高密度CQFP封装IC的CA结构分析研究

虞勇坚，郁 骏，吕 栋

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

高密度CQFP封装IC的CA结构分析研究

虞勇坚，郁 骏，吕 栋

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏无锡 214035）

针对高密度CQFP封装的质量评价，现有标准主要立足于电路本身，没有考虑到工程应用的组装、试验和使用过程中可能会发生的各种失效问题，仅仅按照国军标的规定通过鉴定和质量一致性等可靠性试验和检验无法全面有效地保证其应用可靠性。通过结合实际工程应用关注封装外壳、互联区域和芯片之间本身结构上的薄弱点，以高密度CQFP封装IC为例，对其进行结构单元分解，确定分析流程和检验项目，并以实际应用案例说明了对高密度CQFP封装IC进行结构分析的重要性。

高密度；陶瓷封装；结构分析

1 引言

基于航空航天用集成电路产品高可靠性的要求，高密度陶瓷气密性封装与塑封集成电路原位互换，CQFP、CBGA和CCGA高密度封装得到了发展，封装结构和封装工艺等方面发生了重大变化[1]。出于对多功能、高性能、高可靠性以及更薄、更轻、更高密度的需求，或应用环境恶劣（如温度变化更大）又要求更长使用寿命，为保证集成电路能够长期适应工作环境并稳定工作，必须对这些新型高密度陶瓷气密性封装IC开展结构分析工作。

结构分析（Construction Analysis，CA）伴随着航空航天技术的发展，是国际宇航界于20世纪90年代提出的除失效分析和破坏性物理分析以外的又一种重要的元器件可靠性评估方法[1～5]，结构分析主要评价元器件的设计、结构和工艺合理性。

目前国内外主要在航天领域提出了对元器件的结构分析要求，还没有针对集成电路结构分析形成专门的标准[5]。在上世纪90年代，国外有针对FPGA和Flash存储器件开展结构分析的报道[6～9]，国内开展相关工作较晚，文献报道大都在2010年后，且大都偏向于CA结构分析、DPA破坏性物理分析和失效分析在检验项目上的差异性研究，或者针对常规陶瓷封装器件进行结构分析。在检验方法和检验项目上，国内北航、五所等检验机构以及上海航天技术研究所、空间技术研究院等单位大都参照GJB597B、GJB2438A等标准内相关的检验方法开展研究[1～2]。针对高密度CQFP封装IC进行结构分析的工作还没有报道。

本文以高密度CQFP封装IC为例开展结构分析研究，从设计、结构和工艺合理性等角度进行分析，降低用户因材料、尺寸、工艺等方面参数匹配不明确或技术条件不清晰等引发试验或实际应用过程中出现盖板崩掉、恒加变形、检漏变形、焊点脱落、外引线开裂、热失配、冲击强度大后拉脱引脚等问题的风险。

2 与结构分析相关的参照标准

国内对于集成电路用的外壳结构分析参考GJB1420、GJB2440等通用规范，但这些没有考虑电路芯片粘接、引线键合、密封等封装工艺对结构以及应用的影响，对结构分析来讲是不全面的。

集成电路的筛选检验、考核鉴定通常参考GJB597和GJB2438等通用标准，或参考生产线认证通用规范GJB7400等执行，而质量保证检验参照GJB4027和GJB3233等进行，缺少集成电路具体应用对结构分析的要求。

通用规范或质量保证程序、详细规范等仅要求元器件必须按照国军标的规定通过鉴定和质量一致性等可靠性试验和检验，主要立足于电路本身的质量评价，不涉及安装、组装等工程应用，考虑工程应用的安装、焊接、试验和使用过程中带来的新变化，可能会引发各种失效问题[6]。

宇航产品对于元器件安装的引线成形技术等工程应用技术有专门的标准，如 QJ165B-2014、QW1263-2010、QJ3171-2003，QJ3050A-2011等，集成电路对引脚做结构分析时可用此作为参考和指导。

本文根据所收集到的标准和技术文件[8～10]，以半导体集成电路的规范性标准为基础，参照国内外的相关标准，结合工程应用中的实际情况和需求，通过对某型号高密度CQFP封装IC的材料、尺寸、工艺等方面进行CA结构分析研究，为开展对高密度CQFP封装IC进行CA结构分析的检验项目和流程提供参考。

3 CA结构分析单元分解和检验流程

3.1 常规陶瓷封装IC的结构分析检验项目

从宏观上来说，结构分析应分为仿真分析和试验分析两种[5]，仿真分析在知晓集成电路各类参数的基础上，通过各种专业软件，从器件结构、热分布、应力分布、逻辑激励等方面进行建模仿真分析，完成试验难以完成或很难获得的分析数据，对结构优化更有帮助，但由于需要熟悉内部电路的功能逻辑、材料参数等信息，专业程度高、涉及面广，结构分析时一般不特意开展。试验分析包括非破坏性和破坏性分析两类[3,5]，一般包含外观检查、标识牢固性检查、X-ray检查、扫描电镜SEM检查、键合强度测试等十多个检验项目，见表1。

表1 常规陶瓷封装IC的CA结构分析检验项目

3.2 高密度CQFP封装IC的CA结构分析单元分解

在航空航天产品工程板级组装和环境试验过程中，判别元器件是否含有宇航禁用材料、封装结构和结构可靠性是CA结构分析的主要目的。

以高密度CQFP封装IC为例，CQFP外壳的结构和材料、封装工艺材料和结构、芯片互连相关结构和组装前的成型是器件结构上的4个主要方面，这也是CA结构分析进行单元分解的依据，按照IC的制造工艺和流程可对这4个方面做进一步分析和分解[1]，见图1。

针对外壳（含盖板）的分析项目，按照构成外壳（含盖板）的组成可进一步划分为盖板、壳体（腔体结构、热沉等）、外引脚等3个要素，再对各个要素从禁用材料、封装结构和结构可靠性等方面逐项进行检验和评价。例如可通过纵向制样结合SEM+EDS对外引脚、盖板、热沉的结构和材料进行分析，评价器件是否含有宇航禁用工艺和材料；通过对外引脚的尺寸测量，可获知外引脚是否存在“犬脚”、变径、其宽厚比是否合理、长度是否足够打弯成型等；通过对盖板上标识牢固性的检验考察标识油墨的耐腐蚀性能，评价标识在复杂应用工程环境下脱落的可能性等。

图1 高密度CQFP封装IC的结构单元分解

针对封装工艺材料和结构的分析项目，按照封装工艺流程可划分为芯片粘接、键合（键合指、内引线）、密封等3个要素，从禁用材料、封装结构和结构可靠性等方面逐项进行检验和评价。例如，通过测量各个关键部位的材料成分，判别器件是否含有宇航禁用材料和工艺；芯片剪切和拉脱判别芯片粘接牢固性，评价工程应用中耐冲击和加速度的能力；通过测量腔体结构的高度、芯片到腔壁间距、多层台阶高度、引线弧高以及热电综合作用下的引线结构强度等可评价引线在可靠性试验过程中的抗倒伏和扭曲（与长度相关）性能；通过测量引线与盖板间隙，评价封装内异物引起引线和盖板间偶发短路的可能性；通过对密封钎焊材料和金相分析评价器件的长期密封性能。

针对芯片互连相关结构的分析项目应包含两个方面。一是针对芯片本身的检查，按照制造工艺可进一步细分为钝化层、金属化层、隔离结构和层间介质等4个要素的检查，其中通过扫描电子显微镜（SEM）检查和钝化层完整性检查检验钝化层是否存在工艺缺陷；通过纵向制样结合SEM测量钝化层、金属化层和层间介质的材料和厚度检验器件是否符合宇航工艺需求等。二是针对芯片互联结构的分析，例如测量键合丝直径和材料以判断是否符合宇航应用；针对芯片的键合压点的分析，应从材料和结构上进行分析。例如，通过纵向解剖测量芯片背面金属化层厚度和键合压点下的金属化层厚度、合金层厚度和金相结构（Au、Al、Al-Si、Al-Si-Cu等）判断键合工艺长期可靠性。

针对组装前成型的分析项目，例如通过对外引线的成形工艺和封装结构合理性进行分析，研究在环境应力作用下的引线牢固性和应力释放能力，评价工程应用中引线疲劳断裂和焊接开裂的可能性。例如测量和分析外引脚形状尺寸、疲劳微裂纹等，可获知外引脚结构对组装可靠性的影响、总体结构强度抗冲击、三综合应力实验、恒定加速度、扫频等应力应变的能力。

3.3 高密度CQFP封装IC的结构分析检验项目和流程

高密度CQFP封装IC由于在设计、结构和工艺上的变化（如外引脚更细、节距更小），带来了抗疲劳和耐冲击能力降低、8 mm×8 mm以上大尺寸芯片粘接抗剪有效性、大尺寸盖板高加速度下恒定加速度试验和检漏加压中的变形、高密度封装引脚共面性带来的焊接可靠性等众多问题。

根据高密度CQFP封装器件的结构特征，其CA结构分析检验项目除了常规检查以外[4～5]，结合工程应用需求进行分析项目的增减，例如增加外引脚共面性检查、平整度检查和可焊性检查可预判器件组装工艺是否会出现虚焊等焊接可靠性问题；增加引脚牢固性检查结构可判断组装结构强度抗冲击、三综合应力实验、恒定加速度、扫频等应力应变能力等。新增分析项目包括非破坏性分析3项，破坏性分析5项，见表2。

表2 高密度CQFP封装IC结构分析增加的检验项目

根据以上高密度CQFP封装IC的结构分析检验项目，建立如图2、图3所示的CA仿真分析和试验分析流程。

图2 高密度CQFP封装IC的CA结构仿真分析流程

图3 高密度CQFP封装IC的CA结构试验分析流程

另外需要特别指出，在进行SEM+EDS测量分析时，需包含对盖板和外引脚的镀层厚度及成分、粘接材料和密封材料的成分、内引线的结构和材料的检验，在必要时需对总体结构或局部结构强度和合理性进行仿真分析。

4 CA结构分析案例——CQFP外引线工艺结构改良

某型号高密度CQFP封装IC装机前未进行结构分析，板级三综合试验过程中在第6个循环出现外引脚焊接开裂（规范要求18个循环），这种开裂在引脚转折处（焊接部位）最为明显，见图4。

图4 引脚焊接开裂

后对该产品进行结构分析，发现外引脚焊接开裂的原因是由于外引脚的外形结构设计未充分考虑到板级组装可靠性引起的。三综合温循过程中，PCB板与CQFP封装器件的CTE失配（陶瓷外壳为7×10-6，FR4PCB板为16×10-6～18×10-6），在涨缩过程中引脚发生了一定的弹性形变，使作用在引脚焊点上的应力增大。根据器件引脚高度尺寸、CTE、弹性模量、泊松比、抗弯模量等参数推算，高温70℃和低温-55℃时，PCB对每个引脚的作用力分别达到1.98 N和3.52 N，胀缩量分别为11.7 μm和20.8 μm，如此大的作用力和涨缩量足以在短周期温度循环下导致引脚焊接开裂。

后对该型电路的外引脚更改成型方案（当然也可以将外壳引脚钎焊到顶面、中间台阶等），见图5，改进后引脚具有2个半弧形，无论涨缩，应力都可以在半弧形缓冲段顺时针或逆时针弯曲，从而减轻对焊接端的冲击，见图6。

图5 更改成型方案

图6 应力缓冲释放途径

经用户原位替换后实际验证，试验20个循环未出现焊接开裂现象，表明改进措施有效。

5 结论

选取高密度CQFP封装集成电路作为研究对象，根据收集到的标准和技术文件，以半导体集成电路的规 范 性 标 准 为 基 础 ， 以 GJB548B-2005、GJB4027A-2006和GJB2438A-2002为依据，参照宇航、中微高科及JESD22-B115B、JESD22-B117A等国内外相关标准，并结合电路结构和工程应用中的实际情况和需求综合考虑，通过对电路本身结构上可能存在的隐患或可能导致失效的薄弱点进行分析和分解，增减结构分析项目（内容）、选择或提升/降低技术标准，在可参考的常规结构分析检验依据和项目的基础上，增加物理尺寸（含封装外壳、腔体结构和外引脚结构）、共面性检查、平整度检查、内部水汽含量、钝化层完整性（剖面制样）、外引脚抗拉强度、芯片拉脱强度、可焊性等8项检验内容，特别关注外引脚结构、盖板和外引脚的镀层厚度及成分，芯片粘接材料和盖板密封材料的成分，内引线的结构和材料，电路内部的布局等因素。

通过对高密度CQFP封装IC的材料、尺寸、工艺等角度进行分析，建立起适用于CA结构分析的检验项目和检验流程，通过实际案例验证了结构分析的必要性,其分析结论有助于外壳设计和封装工艺进行优化、对用户组装、试验等过程提供参考或指导意见。另外需要指出的是，在对如CBGA、CCGA等类型的高密度封装IC进行结构分析时，检验项目需要根据器件的实际结构结合工程应用需求进行分析项目的增减、技术标准的提升或降低，不可完全照搬现有的检验方法和流程，以免造成检验漏项，忽略了对某些关键结构的分析，导致评价分析不全面而引起质量问题。

[1]张磊，夏泓，龚欣.宇航元器件结构分析技术研究[J].电子元器件与可靠性，2012，30（5）：54-57.

[2]龚欣.航天用DC/DC电源模块结构分析研究 [J].电子元器件与可靠性，2010，28（5）：23-28.

[3]刘平，许百胜.结构分析（CA）在电子组装领域的应用[J].电子工艺技术，2011，32（5）：258-261.

[4]张延伟，江理东，陈志强.一种新的元器件可靠性评估方法——结构分析（CA）[J].可靠性物理与失效分析技术，2003（5）：1-3.

[5]陶帅，肖凤娟，朱美光.结构分析在航天可靠性技术中的应用与实践[J].质量与可靠性，2014，171（3）：53-55.

[6]ICE-Corp.Actel A1440 FPGA Construction AnalysisReport [R].SCA 9504-403，1995.

[7]JPL，NASA.Part construction analysis report intel 16 Mb“smart voltage”flash memory[R].1996.

[8]GJB548B-2005.微电子试验方法和程序[S].

[9]GJB 4027A-2006.军用电子元器件破坏性物理分析方法[S].

[10]GJB2438A-2002.混合集成电路通用规范[S].

Research of Construction Analysis for High-Density CQFP-Packaged ICs

YU Yongjian,YU Jun,LV Dong

（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi214035,China）

The past decades have witnessed long term evolution of high-density ceramic packaging technology in the aspects of size,materials and construction.Traditional standards fail to tackle all failures that may occur during the packaging,test and operation of ICs.Reliability test and inspection measures cannot ensure satisfactory reliability.The paper focuses on construction weak points of ICs,such as package and interconnects,and deconstructs high-density CQFP-packaged IC for construction analysis.

high-density;ceramic package;CA

TN305.94

A

1681-1070（2017）04-0001-04

虞勇坚（1978—），男，江苏丹阳人，硕士，2004年毕业于南京理工大学，主要从事半导体集成电路可靠性分析工作。

2017-2-14