层的失效标准：

　　·在芯片的有源区域没有分层；

　　·任何芯片托板的接地区域金丝球焊表面或芯片上引线的器件的分层不大于10％；

　　·延着任何起隔离作用的聚合膜跨越任何金属界面的分层不大于10％；

　　·在高热特性封装中通过芯片粘接区域或需要电接触到芯片背面的器件，分层／开裂不大于10％；

　　·没有分层超过它的整个长度的表面破裂界面（一个表面破裂的界面包括引线脚、tie bars、散热器、热芯块等）。

　　（10）失效标准

　　所有失效必须分析并确认该失效机理是否与潮气敏感度有关联。如果在选择的级别中，失效不是起因于回流潮气敏感度，则认为这器件仍通过相应的潮气敏感度级别。

　　（11）可靠性评估试验的项目／条件和判据

　　对于预定的MSL级别，先进行MSL的预处理试验（除了MSL流程图中的第2、4、6、9步）。预处理试验后，建议做以下两项可靠性评估试验（试验样品的数量和合格判决可参考JESD47中的试验方案）。

　　·168小时#121℃100％RH 15Psig PCT测试。

　　·100次循环#一65-150℃T／C测试。

　　（12）潮气／回流敏感度分级

　　·若某一封装通过了MSL 1级，则认为该封装对潮气是不敏感的。出货时，不必采用干包装。

　　·若某一封装没有通过MSL 1级，但通过了2～5级中的某一级，则认为该封装对潮气是敏感的，可以按照J-STD-033的要求，出货时必须采用干包装。

　　·若某一封装仅通过MSL 6级，则认为该封装对潮气是非常敏感的，只用干包装是不够的。出货时，应通知客户该封装的MSL级别。同时，提供该封装的解吸曲线。

　　（13）吸收和解吸曲线

　　该曲线应由封装厂提供。

　　（14）参考标准

　　请参考J-STD 020B。

　　4 结论

　　根据非气密性的SMD（Surface Mount Device）产品的MSL试验级别，能获得该产品的封装可靠性水平，可以监督和促使封装厂家改进封装质量，从而保证公司产品的质量信誉；对潮气敏感的SMD产品，可以采用干包装提供给客户。对潮气非常敏感的SMD产品，在发货时可以通知客户其产品的MSL试验级别，以便客户对该产品采取烘烤的措施（具体的温度和时间取决于封装厂家提供的该封装的解析曲线），从而避免SMD产品在表面贴装时，发生爆米花或其他缺陷；大多数集成电路制造厂已将MSL试验作为对封装厂家工程认定的关键项目之一。