侯 青 蔡巧娟
西安芯派电子科技有限公司，陕西省西安市 710077
摘要：本文以理论分析加实验验证的方式讲述了MOSFET塑封料评估的环境试验与老化试验的比对分析，发现对于塑封料评估的可靠性试验设计必须合理，如果芯片工艺稳定，历史表现良好，那么环境试验比老化试验更直接有效的验证了塑封料的性能，但是对于无钝化层工艺或者历史表现一般的芯片而言，老化试验也是验证塑封料必不可少的测试项目。
关键词：功率MOSFET 塑封料 可靠性 环境试验 老化试验
0 引言
对于功率MOSFET的认证及可靠性试验的标准较多，像JEDEC,AEC,IEC,MIL,GJB等,标准中也有关于材料工艺变更等项目的可靠性测试项目选择指南，一般参考指南来选择测试项目即可，但是对于塑封料的评估来说，同时做环境试验和老化试验即需要大量的样品增加成本，试验周期也较长。究竟是环境试验适合，还是老化试验更适合呢？哪个试验更能快速、有效的得出结论呢？而这两种试验结论的对比及失效模式又如何呢？本文通过理论分析并结合实际实验室的测试结果来分析说明对于MOSFET塑封料评估的环境试验、老化试验有效性及结果进行比对。
1 功率MOSFET 塑封料评估
功率MOSET塑封料评估是指对产品塑封料的改善或者替换而做的评估测试。对于MOSFET封装企业来说只有高品质的原材料才会有高品质的产品，但往往高品质伴随的是高成本，那么企业要增加利润、降低成本，就要在保证产品质量的前提对原材料进行持续改善或者重新寻找价格低、性能好的材料替换，而塑封料也是其中之一；而对于改善后或者替换后的塑封料是否符合质量要求，设计和执行系列验证测试就是评估，如果评估测试顺利通过，相关验证记录及报告完成且PCR通知到客户并同意，那么就可以实现正常生产。
2 MOSFET 环境试验
可靠性测试中的环境试验包括高温储存（HTS）,低温储存（LTS），高温蒸煮（PCT）,热冲击（TS），温度循环（TC）,温湿度储存（THS），潮气灵敏度等级试验（MSL）等，环境试验主要是考核MOSFET封装密封性及产品运输，贮存和使用条件下的性能，暴露和分析MOSFET在不同环境和应力条件下的失效规律和失效机理，为改进产品可靠性提供依据，是质量保证的重要手段。美军标MIL-ZTD-781D中明确规定：环境试验是可靠性试验的必要补充内容，也是提高产品可靠性的重要手段。而对于塑封料评估的环境试验来说是属于对材料更改的可靠性的验证，通过试验来判定塑封料密封性及替换现有材料的可行性。例如某款MOSFET产品，有两款新的塑封料无论从供应商提供的材质分析，性能表现或者客户反馈来看都是可行的，那么通过批准试产工程批而后进行可靠性验证，潮气灵敏度MSL试验后，C-SAM扫描内部情况如下：
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用现有塑封料作为Control批进行试验的目的是为了排除因为芯片因素而导致验证失败。从上述事例可看出，PCT试验可以有效的考核塑封料的抗潮气能力；H3TRB是在高温高湿的环境下考核产品储存能力，电压是加速水分的渗透；TC是在高低温转化循环条件下，考核产品各层之间材料间的热匹配能力。由MSL试验及表1试验结论可知，新塑封料2可用来替换现有塑封料。
3 MOSFET 老化试验
可靠性测试中的老化试验包括高温反偏（HTRB）,高温门极试验（HTGB），功率循环试验（PC）,间歇寿命试验（IOL）以及稳态寿命试验（SSOL）等。此类试验是加速寿命试验，即在特定的试验条件下考察产品的寿命特征、失效规律及在寿命试验过程中可能出现的各种失效模式，结合失效分析，进一步弄清楚导致产品失效的主要失效机理，进而改进产品质量提高可靠性。对于塑封料评估项目选择老化试验的目的是为了确保新塑封料的成分与芯片匹配并且不会影响产品正常的使用寿命。同样，以芯派某款MOSFET产品更换塑封料为例，在进行环境试验的同时进行老化试验，试验项目及结果如表2。
表2中HTRB试验是持续加80%反偏电压，在150度高温的环境下持续168小时，目的是在高温高压的环境下加速离子迁移和产品老化，考验产品寿命是否达到设计目标。HTGB目的是在高温环境下加100%栅极电压加速产品老化考验产品寿命情况，PC功率循环试验是产品在开通和关断状态循环的过程，目的是考验产品开关特性及其耐受能力。从试验结果来看，两种塑封料都无失效也说明它们和现有塑封料对产品的效果是一样的，但是不能就说肯定可以作为替换料来用作生产。因为很明显，同样的芯片、工艺，做同样的塑封料评估，选择环境试验和老化试验的结果是不同的。下面我们针对这种情况作以分析。
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4 环境试验与老化试验结论比对
从表1和表2我们可以看到同样的塑封料评估，环境试验结果显示新塑封料2可以用作替换材料，老化试验结果显示两种新塑封料都无失效。综合两种试验结果我们可以得出结论新塑封料2是最理想、安全的替换材料。
对于此次评估项目来说，老化试验显然没有环境试验的效果那么直接，有效。那么是不是所有产品的塑封料评估都只需要进行环境试验就可以确定用哪种料并量产呢？事实并非如此。对一款芯片没有钝化层工艺的MOSFET做节约成本的塑封料更换项目评估时，就发现了不一样的结果，如表3：
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从表3可看出两种塑封料抗潮气能力塑封料3优于塑封料4，但是 HTRB试验后都有失效，分析发现是由于芯片受塑封料内部离子污染导致漏电变大耐压降低，而现有塑封料也存在此类问题，经过调查，由于此类产品因为芯片无钝化层工艺，塑封料中离子在高温高压的作用下在芯片表面发生迁移，导致漏源间电流变大耐压降低，对这种情况而言，塑封料的成分在评估项目中就更应该考虑到与芯片的匹配问题。两种塑封料都不适合用来做替换材料，虽然塑封料3和现有塑封料的试验结果相似，但是如果量产还是存在风险，我们需要做的是解决芯片无钝化层导致样品失效的问题，在确保现有材料及工艺稳定，质量合格的前提下，再考虑降低成本。
综上所述，对于性能稳定、工艺完善、且历史表现良好的产品的塑封料评估项目来说根据环境试验的结果可以确定新的替换材料，而老化试验没有环境试验直观有效，且周期长，成本高。而对于芯片无钝化层，或者历史表现一般的样品，做塑封料评估试验时，环境试验只是一部分，必须同时结合老化试验的结果，才能确定新的替换材料，
5 结论
本文通过对功率MOSFET塑封料评估项目的环境试验及老化试验介绍及比对分析，并结合试验结果验证得出，对于节约成本的塑封料更换评估时可靠性设计要合理，根据产品特点选择试验项目，否则更换后不但产品存在风险，客户端也会影响，对于后续出现的系列质量问题的处理成本也会增高。
参考文献
[1]《电子元器件可靠性试验工程》
罗雯/魏建中/阳辉等编 出版社：电子工业出版社
[2]《可靠性工程基础》
（美）Michael G.Pecht (美) Kailash C.Kapur 康锐 张叔农 编著
出版社：电子工业出版社