2.2 可靠性表征及标准要求

目前，尚无专门针对集成电路封装可靠性评估的相关标准，但可参考元器件及产品可靠性评估标准中的指标，采用失效率和寿命进行封装可靠性表征。集成电路封装失效率主要描述产品在有效工作期内的随机失效概率，寿命主要描述集成电路封装的耗损寿命。过应力造成的封装失效也被称为随机失效，对应浴盆曲线的偶然失效期，此阶段的封装失效是随机发生的，可以简化采用恒定的失效率表征其可靠性水平。长时间应力造成的封装失效也被称为耗损失效，对应浴盆曲线的耗损失效期，此阶段的封装失效主要是材料老化、疲劳和磨损等造成的，失效率会随时间的增加而明显上升，因此一般采用耗损寿命作为表征其可靠性水平的指标。

2.2.1 封装失效率

失效率是表征封装可靠性的一个重要参数。时刻 t 的失效率被定义为，已工作到 t 时刻的产品，在时刻 t 后单位时间内发生失效的概率。图2-7所示为失效率曲线的典型情况，也称为浴盆曲线。

浴盆曲线的失效率随时间变化可分为三个阶段：第一阶段是早期失效期（Infant Mortality），此阶段失效大多是设计、原材料和制造过程中的缺陷造成的；第二阶段是偶然失效期，也称为随机失效期（Random Failures），此阶段失效的主要原因是质量缺陷、材料弱点、环境和使用不当等因素，其失效率较低且较稳定，往往可近似看作常数；第三阶段是耗损失效期（Wear-out），此阶段失效的主要原因是磨损、疲劳、老化等，表现为失效率随时间的延长而增加。

国内外可靠性预计手册和标准通常重点关注浴盆曲线第二阶段的可靠性，采用失效率指标表征相关封装结构的可靠性。例如，我国军标GJB/Z-299C—2006《电子设备可靠性预计手册》考虑焊点热循环疲劳失效，采用表面贴装失效预计模型评估电路板表贴元器件与电路板之间的连接可靠性。式（2-4）和式（2-5）给出了考虑温度应力及元器件表贴焊接形式的失效率。

式中， A 为失效调整系数； λ _b 为基本失效率，可以进一步表示为

式中， d 和 h 为焊点相关尺寸； α _s 和 α _CC 为电路板和封装材料的热膨胀系数；Δ T 为环境温度极值之差； T _RISE 为功耗引起的温升； C _R 为每小时功率循环次数； π _C 为器件引线结构系数。

集成电路的封装形式、封装复杂度是决定其封装失效率的重要条件。GJB/Z-299C—2006标准中考虑封装复杂度的集成电路封装失效率数据见表2-13。

2010年，法国国防协会颁布的FIDES可靠性预计标准更全面地考虑了温度、湿度和振动应力对集成电路封装失效率的影响，FIDES标准中的封装失效率 ^[22] 表示为

式中， λ _{0-应力 i} 为第 i 种应力的基本失效率； Π _{应力 i} 为第 i 种应力系数。不同应力种类的基本失效率可以进一步由封装类型的相关参数表示为

式中， a 和 b 为封装外壳类型和引脚数的常数； N _p 为封装外壳引脚数。FIDES标准中集成电路典型封装失效率模型参数如表2-14所示。

2.2.2 封装耗损寿命

美国电子电路互连和封装协会标准IPC 9701A:2006认为，浴盆曲线的偶然失效期内的封装和组装焊接失效率非常低，并且很难通过试验手段测试得到。在实际工作过程中，集成电路器件封装失效主要发生在第三阶段，即耗损失效期。此阶段的失效率随时间的增加而不断增大，无法采用恒定的失效率模型表征其可靠性。因此，一般采用加速试验方法评估封装的耗损失效期寿命，根据加速试验应力种类和封装失效机理的不同，用于表征封装可靠性的代表性寿命指标如下。

1.高温稳态寿命

高温应力是导致集成电路封装退化失效的主要原因之一。高温会使集成电路封装结构中的缺陷快速暴露，造成内部机械应力增加、键合松脱、填充料熔融、塑封开裂、焊点界面退化等封装结构失效。目前，随着高密度封装技术的发展，以微凸点为载体的高密度3D封装结构应运而生。微小的间距和高度使得焊点对热应力更加敏感，高温会加剧界面扩散速率的不均匀性，进而产生柯肯德尔孔洞，微小尺寸焊点的应力拘束效应会诱导热应力下焊料界面裂纹的萌生。高温稳态寿命通常可以采用阿伦尼乌斯（Arrhenius）方程描述。

2.低周热疲劳寿命

温变应力是导致集成电路封装失效的一个主要原因。温度循环试验施加一定次数的周期性温度变化应力，主要表征热疲劳导致的封装结构失效。在集成电路封装结构中，芯片与焊接层、芯片与键合引线等封装材料的热膨胀系数不可避免地存在不匹配现象。在温度交替变化的过程中，不同热膨胀系数的材料会产生交变应力，这使材料弯曲变形并发生蠕变疲劳，在热膨胀系数差异较大的两种材料交界处产生裂纹，并逐渐扩散最终造成焊接分层、键合引线脱落等封装失效。低周热疲劳寿命通常可以采用Coffin-Manson方程描述。

3.高周振动疲劳寿命

振动应力是导致集成电路封装失效的重要原因，振动失效模式占集成电路器件总失效模式的20%。高周振动疲劳寿命采用振动应力下发生疲劳失效时所经历的时间或循环次数表征。在振动应力的作用下，集成电路封装结构会产生不可逆的损伤，随着损伤的累积，最终出现键合引线脱落、焊点开裂、气密盖板开裂、玻璃绝缘子开裂等封装结构失效。对于大多数集成电路器件而言，其在实际工作中更多承受的是随机振动载荷。因此，一般通过一定振动频率带宽和加速度的随机振动试验来评估集成电路封装的高周振动疲劳寿命。高周振动疲劳寿命可采用Basquin方程来描述，随机振动下的疲劳寿命通常基于Miner准则的疲劳累积损伤来表征。

4.电迁移寿命

本书的电迁移（Electromigration，EM）是指针对封装结构的微凸点、重布线层等金属导体在承受高电流密度情况下，金属原子在电子风的作用下发生宏观移动扩散的现象。在集成电路封装互连结构中，长时间的电迁移会降低互连结构的力学性能，并导致阳极物质堆积而形成凸起，阴极物质削减而出现孔洞，最终诱发封装结构的失效。通常，将电流或电流密度作为电迁移寿命试验条件，通过导通电压或接触电阻来表征封装结构的微观变化。2003年，国际半导体技术发展路线图将电迁移列为限制高密度集成电路封装技术发展的关键因素和核心挑战之一。电迁移寿命通常采用Black方程描述。

5.封装存储寿命

集成电路封装可以保护芯片免受水汽、盐雾等外界环境气体的腐蚀。对于气密封装来说，若封装漏气导致环境气体进入集成电路器件内部，则会造成键合腐蚀、离子沾污进而导致器件失效。陶瓷、玻璃、金属等气密封装多用于航空航天等对器件气密性要求较高的领域，其封装内部腔体充有高纯氮气或其他惰性气体，主要失效模式为盖板密封口在温度和湿度作用下形成漏孔，外界环境气体进入腔体。塑封工艺是非气密封装的代表，其内部不存在空腔，芯片被聚合材料包裹。大分子聚合材料本身的吸湿特性和塑封体与引线框架的界面浸入是塑封器件失效的两种主要方式。对于在寿命周期内多数时间处于非工作存储状态的封装器件，通常通过温度和湿度的加速试验方法评估集成电路封装的存储寿命，湿度加速寿命通常用Lawson模型或Peck模型来描述。

2.2.3 失效率和寿命标准要求

集成电路封装可靠性可以采用相应的失效率和寿命参数表征，包括封装失效率、封装耗损寿命等，相关标准及要求见表2-15。