从封装气密性看元器件可靠性

微电子器件从密封方面分为气密封装和非密封装,高等级集成电路和分立器件通常采用气密封装,多采用金属、陶瓷、玻璃封装,内部为空腔结构,充有高纯氮气或其它惰性气体,也含有少量其它气体。工业级和商业级器件通常采用塑封工艺,没有空腔,芯片是被聚合材料整个包裹住,属于非气密封装。

总体上,气密封装元器件可靠性要比非气密封装高一个数量级以上,气密封装元器件一般按军标、宇航标准严格控制设计、生产、测试、检验等多个环节,失效率低,多用于高可靠应用领域。非密封器件,一般适用于环境条件较好,可靠性要求不太高的民用电子产品。

气密封装器件散热性好,环境适应性更强,军品和宇航级元器件额定工作环境温度能达到-55℃~+125℃。塑封非气密封装器件散热较差,根据应用领域不同一般分为商业级和工业级,商业级额定工作环境温度为0℃~70℃,工业级额定工作环境温度为-40℃~85℃,也有一些工业级塑封元器件工作上限温度可达到+125℃,达到军温水平。

气密封装元器件的空腔内部都含有少量水汽,国军标和美军标对内部水汽含量都做了明确限制,规定内部水汽含量不能超过5000ppm。

这是因为水汽含量高可能引起一些可靠性问题,包括内部化学污染,加速对内部金属的腐蚀,主要是对引线和没有钝化层保护的键合区的破坏,也可导致元器件阻缘性能下降或参数超差。低温下可引起继电器功能失效。由于内部水汽含量超标曾经引起多批元器件失效并导致非常严重的系统灾难。

5000ppm水汽含量的直观定义是这样的:假设密封封装内的水汽含量为5000ppm,则其25℃贮存条件下内部相对湿度为16%,而在使用条件下(产生热量,假设温度升高为55℃)的内部相对湿度为3.2%。

在这样相对湿度条件下,封装内表面吸附的液态水很少,不能形成3个单分子液态水的腐蚀必要条件,能够保证元器件长期贮存和使用环境下的可靠性。内部水汽含量是气密封装元器件一项严格的封装工艺控制项目,在每批次元器件质量一致性测试项目中是必须的。同时也是第三方破坏性物理分析必须的试验项目。

除了抽样进行内部水汽含量检测外,控制内部水汽含量的另一个有效办法是密封性检查。通过测量每个元器件的漏率确保气密封装完好性,避免空气中的水汽侵入影响元器件可靠性。因此选用高等级元器件对于保障系统可靠性是有力保障措施之一。

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来源:可靠性技术交流