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溫度對IC(積體電路)的影響研討
前言:在使用電子零件時，一般對溫度的感覺並不是很強烈，大部份只關心在不同的溫度下，是否仍能正常操作?是否還符合電氣規格?而往往忽略了”熱”是一個隱形殺手。不適當的高溫產品或許還能操作，但其壽命往往縮短了許多而不自知，甚至產生了可靠性的問題，使得日後產品的問題層出不窮。本文的主要目的是在研討溫度對IC可靠度的影響，以及可靠性的問題，希望設計工程師或生產技術人員，能留意溫度的問題，以便能提升產品的品質。【www.fpdclub.net】
A. 概說: 對於一個IC的可靠度(Reliability)除了機械及環境應力(stress)外。影響最大的因素就屬電性應力(Electrical Stress)及熱應力(Thermal Stress), 這兩項規格一般都會描述在Data Book中的絕對最大額定值(Absolute Maximum Ratings )及建議操作狀況中(Recommended Operating Conditions ) 但一般人對於電性應力的意義通常較能遵守，而對於熱應力的意義則大都不甚明瞭
B. 溫度與可靠度:
(一)、浴缸曲線:
(二) 、一般電子產品(包括IC)的故障率與時間的關係是以浴缸曲線(Bathtub )來表示，在浴缸曲線中可以分三段，早夭期(Early Failure Period )可用期(Useful Period )及老化期(Wearout Period )。
(三) 、雖然浴缸曲線繪出了某批產品整體不良率與時間的關係，但我們一般所指的某個產品的可靠度是如何，主要是指早夭期(T1)一直到老化期(TW), 這段幾乎是定值的可用期之間，其平均故障率而言。
(四)我們一般是以MTBF(Mean-Time Between /to failure )來代表產品的可靠度。
(五) 、影響產品可用期時間長短的主因是→老化期什麼時侯會到來。這一點通常與設計時是否考慮到產品的可靠性問題有關如Design Margins Electromigration Material ….等。這一點在本文不討論。我們考慮的焦點在於如何延遲老化期的到來，以及降低產品在可用期的故障率，對於產品施加各式應力(Stress)都會使老化期提前來臨，與增加產品在可用期的故障率而其中又以溫度應力(Thermal Stress)影響最大。
(六) 、一般電子產品最常用的溫度加速模式是採用Arrhenius Model 在此Model中的假設是:
● 參數的退化(Degrade)與溫度的變化是線性的
● MTBF是溫度應力的一個函數。
(七) 、我們得到Arrhenius Model與溫度的關係式如下:
● R = 故障率(Failure rate )
● R0= 定值
● EA= 活能化(Activation Energy )
● K = 波滋曼常數，8.617*10-5e V/ 0K (Boatsman’s constant )
● T = 絕對溫度(0K)
(八)相同產品在不同溫度下得到的故障率比值，我們稱為加速倍率(Acceleration Factor )
AF: 加速倍率(溫度由T1改變到T2)
A1: 在T1(ºK)溫度得到的故障率
A2= 在T2(ºK)溫度得到的故障率
(九)由上圖我們可以很明顯看出溫度對於故障率的影響，我們觀察Ea=0.99eV的
直線，溫度在 120°C時的加速倍率是90°C時的10倍。
MTBF亦相對變為1/10。由此我們知道了溫度應力( Stress)對於產品的可靠度
影響相當大溫度僅上升10°C可靠度卻降低了1/2。因此量便產品維持較低的溫度操作，將可獲得較高的可靠度。
C、包裝對溫度的影響:
(一)、包裝結構:
積體電路包裝有許多種類，我們在這裡僅以標準塑膠雙排式包裝(plastic Dual-in-
Line package )簡稱plastic D.I.P來說明:
Plastic DIP 包裝的橫截面圖加上圖所示。包裝的目的在保護晶粒避免受到外界
的破壞，以及使外界信號很容易的傳送到IC。由於封閉式的包裝，使得IC產
生功率的消耗時，就必須藉由這些材料將熱傳導到外界。
(二)、 DIP塑膠包裝體，四種散逸熱的方式:
(a) 熱由晶粒本身，藉著塑膠體向外散逸。
(b) 熱由晶粒下方之晶粒架流出，再經塑膠體向四方散逸。
(c) 熱由晶粒流向導線，再經由腳架流出，最後藉著塑膠體向四方散逸。
(d) 熱由晶粒流向導線，再經由腳架直接對空氣散逸。
Plastic DIP包裝，其熱的散逸是綜合了上面四種熱散逸方式。
為了說明熱的散逸，接下來我們將介紹熱阻(Thermal Resistance )的觀念。
(三)、 熱阻(Thermal Resistance ):
熱量從一個元件傳遞到另一元件的難易程度，稱為二者的導熱率(Thermal
Conductivity ), 導熱率的倒數，就是熱阻。
若是分別說明Plastic DIP包裝四種散逸熱的方式將會很複雜，我們下面以一種簡
單的熱阻模式綜合描述Plastic DIP包裝熱的散逸。
Tj: IC內P-N接面( Junction )溫度 θca: 外殼與環境間的熱阻
Tc: 包裝體外殼(Case)溫度 θja: P-N接面與環境間的熱阻
Ta: 包裝附近(Ambient )環境溫度 θja=θjc+θca
Θjc: P-N接面，與外殼間的熱阻 Pd:在Ta下，IC所消耗的功率
(Power Dissipation )
Tj= PD(Θjc+θca)+Ta= PD *θja+Ta
亦即IC 中P-N接面的溫度是由環境溫度加上由P-N接面處熱轉換所增加的溫度而
得到的。
以θja代表plastic DIP包裝熱阻模式的總效應，其意義就是這種包裝體能將IC由
P-N接面產生的熱，散逸到環境的能力。
(四)、我們在前面討論到溫度對故障率或是可靠度影響很大，在那裡所談論的溫度是
指元件(Device )的溫度，在plastic DIP中即是指晶粒中P-N接面(Junction ) 的溫度，
而非包裝體表面的溫度。【www.fpdclub.net】
(五)、例子:來看Tj、Tc、Ta的差異:
● 假設某IC工作電壓=5V
● 耗電流=100mA
● θjc= 60°c /w
● θca= 90°c /w
● TA= 70°c
所以Tc= (5V* 100mA)*90°c /w+ 70°c=115°c
Tj= (5V* 100mA)*(90°c /w+ 60°c)+70°c= 145°c
曉得Tj、Tc、TA的差異後，TA=70°c究竟有多安全?後面再討論。
D 、 安全操作溫度:
在IC的Data Book中，一般會看到類似下面的名詞:
(一)、 Maximum Rating Junction Temperature (Tj)、P-N接面最高額定溫度。
(二)、 Maximum Storage Temperature (Ts)最高儲存溫度。
(三)、 Lead Temperature ( 260°c. 10sec ) , 銲接時腳架所允許的銲接溫度與時間。
(四)、 Thermal Resistance (θja) , P-N接面對包裝體四周的熱電阻。
(五)、 Power Degraded Factor in Temperature Excess of 25°c, 當溫度超過25°c之後，包裝
體散熱能力衰退的量。
E 、 最高溫度:
(一)、 在D項前兩項所述之最高溫度會隨著包裝材料而會有所不同，實心型如
塑膠(plastic) 包裝，一般為150°c, 空心型(cavity )如陶瓷(ceramic )包裝，一般可
大於150°c。
(二)、 規格的訂定主要是參考包裝體內各種材料的熱澎脹係數(Thermal Expansion coefficient ) 不同，所產生的熱張力的大小(Thermal Strain )。
(三) 在塑膠(Plastic )包裝中，Thermal Strain 明顯增大的溫度是在塑膠體材料達到*玻
璃轉換溫度(Glass Transition Temperature , Tg )之後。在這溫度(Tg )之後的熱膨脹
係數約是之前的四倍。
由於塑膠體材料在溫度超過Tg 之後，將與其他包裝體內材料的熱膨脹係數差
距太大，以致產生較大的Thermal Strain，可能對晶粒表面產生某種機械應力，這應力可能造成電性參數部份的偏移、晶粒的破裂、金屬連線的斷路或包裝體與腳架(Lead Frame )的裂縫，…等造成IC的故障或產生可靠性的問題。
一般熱膨脹若是造成電性不良，我們尚能以測試方法篩選(Screen), 但若是僅造成材料間的剝離，使得包裝無法緊密的防護內部晶粒，而讓水氣容易由此滲透，將造成產品可靠性上很大的困擾。因此對於溫度的問題不得不謹慎處理。
我們知道，一般塑膠體的玻璃轉態溫度大約在160~170°c，故這兩項規格一般是訂定在Tj=150°c。
*玻璃轉換溫度:各種材料的熱膨脹在某一溫度以上時，會顯得特別大，這個溫度就稱為玻璃轉換溫度或轉換溫度。
F 、 功率散逸衰退率(Power Degrade Rate ):
IC 的安全工作環境，如下圖所示:
延續前面的假設:
P-N接面最高允許溫度Tj=150°c
熱阻θja= 150°C /W
最高額定消耗功率Pd= 500mW: B線
最高操作溫度Top= 100°C: C線
功率散逸的衰退，即A線所表示，其值就是A線的斜率，-1/熱阻(θja)。其意義即是，當外界溫度上升時，由於熱阻的關係，將造成晶粒散熱的困難，故不得不將最高允許的消耗功率降低。A線與溫度軸的交點是150°C/0瓦，即表示當外界溫度達到150°C時，晶粒將不允許有任何的功率消耗。因為此時P-N接面的溫度巳達到150°C的上限值。事實上，A線的每一點即代表巳達到Tj的上限值。IC 要維持在安全的區域操作，必須使其工作狀況維持在由A.B.C三線所圍成的斜線區。當然如果能在離這三線愈遠的地方操作，對IC而言，愈安全。在前面曾經假設IC是工作在Ta=70°C, 由上圖來看這溫度仍然是很安全的。若要工作超過75°C時，需小心降低IC的消耗功率，才可避免故障發生。
G、 銲接(Soldering ): 一般塑膠包裝的IC所允許最大P-N接面溫度是150°C，陶瓷包裝大約是150°C~200°C。但是IC在銲接時溫度常高達260°C，那麼銲接時對IC是否會有影響呢? 答案是肯定的。
A線是一般塑膠包裝銲接時IC接面溫度上昇情形。由此可知為什麼一般IC所訂
接的規格是260°C，10秒。
B線的包裝是塑膠材料的表面黏著式。
由A、B兩線，我們曉得了表面黏著式包裝(如S.O)在銲接面溫度上昇情形較傳統式來得高、快。故其與傳統式包裝一同過銲錫爐銲接時，危險性亦愈高。事實證明表面黏著式包裝在銲接時，由於熱造成的損壞比例比傳統式包裝來的高。故在銲接表面黏著式包裝時，須特別留意所遭遇的環境溫度。
結論:
瞭解了溫度對產品可靠度的影響以及包裝對溫度的影響後，選擇適當的包裝以及
維持在較低溫度下的操作，特別是留意銲接時的溫度及停留的時間，將使產品能
最安全的工作以及達到最高的可靠度。【www.fpdclub.net】 |
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发表于 2004-10-23 10:09:36
