1.2 封装技术与可靠性的关系

集成电路封装技术与集成电路可靠性密切相关，根本原因在于封装结构、封装材料、引出端形式和内部芯片封装方式，这些都会直接影响集成电路的热性能、机械性能、防潮性能、抗辐射性能和抗电磁干扰性能等。集成电路的封装基本失效率和固有寿命取决于集成电路的热性能，环境适应性则取决于其机械性能、防潮性能、抗辐射性能和抗电磁干扰性能。

1.2.1 封装热性能与可靠性

经过长期的研究，人们早已认识到，半导体器件每升高10℃，器件寿命会减半。因此，温度是影响半导体器件可靠性的主要因素，而封装结构、封装材料、引出端形式和内部芯片封装方式均对集成电路的散热性能带来很大影响，是决定半导体芯片工作温度的重要因素。

封装I/O端结构对集成电路芯片的工作温度有较大影响，它是集成电路芯片散热的重要热传导路径。I/O端散热效率对比：阵列I/O端散热效率＞四周I/O端散热效率＞双列I/O端散热效率。

在一般情况下，各种封装材料的热导率对比：金属热导率＞陶瓷热导率＞塑料热导率。

各种内部芯片封装方式的散热效率对比：芯片倒装焊散热效率＞芯片引线键合散热效率＞叠层芯片散热效率。

人们从实践中总结的半导体器件随温度退化的10℃法则，表明半导体器件工作温度每升高10℃，器件寿命将减半。MIL标准给出了半导体集成电路工作失效率模型，其中封装热性能对集成电路失效率的影响明显；JEDEC标准给出了半导体器件四种典型失效机理退化的寿命模型，这些均反映了器件芯片温度对集成电路寿命的影响，而器件芯片的结温均与封装热阻有关。

1.2.2 封装机械性能与机械环境适应性

集成电路封装的机械性能直接反映了集成电路的机械环境适应性，它与集成电路的封装结构、封装材料和引出端形式有关。

集成电路在工作或运输环境中，难免遇到振动、冲击、惯性载荷作用等问题，这可能造成集成电路引脚断裂、封装体裂缝等损伤。特别是在PCB电装自动生产线中，需要通过机械臂抓取集成电路，在PCB上安装集成电路，集成电路还必须承受一定的机械抓取力；同时，PCB功能单元在整机系统安装时，表贴在PCB上的集成电路，可能要承受PCB弯曲、振动带来的机械力作用，这些都直接考验集成电路封装的机械环境适应性。

集成电路封装的机械环境适应性可以通过封装I/O端、内引线键合强度、芯片粘接剪切强度、封盖密封强度来表征，并按照相关标准进行试验考核，如GJB 548等标准。

1.2.3 封装气密性与潮湿环境适应性

集成电路封装的气密性反映了集成电路在大气环境中或潮湿环境下工作的适应性，它与集成电路的封装结构、封装材料有关。例如，金属或陶瓷气密封装集成电路的气密性、可靠性远优于塑料封装集成电路。

对塑料封装而言，这种非气密封装的形式，与气密封装的金属封装和陶瓷封装相比，主要缺点就是抗潮湿性能低，当塑料封装集成电路在潮湿环境下工作时，水汽的渗入会导致集成电路芯片腐蚀、可靠性降低、电性能参数变差。水汽进入塑料封装集成电路的路径主要是塑料封装材料与引线框架之间的缝隙，水汽会沿着这些缝隙进入内部芯片，腐蚀芯片表面的金属化层，由于水分子很小（直径约为2.5×10 ^-8 cm），具有很强的渗透和扩散能力，因此水汽还可以透过塑料封装材料的毛细孔和分子间隙渗入封装体内部。例如，在PCB回流焊工艺过程中，塑料封装集成电路出现的“爆米花”开裂失效，即塑料封装体吸潮过多造成的工艺失效。

集成电路的潮湿环境适应性考核：可以通过对气密封装器件内部进行水汽含量检测、气密性检测，考核气密封装器件的气密性；通过潮湿敏感度试验，考核塑料封装器件的回流焊工艺适应性；通过高温高湿试验，考核密封器件、塑料封装器件的耐湿热能力。

1.2.4 封装材料与电磁干扰

集成电路封装结构对集成电路性能的电磁干扰主要表现在两个方面：一是多芯片组装结构带来的相互电磁干扰；二是封装内部涂覆材料对电磁屏蔽效能的影响。

多芯片组装结构带来的相互电磁干扰的根源在于集成电路芯片晶体管开关噪声。集成电路的电磁效应是其本质特点，集成电路中这些开关噪声可以概括为d I /d t 和d V /d t ，即瞬态电流及瞬态电压的影响。随着集成电路规模的增大，内部晶体管数量已经达到十亿量级，因此，开关噪声是不能忽略的；与此同时，为了加快运算速度（与时钟频率相关），决定d I /d t 和d V /d t 大小的上升沿和下降沿在变陡，其产生的影响对集成电路来说也是十分根本的。随着摩尔定律的推动，集成电路的集成度不断提高，d I /d t 和d V /d t 带来的问题凸显，并且不可回避。对于SoC、SiP设计的应用，芯片中包含了数字电路、模拟电路、射频电路等，电路中各类芯片的抗电磁干扰能力不同，尤其是模拟与射频电路更容易受电磁信号的影响，封装结构设计不当可能导致芯片无法正常工作。因此，电路的集成度越高，模块内部芯片之间的相互干扰越严重，内部芯片组装结构设计是解决电磁干扰的手段之一。

封装内部涂覆材料的屏蔽效能决定了模块电路的抗电磁干扰能力。各种新型电磁屏蔽材料，包括金属材料、无机非金属材料、高分子材料及复合材料，这些材料在封装结构中的形式有涂层、薄膜、板材和粉体等。对射频模块而言，电磁屏蔽材料属于近场电磁屏蔽材料，可以通过在电磁辐射源与金属封装体之间粘贴一层软磁屏蔽材料，防止电磁辐射对金属封装壳产生影响。电场屏蔽是指针对大电压、小电流的近场应用环境，通过电场屏蔽材料来抑制电场辐射干扰；磁场屏蔽是指针对小电压、大电流的近场应用环境，通过磁场屏蔽材料来抑制磁场辐射干扰；电磁场屏蔽是指针对复杂电磁场的近场应用环境，通过电磁场屏蔽材料来抑制电磁场辐射干扰。因此，面向近场应用环境的电磁屏蔽材料有三种类型：电场屏蔽材料、磁场屏蔽材料和电磁场屏蔽材料。

1.2.5 封装材料与抗辐射性能

半导体器件的各种封装材料中存在铀（U）、钍（Th）等杂质，这些杂质具有天然放射性，其内部释放的α粒子电离能力较强，在穿过电子器件时可产生大量的电子-空穴对，这些电子-空穴对将被器件收集而引起器件软错误 ^[32] 。软错误虽然可以通过各种手段加以纠正，但如果正好发生在关键位置（如中央处理器的指令缓存），则可能导致严重的灾难性后果。α粒子衰变示意图如图1-25所示。

随着集成电路工艺的持续发展，受集成度增加、供电电压降低、节点电容减小等因素的影响，这些电离粒子在先进工艺中引起的软错误逐渐成为对集成电路高可靠性应用的重大威胁 ^[32，33] 。在大气环境中，α粒子、高能中子和热中子是引起软错误的主要来源 ^[34] 。α 粒子引起的软错误率占比与封装材料等级芯片工艺及使用环境等各种因素密切相关 ^[30] ，是总体软错误率的重要组成部分。

目前，半导体器件中的α粒子主要来源于模塑料、焊球、底部填充料等，如图1-26所示，其辐射率分为三个等级：普通阿尔法、低阿尔法（Low Alpha，LA）和超低阿尔法（Ultra-Low Alpha，ULA）。在现行封装技术下，采用LA或ULA材料是降低封装材料辐射影响的有效措施。通过特殊纯化技术，可使封装材料的表面α粒子的辐射率降低数个数量级，最低可小于0.001cph/cm ² 。通过材料表面的α粒子辐射率测试和器件级辐射试验，可获得封装材料α粒子辐射引起的软错误率。