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電子微組裝與可靠性要求

來源:可靠性雜談 | 作者:范陶朱公 | 發布時間: 2020-11-26 | 1932 次瀏覽 | 分享到:

電子微組裝是為了適應電子產品微型化、便攜式、高可靠性需求，實現電子產品功能元器件的高密度集成，采用微互連、微組裝設計發展起來的新型電子組裝和封裝技術，也是電子組裝技術向微米和微納米尺度方向的延伸，它包含了微電子封裝、混合集成電路和多芯片組件、微波組件、微機電系統等相關產品的微組裝技術。

一、什么是電子微組裝

電子微組裝是為了適應電子產品微型化、便攜式、高可靠性需求，實現電子產品功能元器件的高密度集成，采用微互連、微組裝設計發展起來的新型電子組裝和封裝技術，也是電子組裝技術向微米和微納米尺度方向的延伸，它包含了微電子封裝、混合集成電路和多芯片組件、微波組件、微機電系統等相關產品的微組裝技術。根據電子行業對三個層級電子封裝的定義、IPC/JEDEC標準對兩個層級電子互連的定義和國際半導體技術路線圖（ITRS）對先進系統級封裝（System in Package, SiP）的定義，本書所討論的電子微組裝包括：

·內引線鍵合和芯片倒裝焊的芯片級互連（稱芯片級互連，或0級封裝）；

·單芯片/多芯片組裝及多層布線基板互連的器件級封裝（稱1級封裝）；

· 表面貼裝元件（SMC）和表面貼裝器件（SMD）在PCB或陶瓷基板上貼裝的板級封裝（稱2級封裝）；

·元器件集成在單一標準封裝體內并具有系統功能的系統級封裝（SiP）。

電子封裝分類層級定義如圖1所示，其中，國際上傳統的電子封裝層級（1990年）定義為：芯片級互連、1級封裝、2級封裝和3級封裝，與日本Jisso Roadmap專委會（JRC）提出的Jisso電子互連層級（2005）：1級互連、2級互連、3級互連和4級互連相對應。

圖1 電子封裝分類層級定義

用電子行業和IPC/JEDEC標準定義的封裝互連層級的術語來表述，電子微組裝是包含芯片級互連、1級封裝、2級封裝和系統級封裝（SiP）的，適用于分立元器件、多芯片組件和模塊產品的微組裝與封裝。對于SiP，ITRS給出的定義：一種能夠集成多種不同功能有源電子器件并組裝在單個標準封裝體內，使其能夠為某一系統或子系統提供多個功能的集成式組裝及封裝形式。為實現產品設計功能，SiP可以包含無源元件、微機電系統（MEMS）、光學元件和其他封裝體及部件，換句話說，SiP是一種系統級一體化集成封裝結構，它涵蓋了圖1中的1級、2級和3級封裝技術。

從電子微組裝的組成結構來看，其構成要素有4方面：基礎功能元器件（有源電子器件和無源電子元件）、集成元器件的電路基板（PCB、陶瓷基板等）、元器件與電路基板間的互連組裝材料（內引線鍵合、焊料、黏結料等）、外部封裝材料（金屬外殼、有機包封料和外引腳）。電子微組裝涉及的產品包括：分立電子元器件（Discrete Electronic Component, DEC）、混合集成電路（Hybrid Integrated Circuit, HIC）、多芯片組件（Multi-Chip Module, MCM）、板級組件（Printed Circuit Board Assembly, PCBA）、微波組件（Microwave Assembly, MA）、微系統（Micro-system, MS）、SiP或板級微系統（System on Package, SoP）模塊、真空電子器件（Vacuum Electronic Device, VED）等。

電子微組裝的作用，就是把基礎功能元器件安裝在規定尺寸的封裝體內，保證其內部的電連接，從而實現產品設計的功能。為此，需要采用各種微組裝技術，實現產品內部芯片間互連、芯片與外殼基板的互連、1級封裝與2級封裝的互連，并同時滿足產品散熱、機械固定和防潮等方面的要求。

二、電子微組裝技術發展歷程及特點

作為電子組裝封裝技術的組成部分，電子微組裝技術以傳統電子封裝技術為基礎，為適應產品微型化的需求而得以不斷發展。產業化的電子組裝封裝技術發展至今，已有60多年的歷史。

1．電子組裝封裝技術發展歷程

20世紀50年代，電子元器件主要有真空電子管、長引腳無源元件，這時通常采用導線連接、螺絲擰緊的方式在金屬板框架上固定元器件，并未形成或提出組裝密度的概念。應用的代表產品有電子管收音機。

20世紀60年代，半導體晶體管的出現，逐步取代了真空電子管，開始使用軸向引線元件和晶體管，采用手工焊接工藝，將元器件引腳插入單面印制電路板（PCB）的焊孔進行焊接，實現了在PCB電路板上組裝元器件，大大縮小了電子產品的體積。應用的代表產品有塑料外殼半導體收音機。

20世紀70年代，發展了以雙列直插式封裝（Double In-line Package, DIP）和插針網格陣列封裝（Pin Grid Array Package, PGA）為代表的半導體集成電路（Integrated Circuit, IC），以及徑向引腳的無源元件，采用自動插裝技術在雙面PCB電路板上組裝元器件。應用的代表產品有黑白、彩色電視機。

20世紀80年代，發展了以四邊扁平封裝、四邊J形引腳扁平封裝為代表的大規模集成電路，形成標準化的表面貼裝器件（Surface Mounted Device, SMD）和表面貼裝元件（Surface Mounted Component, SMC），采用表面貼裝技術（SMT）在多層布線PCB和多種陶瓷基板上組裝元器件。應用的代表產品有電子表、電子照相機。

20世紀90年代，發展了以球柵陣列（Ball Grid Array, BGA）和芯片尺寸封裝（Chip Size Package, CSP）為代表的高密度封裝器件，以及超大規模半導體集成電路和多芯片組件（MCM），形成了封裝、芯片面積比小于1.5的高封裝效率技術，采用自動貼裝技術在高密度多層PCB、玻璃基板（Chip on Glass, COG）和多層陶瓷基板上組裝元器件或裸芯片。其中，MCM是在HIC基礎上發展起來的用于高性能系統的模塊產品，價格昂貴，主要應用于航天、航空等高性能、高可靠性要求的產品，如IBM 4300系列大型計算機系統的MCM結構CPU，其陶瓷基板有40多層，包含25種IC。其他商業化應用的代表產品有手機、便攜式電子產品。

2000—2010年，發展了系統級封裝（SiP）技術、圓片級封裝技術（WLP），并形成實用化產品。SiP是在成熟的主流IC裝配技術和表面安裝技術（SMT）基礎上發展起來的高密度封裝新技術，充分利用現有成熟的組裝技術，靈活運用各種不同芯片資源和封裝互連優勢，在保持SiP系統高性能的同時降低成本，其封裝解決方案包括：芯片并列、堆疊結構，PoP封裝結構，PiP封裝結構。應用的代表產品有智能手機、迷你移動存儲卡、藍牙模塊等。

2010年至今，開發了極小化元器件，組裝在撓性帶載基板（Flexible Printed Circuit, FPC）上，打造生活化可穿戴設備，其特點是：低功耗、低成本、小尺寸，應用的代表產品有與互聯網結合的智能手環、手表、眼鏡、衣服等可貼身穿戴的電子產品。同期，進一步發展了SiP和SoP系統集成技術，在SiP芯片級互連方面，為獲得更高性能和組裝密度，不斷優化3D芯片堆疊和TSV硅通孔技術；在SoP多層基板互連和元器件組裝方面，開發了內埋置元件多功能基板，SiP、SoP封裝技術在射頻和無線電設備、固體硬盤、汽車電子、微機電系統等領域的應用不斷拓展。

國際半導體技術路線圖（ITRS）報告（2015年）指出，半導體芯片體積到2021年將不再縮小，預測技術進步的傳統“摩爾定律（Moore's Law）”—每1～2年單芯片內晶體管數量翻倍且性能提升一倍，將在5年內終結，如圖2所示。為持續提高半導體器件性能和運算速度，芯片只能向3D轉型，3D堆疊等新型微組裝技術將在短期內成為芯片晶體管密度提高的重要手段，并被解釋為預測技術進步的“摩爾定律升級（More than Moore）”，在“ITRS 2.0”中，3D集成技術將聚焦系統集成、異構集成和異構組成等三維集成微組裝技術。長遠來看，多種功能芯片的高密度集成必然帶來新型電子微組裝技術的發展和革命。

圖2 ITRS報告：傳統“摩爾定律”將在2021年終結

2．電子微組裝技術發展趨勢和特點

自1960年出現晶體管以來，電子封裝50多年的演變和發展趨勢如圖3所示。

圖3 電子封裝50多年的演變和發展

與SiP相比，SoP亦是系統級封裝的概念，雖然都采用“封裝”來描述，但前者強調一個小型完整“封裝”的理念，后者強調在單一基板上實現系統功能“組裝”的理念，各有優勢和適用范圍。為保證系統級封裝的一體化，SiP注重芯片級互連技術，通過芯片疊層、硅TSV通孔、芯片倒裝焊和內引線鍵合等互連技術，實現對構成系統功能的各類裸芯片在單一封裝體內的高密度組裝，系統功能的拓展則采用PoP或PiP封裝技術，SiP大量應用于存儲器等數字產品和高可靠性產品。而為保證復雜系統功能在單一基板上的實現，SoP注重無源嵌入及多層布線基板技術，通過LTCC、MLCC、厚膜等多層布線基板技術和可埋置薄膜阻容感元件技術，實現對構成系統功能的各類獨立封裝元器件（包括MCM、SiP）在單一多功能基板上的高密度組裝，以滿足各種復雜系統功能的組裝要求，SoP主要應用于射頻/微波組件、光學探測和微機電傳感等微系統產品。從近10年的系統級封裝技術發展和應用對比來看，SiP商業化產品已成熟推出，而SoP的更高性能的多層基板技術還在不斷開發和完善，其成熟的商業化產品仍在期待中。

為適應電子產品的小型化應用，21世紀初至今，電子微組裝技術在三個方向不斷創新和進步。

（1）微米級的組裝技術，實現更小尺寸、更高密度的封裝。如：硅芯片TSV通孔技術、碳納米管微凸點技術。

（2）圓片級封裝（Wafer Level Package, WLP）技術，實現工藝成本的降低和封裝效率及可靠性的提高。如：從Fan-in WLP發展到Fan-out WLP，通過eWLP-BGA結構使3D SiP封裝在縱向互連。

（3）滿足系統功能的3D封裝物理布局設計技術，以最合理的封裝結構實現產品的系統功能。如：通過基于SiP的信息安全芯片集成設計技術解決信息安全系統中邏輯芯片與存儲器難集成的問題，采用內埋置多層布線基板和芯片疊層組裝技術滿足射頻收發及D/A轉換等系統功能設計要求，采用單晶硅基板和硅埋置型多層BCB/Au布線的SiP封裝工藝技術滿足k波段雷達功分器的設計要求，利用多層厚膜布線基板技術設計以滿足毫米波SoP電路系統功能，以及利用先進的埋置型晶圓級BGA技術和PoP技術（eWLB-PoP）解決手機高密度封裝問題并滿足相應的功能要求。實際上，系統級封裝（SiP、SoP）的設計，需要綜合考慮產品的功能、尺寸、重量、成本和可靠性要求，是需要將產品功能與傳統PCB技術、先進SoC及SiP/SoP互連技術協同設計的封裝技術。

ITRS報告關于3DIC TSV的技術路線圖表明，2009—2015年，TSV技術進步特點是尺寸減小到原來的一半，見表1；ITRS報告關于SiP芯片與基板布線互連的絲鍵合水平，見表2。

表1 ITRS 3DIC TSV路線圖：TSV技術

注：W2W，Wafer to Wafer，晶片與晶片（堆疊）；

D2W，Die to Wafer，芯片與圓片（堆疊）；

D2D，Die to Die，芯片與芯片（堆疊）；

TSV，Through Silicon Via，硅通孔。

表2 ITRS關于SiP封裝的絲鍵合水平

總體而言，隨著電子封裝技術的快速發展，特別是電子微組裝技術的加入和拓展，半導體技術、封裝技術和系統級封裝產品之間不斷滲透，界限越來越模糊。在一個系統級封裝產品中，由于元器件高密度組裝，其微組裝材料既是結構的固定材料又是電路的阻容感元件，特別是微波電路產品，因此系統功能的實現與半導體裸芯片之間的互連方式以及多層基板布線結構的設計直接相關。

從產品的角度，在電子微組裝技術創新和進步的帶動下，電子封裝技術有以下八個主要發展方向：

① 向著高密度、多I/O數方向發展；

② 向著提高表面貼裝密度方向發展；

③ 向著高頻、大功率方向發展；

④ 向著薄型化、微型化、不對稱化、低成本化方向發展；

⑤ 從單芯片封裝向多芯片封裝發展；

⑥ 從2D平面封裝向3D立體封裝方向發展；

⑦ 向著系統級封裝（SiP、SoP）方向發展；

⑧ 向著綠色環保化方向發展。

三、電子微組裝可靠性要求

電子微組裝可靠性要求，體現在兩個層面。首先是微組裝產品的可靠性要求，其次是產品微組裝互連結構的可靠性要求，產品的可靠性要求決定了微組裝互連結構的可靠性要求，雖然產品可靠性與使用環境密切相關，但最終決定產品可靠性的應力因素是產品微組裝物理結構的實際載荷應力。

標準對可靠性的定義：產品在規定的條件下和規定的時間內完成規定功能的能力。可以知道，對某類產品而言，其可靠性所描述的“能力”與使用環境應力和工作時間有關，而這種“能力”可以用可靠度、失效概率、失效密度、失效率、平均壽命、特征壽命等可靠性特征量來度量，如果用可靠度來度量產品的可靠性，則產品的可靠度（R）是使用環境應力F和時間t的函數，即

式中，ψ為產品可靠度R與環境應力F和時間t的函數關系，T為產品壽命。

現實中的使用環境，應力F有各種類型，如：溫度應力F1（恒定溫度T，溫度變化ΔT，溫度梯度?T，溫度變化率?T/?t，…），機械應力F2（振動應力FV，機沖應力FS，恒加應力Fa，…），潮濕應力F3（%RH，…），電磁應力F4（電場E，磁場H，靜電損傷ESD，…），鹽霧F5（SF，…），輻射應力F6（總劑量Cy，中子注入量Cn，…），低氣壓F7（PV，…）等，如果把產品電負荷（電流I，電壓V，功耗P，頻率f，負載R/RL/RC，…）作為電載應力F8，產品工作時間（持續時間t，開關/循環/沖擊次數N，…）是必然存在的時間應力，則產品可靠度就是這些環境應力、電載應力和時間應力的函數，根據式（1-1），將產品可靠度R與外部環境應力F之間的關系寫為

如果分別考慮某類應力或多類應力耦合對產品可靠性的影響，則根據式（1-2），產品可靠度R與各種環境應力F和時間t的函數關系可表示為

式中，φ1、φ2、…、φ8和ψ，分別是產品可靠度R與環境的溫度應力F1、機械應力F2、潮濕應力F3、電磁場/靜電應力F4、鹽霧應力F5、輻照應力F6、低氣壓應力F7、電載應力F8和多應力耦合（F1∩…∩F8）的函數關系。

所以，產品的可靠性是環境應力的函數，不同環境應力下的產品可靠性不盡相同，可以通過可靠性試驗和各類環境試驗，考核產品的可靠性與環境適應性，綜合環境試驗可以考核產品在多環境應力耦合下的環境適應性，加速壽命、加速退化等加速應力試驗是快速建立式（1-3）中可靠性函數關系的有效手段。

1．微組裝產品可靠性要求

電子微組裝互連包括芯片級互連、1級封裝和2級封裝，從相關標準和組裝結構定義來區分，其涉及的產品有分立電子元器件（DEC）、混合集成電路（HIC）、多芯片組件（MCM）、微波組件（MS）、光電組件（Opto-Electronic Assembly, OEA）、微電路模塊（Microcircuit Modules, MM）、系統級封裝產品和真空電子器件（VED）等。

相關標準規定了可靠性基本要求和環境適應性要求（含用戶規定），包括以失效率和壽命為指標的可靠性基本要求，以溫度、機械、濕熱、鹽霧、電磁、輻照、低氣壓等標準環境應力為指標的環境適應性要求。前者描述產品在規定應力（通常降額）條件下長期工作仍能實現規定功能的能力要求，后者描述產品在規定應力（極限或額定）條件下短時間工作（或非工作）仍能實現規定功能的能力要求。顯然，可靠性基本要求和環境適應性要求分別描述了產品質量的“耐力”和“強度”，可靠性基本要求強調的是較低應力水平和長時間工作，環境適應性強調的是較高應力水平和短時間工作。

1）可靠性基本要求

表3列出了與失效率和壽命相關的6項可靠性基本要求，這些基本要求由元器件、組件和模塊的相關標準或用戶來規定。評價產品是否達到這些基本可靠性要求的標準為GB 1772—79《電子元器件失效率試驗方法》、GJB 128A—97《半導體分立器件試驗方法》、GJB 360B—2009《電子及電氣元件試驗方法》、GJB 548B—2005《微電子器件試驗方法和程序》、GJB 616A—2001《電子管試驗方法》、GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗收試驗》和GB 2689.1～2689.4—81《壽命試驗和加速壽命試驗方法》。

表3 電子元器件、組件和模塊產品的可靠性基本要求（標準和規范）

注：1）參照GJB 33A—97《半導體分立器件總規范》，1a）表5C組周期檢驗；

2）參照各類電子元件總規范，如：GJB 63B—2001《有可靠性指標的固體電解質鉭電容器總規范》，4.7.19壽命；GJB 601A—98《熱敏電阻器總規范》；

3）參照GJB 597B—2012《半導體集成電路通用規范》，3a）表B.4 C組檢驗；

4）參照GJB 2438A—2002《混合集成電路通用規范》，4a）表C.14 C組檢驗；

5）參照SJ 20527A—2003《微波組件通用規范》，5a）和5b）表3 C組檢驗；

6）參照SJ 20786—2000《半導體光電組件總規范》，6a）表6 C組檢驗；

7）參照SJ 20668—1998《微電路模塊總規范》，7a）表2 鑒定試驗；

8）根據產品功能類別選用相關標準，通常情況下，若SiP/SoP產品為氣密封裝，則參照GJB 2438A標準要求；若產品為灌封等非氣密封裝，則參照SJ 20668標準要求；

9）參照GJB 3312A—2011《微波電子管通用規范》，9a）和9b）表2 檢驗項目表，9c）4.9 保證使用壽命，9d）3.6.9 儲存壽命。

（1）失效率（λ）要求。

失效率（λ）是指工作到時刻t時尚未失效的產品在單位時間內失效的概率，失效率要求規定了產品在有效工作壽命期內允許發生隨機失效的概率上限。可以用失效率等級、失效率預計值或失效率計算值、規定條件下穩態壽命或間歇壽命的期望來表征元器件及其組件的失效率要求。

失效率等級，是針對元器件失效率高低劃分的等級。根據GB1772—79《電子元器件失效率試驗方法》中的定義，元器件失效率等級共分為七級，由低至高依次為：亞五級，五級，…，十級，失效率單位為1/小時或1/10次，可以通過該標準的試驗方法，對壽命符合指數分布的元器件產品進行失效率定級、等級維持和升級。

失效率預計，是指利用以往累積的現場使用失效數據，對壽命符合指數分布的元器件，預計其工作狀態下的失效率。根據GJB/Z299C—2006《電子設備可靠性預計手冊》，采用元器件應力分析可靠性預計法，對國產元器件的基本失效率或工作失效率進行預計，進口元器件則采用相關的預計手冊。

失效率計算，是利用加速應力試驗的失效數據，對壽命符合指數分布的半導體器件，計算器件FIT級失效率。根據JESD 85（2001），對半導體器件在單一失效機理、多失效機理狀態下的失效率進行計算。

穩態壽命或間歇壽命，是指利用產品在1000小時或規定開關次數內、在最高允許殼溫或環境溫度下的額定功率試驗數據。針對壽命符合指數分布的分立器件、HIC、MCM、微波組件、微電路模塊、SiP/SoP等，測定某批次產品可靠性是否符合規定條件下的失效率（λ）要求，或者說測定某批次產品是否已處于失效率浴盆曲線的有效工作壽命期，而不具有早期失效的特征。根據GJB 33A—97《半導體分立器件總規范》、GJB 597B—2012《半導體集成電路通用規范》、GJB 2438A—2002《混合集成電路通用規范》、SJ 20527A—2003《微波組件通用規范》、SJ 20668—1998《微電路模塊總規范》和GJB 922—90《電子管總規范》，開展規定條件下的穩態壽命、間歇壽命等試驗。

（2）壽命要求。壽命是指產品在規定條件下，從開始使用到必須大修或報廢的壽命單位數（工作時間、循環次數）。對元器件及其組件產品而言，壽命要求則是規定了產品在有效工作壽命期或儲存期至少應達到的壽命，可以用平均壽命（MTTF或MTBF）、工作壽命和儲存壽命的期望來表征元器件及其組件的壽命要求。

平均壽命，是指產品壽命這一隨機變量的平均值，標志著一批產品平均能工作多長時間的量，對于不可修復的元器件而言，元器件平均壽命是失效前的平均時間，即平均失效前時間MTTF（Mean Time to Failure）；對于可修復的微波組件、光電組件、真空電子器件產品而言，其平均壽命是平均失效間隔時間，記為MTBF（Mean Time Between Failure）。當元器件或組件產品壽命符合指數分布時，MTTF/MTBF表示可靠度R=0.368時的壽命，這時可以通過MTTF或MTBF獲取其失效率，λ=1/MTTF或1/MTBF。根據GJB 899A—2009《可靠性鑒定和驗收試驗》，可以對微波組件、光電組件、真空電子器件進行試驗獲得MTBF。

工作壽命，在這里是指元器件和組件連續工作或發生性能退化而不再滿足要求時的耗損壽命，是一種表征產品退化特性的壽命參數，與失效率浴盆曲線的有效工作壽命區（隨機失效階段）的寬度對應。元器件和組件的耗損壽命應大于配套整機的連續工作壽命，無論元器件和組件是穩態工作還是間歇（開關）工作，整機中最短耗損壽命（短板壽命）的元器件決定了整機的工作壽命。根據GB 2689.1～2689.4—81、JEP 122G（2011），可以對元器件和組件開展加速壽命試驗和評估，獲取耗損壽命參數。

儲存壽命，是指產品在規定儲存條件下能夠滿足規定要求的儲存期限。元器件和組件的儲存壽命應大于配套整機的儲存壽命，目前行業對元器件和組件儲存壽命的指標要求有5年、8年、13年和15年。根據GB 2689.1～2689.4—81和JEP 122G（2011），結合儲存環境的溫度、濕度及運輸應力條件，可以對元器件和組件開展儲存加速壽命試驗和評估，獲取儲存壽命。儲存期間元器件非工作狀態的失效率預計，可以按照GJB/Z 108—98《電子設備非工作狀態可靠性預計手冊》進行。

2）溫度、機械環境適應性要求

表4給出了與溫度、機械相關的6類環境適應性要求，這些要求來自電子元器件、組件和模塊產品通用規范的相關環境適應性考核要求。評價產品是否達到規定的適應性要求的試驗方法，除前面列出的標準GJB 128A—97、GJB 360B、GJB 548B、GJB 616A外，還有標準GJB 150A—2009《軍用裝備實驗室環境試驗方法》、GB/T 2423《電工電子產品基本環境試驗規程方法系列》、GB/T 2424《電工電子產品基本環境試驗規程導則系列》。

表4 電子元器件、組件和模塊環境適應性要求——溫度/機械（標準和規范）

（1）溫度環境適應性要求。溫度環境適應性是指產品在其壽命期預計可能遇到的各種溫度環境下進行工作或儲存，仍能實現預定功能、性能且不被破壞的能力，溫度環境適應性要求則規定了產品應能耐受的溫度應力水平。可以用高溫/低溫環境適應性、溫度循環適應性、溫度沖擊適應性的期望來表征元器件及其組件的溫度環境適應性要求。

高溫/低溫環境適應性，是指產品在最高、最低額定外殼溫度或環境溫度條件下工作，能夠滿足規定功能和性能的適應能力。極端高溫/低溫會使元器件和組件產品的結構和物理性能發生很大變化，導致產品損傷或發生性能變化，如：高溫使有機材料快速老化、半導體器件PN結漏電流增加、絕緣材料性能下降，低溫使有機材料喪失彈性或破裂、金屬和塑料脆性開裂、氣密封裝器件內部水汽凝露發生參數超差或短路等。采用高溫/低溫試驗，可以對元器件及其組件的高溫/低溫環境適應性進行考核，其最高溫度和最低溫度以產品詳細規范中“工作條件-溫度范圍”規定的最低殼/環溫度和最高殼/環溫度為依據。

溫度循環適應性，是指產品在極端高溫和極端低溫，以及極端高溫與極端低溫緩慢交替變化（ΔT/min≤20℃）條件下工作，能夠滿足規定功能和性能的適應能力。高溫、低溫及高低溫緩慢交替變化應力的持續施加，會使元器件和組件產品材料界面的韌性材料發生疲勞和蠕變，導致局部導電性能和機械強度下降，如：使元器件焊點材料熱疲勞導致開裂、使塑封器件水汽沿引腳框架滲入導致芯片腐蝕、使氣密封裝器件內部水汽凝結并蒸發導致芯片腐蝕加速等。采用溫度循環試驗，可以對元器件及其組件的溫度循環適應性進行考核，其溫循應力水平以標準或產品詳細規范要求為準。

溫度沖擊適應性，是指產品經歷溫度劇變（ΔT/min≥20℃）后仍能保持結構完整性的能力。溫度劇烈變化，會使元器件和組件內部在材料界面迅速形成強烈應力響應，可能導致產品快速產生裂紋和結構損傷，如：使硬焊料燒結的芯片破裂、使密封器件玻璃絕緣子開裂水汽滲入、使元件涂敷層脫落等。采用溫度沖擊試驗，可以對元器件及其組件的溫度沖擊適應性進行考核，試驗應力水平參考相關標準。

（2）機械環境適應性要求。機械環境適應性是指產品在其壽命期預計可能遇到的多種機械環境的作用下，仍能實現預定功能、性能且不被破壞的能力，機械環境適應性要求規定了產品應能適應的機械應力水平。可以用機械振動適應性、機械沖擊適應性、恒定加速度（或穩態加速度）適應性的期望來表征元器件及其組件的機械環境適應性要求。

機械振動適應性，是指產品在經歷機械振動后或在機械振動條件下工作，仍能保持結構完整或滿足規定功能和性能的能力。機械振動會使產品結構產生裂紋損傷或振動疲勞破壞，如：繼電器觸點接觸不良、PCB板上元器件引腳焊點振動疲勞脫開、氣密性封裝組件蓋板焊縫開裂等。為模擬地面固定裝置、船舶航行等引起的正弦振動，模擬火箭發射、噴氣發動機和車輛行駛等引起的隨機振動，標準給出了掃頻振動和振動疲勞試驗（10～2000Hz掃頻或定頻的正弦振動激勵）以及隨機振動試驗（10～2000Hz同時在所有頻率上進行激勵），考核產品抗振能力和振動疲勞壽命。

機械沖擊適應性，是指產品在經歷機械沖擊后，仍能保持結構完整的能力。機械沖擊產生于產品裝卸、車輛緊急制動和碰撞等過程，由于產品突然受力或運動狀態發生突然變化，使元器件和組件產品結構瞬間變形并產生瞬態沖擊響應，可能導致產品結構破損，如：氣密封裝蓋板塌陷導致內引線變形損傷、HIC電路陶瓷基板開裂、高密度陶封電路內引線觸碰短路等。采用機械沖擊試驗，可以對元器件及其組件的機械沖擊適應性進行考核。

恒定加速度（或穩態加速度）適應性，是指產品在經歷某種恒定加速度作用后，仍能保持結構完整的能力。恒定加速度產生于車輛、飛機和導彈的加速、減速、轉彎等過程，由于產品不斷受到恒定加速度的作用，使元器件或組件內部組裝結構持續受到與加速度方向相反的應力作用，可能導致產品外殼、引線、封接等處損傷，導致電性能變壞，如：加速度過載使MEMS器件微硅質量塊系統發生不可恢復的形變、電感或電容器量值變化、繼電器誤動作、組件內部表面貼裝元件脫落等。一般采用離心方式的恒定加速度試驗，對元器件和集成電路封裝結構、模塊電路組裝結構的恒定加速度適應性進行考核。

3）濕熱、鹽霧、電磁、輻射、低氣壓環境適應性要求

表5列出了與濕熱、鹽霧、電磁、輻射、低氣壓5類環境的適應性要求，這些要求來自電子元器件、組件和模塊產品通用規范的相關環境適應性考核要求，評價其是否達到規定的適應性要求的試驗方法，除前面列出的標準GJB 128A—97、GJB 360B、GJB 548B、GJB 616A、GJB 150A、GB/T 2423和GB/T 2424外還依據標準GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗鹽霧試驗》等。

表5 電子元器件、組件和模塊環境適應性要求——濕熱/鹽霧/電磁/輻照/低氣壓（標準和規范）

注：1）參照GJB 33A—97《半導體分立器件總規范》。1a）表5“C組檢驗耐濕”；1b）表5“C組檢驗鹽霧”；1c）“4.5.2.1 ESD等級鑒定”；1d）表1b“輻射強度保證等級和要求”；1e）表7“E組檢驗（僅對＞200V器件）”。

2）參照各類電子元件總規范。如：GJB 63B—2001《有可靠性指標的固體電解質鉭電容器總規范》，2a）表4“C組檢驗耐濕”；2b）表4“C組檢驗鹽霧”。GJB 601A—98《熱敏電阻器總規范》。

3）參照GJB 597B—2012《半導體集成電路通用規范》。3a）表B.5“D組檢驗耐濕”；3b）表B.5“D組檢驗鹽霧”；3c）檢測方法：IEC 61967，Ed.2∶Integrated circuits-Measurement of electromagnetic emissions-Part 3∶ Measurement of radiated emissions-Surface scan method.2013；3d）3.4.2.4 ESDS等級鑒定；3e）表2“RHA等級”。

4）參照GJB 2438A—2002《混合集成電路通用規范》。4a）表C.15“與封裝有關的D組檢驗耐濕”；4b）表C.15“與封裝有關的D組檢驗鹽霧”；4c）3.8.5.7.3 ESDS識別標志；4d）表E.1“RHA等級”；4e）GJB1027A—2005《運載器、上面級和航天器試驗要求》6.4.4組件鑒定熱真空試驗。

5）參照SJ 20527A—2003《微波組件通用規范》。5a）表3“C組檢驗穩態濕熱”；5b）表3“C組檢驗鹽霧”；5c）3.810.8.2 靜電敏感標志；5d）6.1 預定用途特殊要求在詳細規范中規定；5e）表3“C組檢驗低氣壓”。

6）參照SJ 20786—2000《半導體光電組件總規范》。6a）表6“C組檢驗穩態濕熱”；6b）表6“C組檢驗鹽霧”；6c）表6“C組檢驗電磁兼容試驗”；6d）表6“C組檢驗靜電放電敏感度試驗”。

7）參照SJ 20668—1998《微電路模塊總規范》。7a）表2“鑒定檢驗穩態濕熱”；7b）表2“鑒定檢驗鹽霧”。

8）根據產品類別，選用相關標準要求，通常情況下，若SiP/SoP產品為氣密性封裝，則參照GJB 2438A標準要求；若產品為灌封等非氣密封裝，則參照SJ 20668或SJ 20527A標準要求。

9）參照GJB 3312A—2011《微波電子管通用規范》。9a）、9b）和9c）表2“檢驗項目表防潮、鹽霧、低氣壓、熱真空”。

（1）濕熱環境適應性要求。濕熱環境適應性是指產品在高濕、高熱環境下工作或儲存，仍能實現預定功能、性能且不被破壞的能力，濕熱環境適應性要求規定了產品應能耐受的濕度/溫度應力水平。一般用標準的穩態濕熱試驗、耐濕試驗，分別模擬雨季高溫不通風場合（地下室或坑道）的高溫高濕環境、熱帶和亞熱帶日夜間的循環高溫高濕環境，對元器件及其組件的濕熱環境適應性進行考核。

穩態濕熱試驗，是使產品連續暴露在高溫高濕（90%～95%RH/40℃）條件下，促使材料吸潮后膨脹，性能變壞，引起絕緣材料性能下降，甚至可能引起金屬材料表面嚴重腐蝕，引腳斷裂。產品受潮機理以水汽吸附、吸收和擴散為主。

耐濕試驗，是使產品暴露在高濕和溫度循環（80%～100%RH/25～65℃）條件下，反復經受高濕和溫度循環的共同作用，引起材料表面凝露和腐蝕、絕緣材料性能下降，同時凝露水汽所引起的應力將會造成材料裂縫加寬。產品受潮機理以表面凝露、蒸發的“呼吸”過程為主，而“呼吸”作用會加速材料的腐蝕。

（2）鹽霧環境適應性要求。鹽霧環境適應性是指產品在含有很多鹽分的大氣環境下工作或儲存，外部封裝材料仍能保持規定的電性能、機械性能和外觀要求的能力，鹽霧環境適應性要求規定了產品應能耐受的鹽霧應力水平。一般用標準的鹽霧試驗，模擬海洋氣候環境，考核元器件及其組件封裝材料和外引腳材料的鹽霧適應性。

鹽霧試驗，是使產品暴露在鹽霧沉積率為（20～50）g/m2·d的條件下，使產品封裝鍍涂層表面發生銹蝕，降低元器件及其組件的封裝可靠性。

（3）電磁環境適應性要求。電磁環境適應性包括產品的電磁兼容（EMC）性、電磁干擾（EMI）性以及抗靜電損傷（ESD）能力，電磁環境適應性要求規定了產品應能滿足的電磁發射、電磁干擾應力水平，以及應能耐受的靜電放電電壓水平。一般采用IEC 61967或GB/T 17626標準方法對集成電路、光電組件、微波組件等微組裝產品進行EMC和EMI測試，采用GJB 1649或GB/T 17626標準方法的人體靜電放電模型對分立器件、集成電路、混合集成電路、微波組件等微組裝產品進行抗ESD水平測試。

（4）輻射環境適應性要求。輻射環境適應性即抗輻射能力，包括：電離輻射（總劑量）、中子輻射，輻射環境適應性要求規定了產品能抵抗輻射應力的水平。空間輻射環境中的γ射線、X射線、高能電子流、快中子流、α射線和β射線都能引起材料的電離，即發生電離輻射效應，在半導體器件中引起瞬時光電流、寄生漏電流、表面效應和化學效應，可能導致器件性能退化和失效；空間輻射環境中的中子、電子和γ射線均能在半導體材料中造成位移損傷，即位移輻射效應，其中以中子輻射影響最大[40]。一般采用GJB 128A—97標準中的“方法1019穩態總劑量輻照程序”和GJB 548B—2005標準中的“方法1017中子輻射試驗程序”“方法1019.2電離輻射（總劑量）試驗程序”“方法1020.1劑量率感應鎖定試驗程序”“方法1021.1數字微電路的劑量翻轉試驗”“方法1023.1線性微電離的劑量率響應和翻轉閾值”，對微電子器件產品進行抗輻射能力檢測。

（5）低氣壓/真空環境適應性要求。低氣壓/真空環境適應性是指產品在空氣稀薄環境或真空環境下工作或儲存，仍能實現預定功能、性能的能力。低氣壓/真空環境適應性要求規定了產品所能適應的低氣壓/真空應力水平。一般用標準的低氣壓試驗和熱真空試驗，分別模擬高原和高山地帶的對流層環境和航天器在空間的真空環境，對元器件及其組件的低氣壓/真空環境適應性進行考核。

低氣壓試驗，是使產品暴露在低氣壓（（0.15～0.32）×10-6kPa）條件下，使得產品通過空氣對流換熱的效率降低，導致升溫；使氣密封裝產品產生由內部指向外部的壓力，發生封裝結構變形和泄漏；使產品的空氣絕緣性能下降，產生局部火花或微放電問題。一般用GJB 360B標準“方法105低氣壓試驗”和GJB 616A標準“方法1002A低氣壓試驗”，對電子電氣元件、微波組件和微波真空器件的低氣壓環境適應性進行檢測。

熱真空試驗，是使航天用電子組件產品處于真空（6.65×10-3Pa）和熱循環（-35～70℃）條件，使得產品散熱能力急劇下降，導致產品內部溫度大幅上升；同時伴隨溫度循環過程，使得產品在不同材料界面處產生熱失配，特別是氣密封裝產品外引腳的玻璃絕緣子，易因此發生破裂。一般用GJB 1027A標準“6.4.4飛行器鑒定熱真空試驗”或GJB 3758標準“5.1外熱流模擬”“5.2溫度模擬”，對航天用電子組件產品的熱真空適應性進行檢測。

2．微組裝可靠性與載荷應力的關系

由圖1可知，電子微組裝包括芯片級互連、1級封裝和2級封裝，對于每個微組裝部位（分別指互連結構、封裝結構和內裝元器件）而言，其可靠性與產品中該部位實際承受的載荷應力及載荷時間有關，如果用可靠度來度量某個微組裝部位的可靠性，則該部位的可靠度Ri是其載荷應力Fr和載荷時間t的函數；而載荷應力Fr作為產品微組裝部位對外部環境應力F的真實響應，其大小與環境應力F、微組裝結構參數S、微組裝材料參數M、內裝元器件規格參數P有關，則微組裝載荷應力Fr是F、S、M、P的函數，Ri是F、S、M、P的函數。

若產品中有n個微組裝部位，則第j（j=1～n）個微組裝部位的可靠度Rj是其局部載荷應力Fr,j和載荷時間tj的函數，即

而第j個微組裝部位的局部載荷應力Fr,j是F、Sj、Mj、Pj的函數，即

則，第j個微組裝部位的可靠度Rj是F、Sj、Mj、Pj的復合函數，即

式中，Tj是產品的壽命；Rj（t）是第j個微組裝的可靠度；Fr,j是第j個微組裝的直接載荷應力（即響應應力，如半導體器件芯片PN結溫TJ、內引線鍵合諧振頻率fV和模態振型X-Y/Y-Z/Z-X、芯片焊料溫變載荷ΔT、腔內水汽含量X%H2O等）；tj是第j個微組裝載荷應力時間；fj是第j個微組裝Rj（t）與Fr,j的函數關系；F是產品外部環境應力；Sj是第j個微組裝部位的結構幾何參數；Mj是第j個微組裝部位的材料參數；Pj是第j個微組裝部位內裝元器件的規格參數；gj是第j個微組裝部位的Fr,j與微組裝設計參數F、Sj、Mj、Pj的函數關系。

如果建立了微組裝產品的可靠性數學模型R（t），如最常用的串聯模型，可靠度

這里Rj（t）是把產品中每個互連結構、封裝結構和內裝元器件分別視為一個獨立微組裝單元，共計n個獨立微組裝單元，則微組裝產品的可靠度R（t）可以表示為

實際上，環境應力F對微組裝可靠性的影響與局部載荷應力Fr,j的類別及應力大小相關，如果按應力類別考慮局部載荷應力，如溫度載荷應力Fr1、機械載荷應力Fr2、潮濕載荷應力Fr3、…、m類載荷應力Frm，以及局部多應力耦合載荷應力Fr（1∩m），可以更準確地把握微組裝可靠性設計的物理切入點。為清晰表示這些局部載荷應力，參照式（1-3），給出影響產品第j個微組裝可靠性的（m+1）類載荷應力矩陣[Fr（i，j）]m+1,j（m類應力、1∩m耦合應力），即

影響產品n個微組裝可靠性的載荷應力矩陣[Fr（i，j）]（m+1）×n為

式中，包含n個微組裝的產品，有（m+1）×n個載荷應力元素Fri,j（應力類別i=1，2，…，m，1∩m；微組裝部位j=1，2，…，n）；Fr1,j是第j個微組裝部位的溫度載荷應力，包括恒定溫度T、溫度變化 ΔT、溫度梯度?T、溫度變化率?T/?t等；Fr2,j是第j個微組裝部位的機械載荷應力，包括諧振頻率fj和振型（X-Y/Y-Z/Z-X）、機械沖擊力FS、離心力Fa等；Fr3,j是第j個微組裝部位的潮濕載荷應力，包括相對濕度%RH、水汽壓e、腔內水汽含量X%H2O、…；Fr4,j是第j個微組裝部位的電磁場/靜電載荷應力，包括電場E、磁場H、靜電放電ESD等；Fr5,j是第j個微組裝部位的鹽霧載荷應力，包括局部鹽霧沉積率SF、溫度T等；Fr6,j是第j個微組裝部位的輻射載荷應力，包括封裝內局部電離輻射（總劑量）Cy、中子輻射Cn等；Fr7,j是第j個微組裝部位的低氣壓載荷應力，包括局部低氣壓或真空度PV等；Fr8,j是第j個微組裝部位的電載荷應力，包括電流I、電壓V、功耗PD、阻性/感性/容性負載R/RL/RC等；Frm,j是第j個微組裝部位的第m類其他載荷應力；Fr（1∩m）,j是第j個微組裝部位的多應力耦合（1∩2∩…∩m）載荷應力，包括不同類應力的耦合（如：金屬腐蝕中的“濕度∩溫度”耦合，焊料低周/高周疲勞的“溫循∩振動”耦合）和同類應力的耦合（如：MCM內部多熱源之間的熱耦合）。

所以，元器件、組件和模塊產品的微組裝可靠性是其局部實際載荷應力的函數，而式（1-10）是產品微組裝可靠性設計需要考慮與控制的各類載荷應力，通過建立式（1-4）的可靠度Rj（t）與載荷應力Fr,j之間的函數關系，建立式（1-5）中的載荷應力Fr,j與F、Sj、Mj、Pj的函數關系，并求解式（1-10）中各類局部載荷應力的閾值Sri,j（Fri,j的最大允許值或最小允許值），則可算出針對載荷應力閾值控制的F、Sj、Mj、Pj等關鍵設計參數。研究表明，微電子產品局部（j=k）單一退化型失效機理的應力閾值，可以在

條件下，基于tj≥ML的要求進行計算（tj是針對失效機理模型預測的失效時間，ML是器件要求的工作壽命）。

實際工程應用中，可以參考現行標準給出的微電子產品可靠性與載荷應力關系的典型數學模型Rj（t）=fj（Fr,j，tj），以及載荷應力與產品性能參數之間的典型數學模型Fr,j=gj（F，Sj，Mj，Pj），或者通過可靠性試驗、有限元仿真等手段，建立微組裝載荷應力與產品結構之間的關系模型，提取每個部位微組裝載荷應力Fri,j以及與Fri,j相關的環境應力、結構材料及內裝元器件規格參數，獲得滿足可靠性指標的設計和使用控制參數：F、Sj、Mj、Pj。這種以微組裝載荷應力控制的設計策略，正是電子微組裝可靠性設計的核心思想。

例如，混合集成電路（HIC）失效率控制的設計，產品失效率按指數分布考慮，其失效率是溫度的函數，

元器件基本失效率與其工作溫度的函數關系，采用GJB 299中的數學模型：半導體器件

電阻器

電容器

感性元件

等。根據以上函數關系可以算出滿足失效率指標要求的所有內裝元器件的工作溫度上限TJ（器件PN結結溫或元件熱點溫度），采用熱阻模型TJ=RJ-C·PD+TC，計算與TJ相關的設計參數和使用控制參數：熱阻Rj、元器件功耗Pj、殼溫TC，從結構、材料、元器件選擇等方面提出最優設計方案。如果考慮HIC耗損壽命控制設計，則采用由Arrhenius模型導出的壽命模型

3．電子微組裝可靠性要求

在產品設計階段，電子微組裝可靠性要求是指微組裝可靠性設計要求。微組裝可靠性設計的目的，是消除影響產品可靠性的主要失效模式并控制性能退化速率，使產品設計達到預期可靠性與環境適應性要求。

微組裝失效模式和退化機理，與微組裝的載荷應力類別和水平有關。相關標準和專著，在對微組裝失效模式、失效機理及其數理模型的研究和應用中，重點關注溫度應力、機械應力和潮濕應力的影響，如長期穩態溫度應力可導致微電子器件性能退化、長期溫變應力可導致表貼（表面貼裝）焊點低周疲勞開裂、振動應力可導致GBA焊點高周疲勞、水汽滲入可導致內裝芯片腐蝕等。

1）溫度載荷應力下電子微組裝可靠性要求

溫度載荷應力，包括穩態溫度應力和變化溫度應力，不同類型的溫度應力及應力水平，對電子微組裝帶來不同的退化機制和失效機理。表6為溫度載荷應力下電子微組裝可靠性要求（可靠性設計指標），表7給出了電子微組裝熱降額設計指標要求。

表6 溫度載荷應力下電子微組裝可靠性要求（可靠性設計指標）