塑封微电路在航空飞行应用中可靠使用的关键问题

引 言
多年以来航空飞行应用一般不鼓励使用塑封微电路（PEM），而陶瓷封装由于有坚固的特性（包括抗潮湿、耐受温度大幅变化的能力和抵抗应力开裂的能力），因而在关键应用中主要靠陶瓷封装设计，而且，陶瓷封装要经过严格的鉴定试验，辐照加固器件也只有以陶瓷封装来提供。
航级部件的市场份额日益下降，目前只占美国销售部件的1%。与此同时塑封封装的部件类型却增加了。目前许多高性能高密度微电路都没有气密性封装。陶瓷封装部件一般批量较小，因而价格较高，而塑封部件因批量大而价格较低。塑封微电路(PEM)在航空飞行中应用有多种好处，因此目前军方和非军方的高可靠性项目都对PEM有强烈兴趣。?
PEM的总体可靠性经过材料和工艺的改进后有了稳步的提高。目前已开发出低应力基片连接材料，工艺改进后提高了线焊强度。填充材料的改良、工艺过程杂质的明显降低、自动模压设备的出现以及引线框结构和研磨技术的改进，使塑料封装对不良环境的抵抗力增强。?
现代化的PEM采用自动模压工艺和高纯度塑封材料，并用高质量和钝化层工艺来保护基片。现在还开发出了高效的PEM试验和评价方法。PEM的失效率已从78年的每百万器件小时约100下降到90年的每百万器件小时0.05。?
表1所示是逻辑LSI封装的发展历程。
PEM要在航空应用中使用成功，必须具有足够的可靠性。要设计出可靠的PEM封装，有必要充分了解与一些参数的机械特性和热机械特性有关的设计问题和关键问题，这些参数包括有：引线框材料与结构，封装厚度与大小，焊接温度与“玉米花效应”，对潮湿的吸收，基片连接材料特性，模压复合材料特性，密封材料的除气。?
2?引线框材料与结构?
金属合金引线框可支撑基片，可用作I／O互连系统的基本部件，并可提供热传导通路，用以耗散基片产生的大部分热量。引线框合金必须为基片与板之间提供良好的电导通率，并具有较低的热膨胀系数(CTE)，能抵抗氧化和腐蚀，具有足够的机械强度、抗软化能力、弯曲成形能力和可焊性。但没有一种合金能提供上述所有特性的最佳值，因而要根据具体情况折衷考虑来选择。?
引线框合金通常有两类：铁／镍基(如合金42和合金50)和铜基(如合金94和合金151)。铁／镍合金过去一直用于除高功率应用以外的所有应用，优点是CTE较低。其最大的缺点是热传导率较低，因此高功率耗散基片一般使用铜合金引线框。?
在选择引线框材料时应对下列关键特性进行评价：?
①清洁、平滑的表面和边缘，以保证电镀时无缺陷，避免应力的集中。?
②高度完好性的电镀涂层，没有氧化膜，以加强模压复合物的粘合度。?
③基片和模压复合物的CTE匹配可减少热机械应力。铜合金的CTE在17～18PPM／℃之间，合金42的CTE为4～5PPM／℃，而大多数环氧树脂模压复合物的CTE为16～20PPM／℃，基片的CTE为2～3PPM／℃。使用铜合金引线框要求有相配的基片连接材料，以降低热机械应力。?
④由于引线框是封装热传导的基本途径，因此建议使用高传导率材料(如铜合金)。?
⑤由于引线框是基片与PWB之间互连系统的主要部件，最好用低电阻材料，在这方面铜合金优于铁／镍合金。?
3?封装厚度和尺寸?
小型薄封装是90年代的产品。由于封装朝着尺寸更小、保护层更薄的方向发展，使封装对许多问题的抵抗力下降。薄封装对焊接热、热冲击和温度循环的影响抵抗力较弱，而且对潮湿的侵入和离子污染也较敏感。?
要避免热问题和内部潮湿或污染，就需要有下列的设计特性：?
①能够在低模压温度下使用的低粘滞性模压复合物，以降低剪切率引起的现场失效。?
②空腔较少，总周期时间为一、两分钟的小型模具，以利于生产率和过程控制。?
③清洁的生产环境，以便降低与污染有关的失效。?
④高自动化水平，避免高针数PEM的损坏。?
⑤开发现代化的封装材料，即快速凝固的模压复合物。?
4?焊接温度与玉米花效应?
PEM的板装配是一个严重的可靠性问题。与封装尺寸、材料特性和环境条件有关的问题或失效(如分层剥离)都有可能出现。?
焊接方法和PEM封装吸收的潮湿量是要考虑的重要问题。在焊接过程中，PEM一般暴露在205～250℃的温度下15秒～3分钟。当温度超过模压材料的玻璃转换温度(一般为130～160℃)时，模压材料变得极软，失效应变力也随温度的升高而开始下降，因而在此焊接温度下，模压复合物开裂的概率是很高的。?
另外，PEM焊接到板上时，吸收的潮湿水分也会引起严重的问题。据报道，下列因素会大大提高PEM封装产生“玉米花”开裂的风险：?
①内部水分含量超过重量的0.11%。?
②焊接温度高于220℃。?
③焊接过程中温度变化率超过10℃／秒。?
对印刷线路板进行再加工，移去缺陷元部件时会给邻近部件带来额外的热应力或热机械应力，导致原有内部裂纹的扩大。这些应力也会造成电开路、接触电阻上升和断线。?
这些缺陷可通过以下途径来避免：?
①选择有较强防潮湿侵入能力和较好粘合度的模压复合物。韧性较高和高温下弹性模量较低的模压复合物在焊接温度下表现最好。?
②修改引线框设计，以增强模压复合物的粘合度。?
③基片表面上、下的模压复合材料保持相同的厚度。?
④避免焊盘上出现毛剌和基片上出现尖锐处。?
⑤控制焊接和再加工过程中的最大焊接温度和温度变化率。?
⑥部件发货时要用干燥剂，PEM在焊接前要进行烘烤，以去除内部水分。?
5?潮湿的吸收?
即便材料接面处没有剥离的裂缝，PEM在潮湿环境下也会吸收水分。水分侵入到模压复合材料是一个热动态过程。潮湿引起的损坏可造成电开路、短路或间断，并有可能形成通路，使装配过程中的有害化学物轻易进入到封装内。?
按企业标准JESD22－A112和IPC－SM－786，表面安装PEM的潮湿敏感水平分为6级(见表2)。这些规范没有包括的一个因素是不同环境温度和相对湿度对有效暴露时间的影响。为了确定真正安全的暴露时间，建议对JEDEC／IPC的潮湿水平进行降额。目前PEM生产厂和模压材料供应厂正致力于降低封装的潮湿敏感度，通过模压材料、封装设计、模压材料的选择、引线框设计、包装和处理过程等方面的改进，有助于缓解这一问题。
6?基片粘接材料特性?
基片粘接材料有三类：聚合物、焊料和易熔金，其中用得最普遍的是聚合物。使用聚合物比用无机材料廉价，速度也更快，连气密性封装也经常使用聚合物进行基片粘接。聚合物具有较强的抗温度循环效应的能力，在粘接过程中不要求加热(但粘接之后一般需要进行热固化)。目前已研制出了热膨胀系数与硅基片接近的低应力材料。? #p#分页标题#e#
使用聚合物也存在不少问题。由于夹带空气、配方不当或固化时溶剂蒸发，因而容易形成孔隙，造成基片中孔隙附近的热机械应力较高。而大基片的孔隙问题更加严重，会由于局部结温的升高而引起电参数偏移或造成基片开裂。另外，聚合物的粘接强度在高温存储时也会下降。聚合物还会吸潮，在处理过程中要加以控制才能减少这一影响。通过基片、基片焊盘和封装材料的CTE匹配以及过程控制，可最大程度地减少基片粘接缺陷。?
7?模压材料标准与特性表征?
塑料封装的可靠性会受封装材料，特别是模压复合物的影响，因此对高可靠性PEM用户来说，了解模压复合物的物理特性及其与PEM性能的关系是非常重要的。?
表3列出了模压复合物的特性及其典型值或极限值。据调查，许多特性值的变化很大，要取决于具体应用环境。表中带*号的特性值对于用户来说特别重要。?
材料除气特性在表3中没有列出，但对航空应用很重要。因此用户应询问生产厂是否进行了除气试验，必要时还可要求获得试验结果。必要时用户还必须亲自做材料除气试验。
玻璃转换温度(Tg)是非常重要的特性。Tg较高时PEM可承受较高的操作温度，但Tg较高，TCE(热膨胀系数)也较高，模压复合物中的介质损耗因素也较高。另外，Tg较高的材料会吸收更多的水分。选择模压复合物的目标是在提高或保持材料韧性的同时降低弹性模量(特别是在高温情况下)。弹性模量的降低通常是通过改变硬化系统来实现，但这种方法会降低Tg。?8?模压复合物的除气?
在宇航卫星中使用的模压材料，其除气是一个主要的问题。所有的事实和数据都表明，ECN(环氧邻甲酚膝用酚醛树脂)的除气在宇航应用中不成问题。NASA对常见模压材料的评价表明，总的质量损失在1%以内，可收集的易挥发可冷凝物质在0.1%以内。?
另外，NASA还将进行几项研究，了解PEM的潮湿和污染及其在真空中释放所产生的效应。