5)参照SJ 20527A—2003《微波组件通用规范》。5a)表3“C组检验 稳态湿热”;5b)表3“C组检验 盐雾”;5c)3．810．8．2 静电敏感标志;5d)6．1 预定用途 特殊要求在详细规范中规定;5e)表3“C组检验低气压”。
6)参照SJ 20786—2000《半导体光电组件总规范》。6a)表6“C组检验 稳态湿热”;6b)表6“C组检验盐雾”;6c)表6“C组检验 电磁兼容试验”;6d)表6“C组检验 静电放电敏感度试验”。
7)参照SJ 20668—1998《微电路模块总规范》。7a)表2“鉴定检验 稳态湿热”;7b)表2“鉴定检验 盐雾”。
8)根据产品类别,选用相关标准要求,通常情况下,若SiP/SoP产品为气密性封装,则参照GJB 2438A标准要求;若产品为灌封等非气密封装,则参照SJ 20668或SJ 20527A标准要求。
9)参照GJB 3312A—2011《微波电子管通用规范》。9a)、9b)和9c)表2“检验项目表 防潮、盐雾、低气压、热真空”。
(1)湿热环境适应性要求。湿热环境适应性是指产品在高湿、高热环境下工作或储存,仍能实现预定功能、性能且不被破坏的能力,湿热环境适应性要求规定了产品应能耐受的湿度/温度应力水平。一般用标准的稳态湿热试验、耐湿试验,分别模拟雨季高温不通风场合(地下室或坑道)的高温高湿环境、热带和亚热带日夜间的循环高温高湿环境,对元器件及其组件的湿热环境适应性进行考核。
稳态湿热试验,是使产品连续暴露在高温高湿(90%～95%RH/40℃)条件下,促使材料吸潮后膨胀,性能变坏,引起绝缘材料性能下降,甚至可能引起金属材料表面严重腐蚀,引脚断裂。产品受潮机理以水汽吸附、吸收和扩散为主。
耐湿试验,是使产品暴露在高湿和温度循环(80%～100%RH/25～65℃)条件下,反复经受高湿和温度循环的共同作用,引起材料表面凝露和腐蚀、绝缘材料性能下降,同时凝露水汽所引起的应力将会造成材料裂缝加宽。产品受潮机理以表面凝露、蒸发的“呼吸”过程为主,而“呼吸”作用会加速材料的腐蚀。
(2)盐雾环境适应性要求。盐雾环境适应性是指产品在含有很多盐分的大气环境下工作或储存,外部封装材料仍能保持规定的电性能、机械性能和外观要求的能力,盐雾环境适应性要求规定了产品应能耐受的盐雾应力水平。一般用标准的盐雾试验,模拟海洋气候环境,考核元器件及其组件封装材料和外引脚材料的盐雾适应性。
盐雾试验,是使产品暴露在盐雾沉积率为(20～50)g/m2·d的条件下,使产品封装镀涂层表面发生锈蚀,降低元器件及其组件的封装可靠性。
(3)电磁环境适应性要求。电磁环境适应性包括产品的电磁兼容(EMC)性、电磁干扰(EMI)性以及抗静电损伤(ESD)能力,电磁环境适应性要求规定了产品应能满足的电磁发射、电磁干扰应力水平,以及应能耐受的静电放电电压水平。一般采用IEC 61967或GB/T 17626标准方法对集成电路、光电组件、微波组件等微组装产品进行EMC和EMI测试,采用GJB 1649或GB/T 17626标准方法的人体静电放电模型对分立器件、集成电路、混合集成电路、微波组件等微组装产品进行抗ESD水平测试。
(4)辐射环境适应性要求。辐射环境适应性即抗辐射能力,包括:电离辐射(总剂量)、中子辐射,辐射环境适应性要求规定了产品能抵抗辐射应力的水平。空间辐射环境中的γ射线、X射线、高能电子流、快中子流、α射线和β射线都能引起材料的电离,即发生电离辐射效应,在半导体器件中引起瞬时光电流、寄生漏电流、表面效应和化学效应,可能导致器件性能退化和失效;空间辐射环境中的中子、电子和γ射线均能在半导体材料中造成位移损伤,即位移辐射效应,其中以中子辐射影响最大[40]。一般采用GJB 128A—97标准中的“方法1019稳态总剂量辐照程序”和GJB 548B—2005标准中的“方法1017中子辐射试验程序”“方法1019．2电离辐射(总剂量)试验程序”“方法1020．1剂量率感应锁定试验程序”“方法1021．1数字微电路的剂量翻转试验”“方法1023．1线性微电离的剂量率响应和翻转阈值”,对微电子器件产品进行抗辐射能力检测。
(5)低气压/真空环境适应性要求。低气压/真空环境适应性是指产品在空气稀薄环境或真空环境下工作或储存,仍能实现预定功能、性能的能力。低气压/真空环境适应性要求规定了产品所能适应的低气压/真空应力水平。一般用标准的低气压试验和热真空试验,分别模拟高原和高山地带的对流层环境和航天器在空间的真空环境,对元器件及其组件的低气压/真空环境适应性进行考核。
低气压试验,是使产品暴露在低气压((0．15～0．32)×10-6kPa)条件下,使得产品通过空气对流换热的效率降低,导致升温;使气密封装产品产生由内部指向外部的压力,发生封装结构变形和泄漏;使产品的空气绝缘性能下降,产生局部火花或微放电问题。一般用GJB 360B标准“方法105低气压试验”和GJB 616A标准“方法1002A低气压试验”,对电子电气元件、微波组件和微波真空器件的低气压环境适应性进行检测。
热真空试验,是使航天用电子组件产品处于真空(6．65×10-3Pa)和热循环(-35～70℃)条件,使得产品散热能力急剧下降,导致产品内部温度大幅上升;同时伴随温度循环过程,使得产品在不同材料界面处产生热失配,特别是气密封装产品外引脚的玻璃绝缘子,易因此发生破裂。一般用GJB 1027A标准“6．4．4飞行器鉴定热真空试验”或GJB 3758标准“5．1外热流模拟”“5．2温度模拟”,对航天用电子组件产品的热真空适应性进行检测。
3．微组装可靠性与载荷应力的关系
由图1可知,电子微组装包括芯片级互连、1级封装和2级封装,对于每个微组装部位(分别指互连结构、封装结构和内装元器件)而言,其可靠性与产品中该部位实际承受的载荷应力及载荷时间有关,如果用可靠度来度量某个微组装部位的可靠性,则该部位的可靠度Ri是其载荷应力Fr和载荷时间t的函数;而载荷应力Fr作为产品微组装部位对外部环境应力F的真实响应,其大小与环境应力F、微组装结构参数S、微组装材料参数M、内装元器件规格参数P有关,则微组装载荷应力Fr是F、S、M、P的函数,Ri是F、S、M、P的函数。
若产品中有n个微组装部位,则第j(j=1～n)个微组装部位的可靠度Rj是其局部载荷应力Fr,j和载荷时间tj的函数,即
而第j个微组装部位的局部载荷应力Fr,j是F、Sj、Mj、Pj的函数,即
则,第j个微组装部位的可靠度Rj是F、Sj、Mj、Pj的复合函数,即
式中,Tj是产品的寿命;Rj(t)是第j个微组装的可靠度;Fr,j是第j个微组装的直接载荷应力(即响应应力,如半导体器件芯片PN结温TJ、内引线键合谐振频率fV和模态振型X-Y/Y-Z/Z-X、芯片焊料温变载荷ΔT、腔内水汽含量X%H2O等);tj是第j个微组装载荷应力时间;fj是第j个微组装Rj(t)与Fr,j的函数关系;F是产品外部环境应力;Sj是第j个微组装部位的结构几何参数;Mj是第j个微组装部位的材料参数;Pj是第j个微组装部位内装元器件的规格参数;gj是第j个微组装部位的Fr,j与微组装设计参数F、Sj、Mj、Pj的函数关系。
如果建立了微组装产品的可靠性数学模型R(t),如最常用的串联模型,可靠度
这里Rj(t)是把产品中每个互连结构、封装结构和内装元器件分别视为一个独立微组装单元,共计n个独立微组装单元,则微组装产品的可靠度R(t)可以表示为
实际上,环境应力F对微组装可靠性的影响与局部载荷应力Fr,j的类别及应力大小相关,如果按应力类别考虑局部载荷应力,如温度载荷应力Fr1、机械载荷应力Fr2、潮湿载荷应力Fr3、…、m类载荷应力Frm,以及局部多应力耦合载荷应力Fr(1∩m),可以更准确地把握微组装可靠性设计的物理切入点。为清晰表示这些局部载荷应力,参照式(1-3),给出影响产品第j个微组装可靠性的(m+1)类载荷应力矩阵[Fr(i,j)]m+1,j(m类应力、1∩m耦合应力),即
影响产品n个微组装可靠性的载荷应力矩阵[Fr(i,j)](m+1)×n为
式中,包含n个微组装的产品,有(m+1)×n个载荷应力元素Fri,j(应力类别i=1,2,…,m,1∩m;微组装部位j=1,2,…,n);Fr1,j是第j个微组装部位的温度载荷应力,包括恒定温度T、温度变化 ΔT、温度梯度?T、温度变化率?T/?t等;Fr2,j是第j个微组装部位的机械载荷应力,包括谐振频率fj和振型(X-Y/Y-Z/Z-X)、机械冲击力FS、离心力Fa等;Fr3,j是第j个微组装部位的潮湿载荷应力,包括相对湿度%RH、水汽压e、腔内水汽含量X%H2O、…;Fr4,j是第j个微组装部位的电磁场/静电载荷应力,包括电场E、磁场H、静电放电ESD等;Fr5,j是第j个微组装部位的盐雾载荷应力,包括局部盐雾沉积率SF、温度T等;Fr6,j是第j个微组装部位的辐射载荷应力,包括封装内局部电离辐射(总剂量)Cy、中子辐射Cn等;Fr7,j是第j个微组装部位的低气压载荷应力,包括局部低气压或真空度PV等;Fr8,j是第j个微组装部位的电载荷应力,包括电流I、电压V、功耗PD、阻性/感性/容性负载R/RL/RC等;Frm,j是第j个微组装部位的第m类其他载荷应力;Fr(1∩m),j是第j个微组装部位的多应力耦合(1∩2∩…∩m)载荷应力,包括不同类应力的耦合(如:金属腐蚀中的“湿度∩温度”耦合,焊料低周/高周疲劳的“温循∩振动”耦合)和同类应力的耦合(如:MCM内部多热源之间的热耦合)。
所以,元器件、组件和模块产品的微组装可靠性是其局部实际载荷应力的函数,而式(1-10)是产品微组装可靠性设计需要考虑与控制的各类载荷应力,通过建立式(1-4)的可靠度Rj(t)与载荷应力Fr,j之间的函数关系,建立式(1-5)中的载荷应力Fr,j与F、Sj、Mj、Pj的函数关系,并求解式(1-10)中各类局部载荷应力的阈值Sri,j(Fri,j的最大允许值或最小允许值),则可算出针对载荷应力阈值控制的F、Sj、Mj、Pj等关键设计参数。研究表明,微电子产品局部(j=k)单一退化型失效机理的应力阈值,可以在
条件下,基于tj≥ML的要求进行计算(tj是针对失效机理模型预测的失效时间,ML是器件要求的工作寿命)。
实际工程应用中,可以参考现行标准给出的微电子产品可靠性与载荷应力关系的典型数学模型Rj(t)=fj(Fr,j,tj),以及载荷应力与产品性能参数之间的典型数学模型Fr,j=gj(F,Sj,Mj,Pj),或者通过可靠性试验、有限元仿真等手段,建立微组装载荷应力与产品结构之间的关系模型,提取每个部位微组装载荷应力Fri,j以及与Fri,j相关的环境应力、结构材料及内装元器件规格参数,获得满足可靠性指标的设计和使用控制参数:F、Sj、Mj、Pj。这种以微组装载荷应力控制的设计策略,正是电子微组装可靠性设计的核心思想。
例如,混合集成电路(HIC)失效率控制的设计,产品失效率按指数分布考虑,其失效率是温度的函数,
元器件基本失效率与其工作温度的函数关系,采用GJB 299中的数学模型:半导体器件
