集成电路封装可靠性设计

封装可靠性设计是指针对集成电路使用中可能出现的封装失效模式，采取相应的设计技术，消除或控制失效模式，使集成电路满足规定的可靠性要求所采取的技术活动。封装可靠性设计主要包括封装可靠性结构设计、热设计、耐环境设计、可制造性设计等方面。‍‍‍

1.封装可靠性设计原则与方法

封装可靠性设计应遵循如下基本原则。

(1）可靠性设计应有明确的封装可靠性指标和评估方案。 (2）可靠性设计应贯穿于封装结构设计、热设计、可制造性设计等各个环节。

(3） 最大限度地消除或控制可能出现的失效模式。

(4） 采用新结构、新工艺、新材料前，严格论证其对封装可靠性的影响。

(5)对性能、可靠性、成本、时间等各因素进行权衡，制定出较优的封装设计方案

2.封装可靠性设计方法

常用的封装可靠性设计方法如下

(1）制定和贯彻可靠性设计原则．将封装可靠性的共性内容、成熟经验和

失败教训以淮则形式制定下来，并贯街到封装设计中。

(2）降额设计法：设计时降低集成电路工作时封装所承受的热、电、机械等各种应力。

(3）元余设计法：如封装中同一电源用多个引出端并联，或者合理地进行电源冗余分布。

(4）健壮设计法：通过参数设计和容差设计，使产品的性能对集成电路封装过程中容许的参数波动及使用环境容许的参数波动不敏感

(5）模拟分析方法：如采用有限元法分析封装结构强度、热性能等。

3. 封装可靠性结构设计

封装可靠性结构设计应着重考虑如下 5项内容。

(1）芯片在底座上的黏结强度，特别是工作温度升高后，对芯片黏结强度有无影响。

(2）键合可靠性，包括子线承载电流的能力，抗冲击、振动等外界机械应力的能力，键合焊点的牢固程度。

(3）封装密封性，保护芯片不受外界恶劣环境影响。

(4）封装引出端结构及其强度设计，消除或降低疲劳、磨损、断裂等失效。

(5）封装外引出端镀层结构及焊接可靠性。

4.封装可靠性热设计

可靠性热设计是指根据集成电路的热特性和传热学 原理，采取各种措施控制集成电路结温，使其在容许的温度范围之内。

可靠性热设计常用的技术措施如下所述。

(1） 合理布局封装器件（包括集成电路芯片）的位置，使高温、低温器件分布均衡，避免热点集中。

(2） 尽可能缩短传热路径，降低热阻。

(3）在陶瓷外壳、各类基板设计中增加导热孔结构，降低封装热阻。

(4）选用低热阻材料，提高热接触表面的加工精度，或者在接触面之间增加高导热材料。

(5）增加表面黑度，提高辐射散热效率

(6） 采取散热片、热管、风扇等措施，增加热传导

5.封装可靠性耐环境设计

在集成电路贮存、运输和工作过程中，会遇到各种外界环境，应依据环境的性质和特性，分析环境可能造成的各种影响，开展封装可靠性耐环境设计其中包括防潮湿设计、防盐雾（腐蚀）设计、防霉菌设计、抗冲击和振动设计等。

（1）防潮湿设计：采用吸湿性小且在湿热环境中性能稳定的材料，选择电极电位接近的材料作为 直接接触的金属；对防潮性能要求较高的电路可采用气密性封装。

（2）防盐雾（腐蚀）设计：选择耐盐雾（腐蚀）材料，或者在表层进行抗蚀涂覆处理。

(3）防霉菌设计：选用防霉性能好的材料，一般要与防潮设计结合起来考虑。

(4）抗冲击和振动设计：使集成电路的固有频率移出振源和设备的振动频段，通常应使其固有频率达到设备固有频率的2信以上。集成电路的固有频率可以参照元器件的计算公式来估算，也可以用模拟试验方法来测定。电子产品受受振动影响的频率范围通常为 20Hz~2kHz。

6.封装可靠性可制造性设计

可制造性设计 (Design for Manufacturability， DFM)的关键在于封装设计时就考虑可制造性，其目的是便于制造和装配，降低成本，缩短开发周期。可制造性设计主要考虑以下三个方面。

（1）封装用各类外壳、基板的设计需满足材料要求、镀层要求、最小线宽线距要求、最小板厚孔径比要求、最小焊盘孔径要求等；需满足制造商的制造方法、制造工艺及工艺能力，尽量增加制造的工艺窗口，提高成品率。

（2）器件选择：如器件耐温性能、器件引出端镀层材料和结构，器件与现有工艺的匹配性等。

（3）组装工艺可装配性：如焊盘结构与尺寸，设备对设计的要求，回流焊和清洗对设计的要求，器件排布方向和间隔等。

审核编辑：刘清