第八章 陶瓷封装

11.2 可靠性测试项目
一般封装厂的可靠性测试项目有6项，如表11-1所示 表11-1
可靠性测试项目 1.预处理（ Test） 1.预处理（Preconditioning Test） 预处理 2.温度循环测试（Temperature Cycling Test） Test） 2.温度循环测试（ 温度循环测试 3.热冲击（ Test） 3.热冲击（Thermal Shock Test） 热冲击 4.高温储藏（High Temperature Storage Test） 4.高温储藏（ Test） 高温储藏 5.温度和湿度（ Test） 5.温度和湿度（Temperature & Humidity Test） 温度和湿度 6.高压蒸煮（ Test） 6.高压蒸煮（Pressure Cooker Test） 高压蒸煮
9.1 塑料封装的材料
热硬化型（Thermosets）与热塑型 热塑型（Thermoplastics）高分子材料均可应用于 热硬化型 热塑型 塑胶封装的铸膜成型，酚醛树脂、硅胶等热硬化型塑胶为塑料封装最主要的材 料，它们都有优异的铸膜成型特性，但也各具有某些影响封装可靠度的缺点。 塑料封装的铸膜材料一般由酚醛树脂（Novolac Epoxy Resin）、加速剂 （Accelerator，或称为Kicker）、硬化剂（Curing Agent，或称为Hardener）、 催化剂（Catalyst）、耦合剂（Coupling Agent，或称Modifier）、无机填充剂 （Inorganic Filler）、阻燃剂（Flame Retardant）、模具松脱剂及黑色色素 （Black Coloring Agent）等成分组成。
可靠性比较好
图11.1统计学上的浴盆曲线
上图所示的早夭区 早夭区是指短时间内就会被损坏的产品，也是生产厂商需要淘汰 早夭区 的，客户所不能接受的产品；正常使用寿命区 正常使用寿命区代表客户 客户可以接受的产品；耐用区 正常使用寿命区 客户 耐用区 指性能特别好，特别耐用的产品。由图上的浴缸曲线可见，在早夭区和耐用区，产 品的不良率一般比较高。在正常使用区，才有比较稳定的良率。大部分产品都是在 正常使用区的。可靠性测试就是为了分辨产品是否属于正常使用区的测试，解决早 期开发中产品不稳定，良率低等问题，提高技术，使封装生产线达到高良率，稳定 运行的目的。 在封装业的发展史上，早期的封装厂商并不把可靠性测试放在第一位 早期的封装厂商并不把可靠性测试放在第一位，人们 早期的封装厂商并不把可靠性测试放在第一位 最先重视的是产能，只要一定生产能力就能赢利。到了90年代，随着封装技术的 发展，封装厂家也逐渐增多，产品质量就摆到了重要位置，谁家产品的质量好，就 占绝对优势，于是质量问题是主要的竞争点和研究方向。进入21世纪，当质量问 题基本解决以后，厂商之间的竞争重点放在了可靠性上，同等质量，消费者自然喜 欢高可靠性的产品，于是可靠性越发显示其重要性，高可靠性是现代封装技术的研 发的重要指标。
10.2 金属气密性封装
图10.2 常见的金属封装基台
10.3 陶瓷气密性封装
图10.3 陶瓷双列式封装与针格式封装
10.4 玻璃气密性封装
玻璃密封材料的选择应与金属材料的种类配合，表10.1所列为电子封装常用的 玻璃密封材料的选择应与金属材料的种类配合 玻璃热膨胀系数的比较。玻璃与金属在匹配密封（Matched Seals）中必须有 相同的热膨胀系数，而且金属与其氧化物之间必须有相当致 非常相近，甚至相同的热膨胀系数 相同的热膨胀系数 密的键结。常作为引脚架材料的Alloy42合金中常添加铬、钴、锰、硅、硼等 元素以改善氧化层的黏着性；Kovar合金可在900℃以上的空气、氧化气氛或 湿式氮/氢气氛中加热短暂时间而得到性质良好的氧化层；铜合金上的氧化层 则极易剥落（Scaling），故铜合金表面通常再镀上一薄层的四硼酸钠 （Sodium Borate, Na2B4O7）或镍以防止氧化层剥离；铜中添加铝，也可防 止氧化层的剥落。如表10.1所示为电子封装常用的玻璃热膨胀系数。
图（11.1）所示的统计学上的浴盆曲线 浴盆曲线（Bathtub Curve）很清晰地描述 浴盆曲线 了生产厂商对产品可靠性的控制 生产厂商对产品可靠性的控制，也同步描述了客户对可靠性的需求 客户对可靠性的需求。 生产厂商对产品可靠性的控制 客户对可靠性的需求
早夭区
正常使用寿命区
耐用区
可靠性比较低
种 类 1990-（K Na Pb）硅酸玻璃 0800-（Na Ca）硅酸玻璃 0010-（K Na Pb）硅酸玻璃 0120-（K Na Pb）硅酸玻璃 7040-（Na K）硼硅酸玻璃 7050-（Alkali Ba）硼硅酸玻璃 7052-（Alkali）硼硅酸玻璃 7056-（Alkali）硼硅酸玻璃 7070-（Li K）硼硅酸玻璃 7720-（Na Pb）硼硅酸玻璃
第九章 塑料封装
塑料封装的散热性、耐热性、密封性 塑料封装 散热性、耐热性、密封性虽逊于陶瓷封装和金属封装，但塑料封 散热性 装具有低成本、薄型化、工艺较为简单、适合自动化生产等优点，它的应用 低成本、薄型化、工艺较为简单、适合自动化生产 低成本 范围极广，从一般的消费性电子产品到精密的超高速电脑中随处可见，也是 目前微电子工业使用最多的封装方法。
反应式射出成型工艺能免除传输铸膜工艺的缺点，其优点 优点有： 反应式射出成型 优点 （1）能源成本低； （2）低铸膜压力（约0.3～0.5 Mpa），能减低倒线发生的机会； （3）使用的原料一般有较佳的芯片表面润湿能力； （4）适用于以TAB连线的IC芯片密封； （5）可使用热固化型与热塑型材料进行铸膜。 反应式射出成型工艺的缺点 缺点则为： 缺点 （1）原料须均匀地搅拌； （2）目前尚无一标准化的树脂原料为电子封装业者所接受。
陶瓷与塑料封装的工艺流程
半导体用NTK陶瓷封装材料 封装管壳 陶瓷封装材料(封装管壳 半导体用 陶瓷封装材料 封装管壳)
8.2 氧化铝陶瓷封装的材料
材料种类 92%氧化铝 96%氧化铝 99.6%氧化铝 氮化硅（Si3N4） 碳化硅（SiC） 氮化铝（AlN） 氧化铍（BeO） 氮化硼（BN） 钻石（高压） 钻石（CVD） 玻璃陶瓷 （at 1MHz） 9.2 9.4 9.9 7 42 8.8 6.8 6.5 5.7 3.5 4～8 （ppm/℃） 6 6.6 7.1 2.3 3.7 3.3 6.8 3.7 2.3 2.3 3～5 （W/m·℃） 18 20 37 30 270 230 240 600 2000 400 5 （℃） 1 500 1 600 1 600 1 600 2 000 1 900 2 000 >2 000 >2 000 ～1 000 1 000 （MPa） ～300 400 620 — 450 350～400 241 — — 300 150
9.2 塑料封装的工艺
轴向喷洒涂胶工艺的优点 轴向喷洒涂胶工艺 优点如下： 优点 （1）成品厚度较薄，可缩小封装的体积； （2）无铸膜成型工艺压力引致的破坏； （3）无原料流动与铸孔填充过程引致的破坏； （4）适用于以TAB连线的IC芯片封装。 轴向喷洒涂胶工艺的缺点为： （1）成品易受水气侵袭； （2）原料黏滞性的要求极苛刻； （3）仅能做单面涂封，无法避免应力的产生； （4）工艺时间长。
热膨胀系数 13.6 10.5 10.1 9.7 5.4 5.1 5.3 5.6 3.9 4.3
表10.1 电子封装常用的玻璃热膨胀系数
第十一章 封装可靠性工程 十一章
11.1概述 概述 质量和可靠性 在芯片完成整个封装流程之后，封装厂会对其产品进行质量 可靠性 质量 两方面的检测。 质量检测主要检测封装后芯片的可用性 可用性，封装后的质量和性能情况， 质量检测 可用性 而可靠性则是对封装的可靠性相关参数的测试。 首先，我们必须理解什么叫做“可靠性”，产品的可靠性即产品可靠 “可靠性” 度的性能，具体表现在产品使用时是否容易出故障，产品使用寿命是否 具体表现在产品使用时是否容易出故障， 具体表现在产品使用时是否容易出故障 合理等。如果说“品质”是检测产品“现在”的质量的话，那么“可靠 品质” 合理 品质 “现在” 可靠 性”就是检测产品“未来”的质量。 “未来”
9.3 塑料封装的可靠性试验
常用来试验塑料封装的可靠性的方法有下列三种 : （1）高温偏压试验 高温偏压试验（High Temperature/Voltage Bias Test）。试验的方法是将 高温偏压试验 封装元器件置于125～150℃的测试腔中，并使其在最高的电压与电流负荷的 条件下操作，其目的是试验元器件与材料相互作用所引致的破坏。 （2）温度循环试验 温度循环试验（Temperature Cycle Test）。采用的试验条件有： 温度循环试验 ① 65～150℃循环变化，在最高与最低温各停留1h； ② 55～200℃循环变化，在最高温与最低温各停留10min； ③ 0～125℃，每小时3个循环变化。温度循环试验可以测量应力对封装结构的影 响，能测出的问题点有连线接点分离、连线断裂、接合面裂隙与芯片表面的 钝化保护层破坏等。 （3）温度 湿度 偏压试验 温度/湿度 偏压试验（Temperature/Humidity/Voltage Bias Test）。这种试 温度 湿度/偏压试验 验方法也称为THB试验，将IC元器件置于85℃/85%相对湿度的测试腔中，并 在元器件上通入交流负载（通常约5V），它也是所有试验中最严格的一种。 与THB试验相似的试验有：HAST试验（Highly Accelerated Stress Test）， 是将元器件置于100～175℃，50%～85%相对湿度的环境中并加入偏压的试 验；G1应力试验（G1 Stress Test），是将封装元器件置于含氯、硫磺、二 氧化氢、二氧化氮或臭氧等特殊气体环境中的试验。
表8.1 陶瓷材料的基本特性比较
8.3 陶瓷封装工艺
图8.2 氧化铝陶瓷封装的流程
8.4 其他陶瓷封装材料
近年来，陶瓷封装虽面临塑胶封装的强力竞争而不再是使用数量最多 的封装方法，但陶瓷封装仍然是高可靠度需求的封装最主要的方法。 各种新型的陶瓷封装材料，如氮化铝、碳化硅、氧化铍、玻璃陶瓷、 氮化铝、碳化硅、氧化铍、玻璃陶瓷、 氮化铝 钻石等材料也相继地被开发出来以使陶瓷封装能有更优质信号传输、 钻石 热膨胀特性、热传导与电气特性。
测试项目简称 Precon test T/C Test T/S Test HTST Test T&H Test PCT Test
第八章 陶瓷封装
8.1 陶瓷封装简介
陶瓷封装是高可靠度需求的主要封装技术。当今的陶瓷技术已可将烧结的尺寸变 陶瓷封装 化控制在0.1%的范围，可结合厚膜技术制成30-60层的多层连线传导结构，因此 陶瓷也是作为制作多芯片组件（MCM）封装基板主要的材料之一。 优点： 优点： 密封保护，使其 （1）在各种IC元器件的封装中，陶瓷封装能提供IC芯片气密性的密封保护 密封保护 具有优良的可靠度； （2）陶瓷被用做IC芯片封装的材料，是因其在电、热、机械特性等方面极其稳定， 电 机械特性 而且它的特性可通过改变其化学成分和工艺的控制调整来实现，不仅可作为封装 的封盖材料，它也是各种微电子产品重要的承载基板 缺点： 缺点： （1）与塑料封装相比较，它的工艺温度较高，成本较高； （2）工艺自动化与薄型化封装的能力逊于塑料封装； （3）其具有较高的脆性，易致应力损害； （4）在需要低介电常数与高连线密度的封装中，其必须与薄膜封装技术竞争
第十章 气密性封装
气密性封装是集成电路芯片封装技术的关键之一。 气密性封装 所谓气密性封装是指完全能够防止污染物（液体或 固体）的侵入和腐蚀的封装。
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10.1 气密性封装的必要性 气密性封装可以大大提高电路，特别是有源器件的可靠性。有源器 件对很多潜在的失效机理都很敏感，如腐蚀，可能受到水汽的 侵蚀，会从钝化的氧化物中浸出磷而形成磷酸，这样又会侵蚀 铝键合焊盘。