元器件破壞性物理分析方法的定制開發(fā)

張磊，王旭

（中國空間技術(shù)研究院電子元器件可靠性中心，北京 100029）

1 引言

破壞性物理分析（DPA）是一種用于判定元器件的制造質(zhì)量以及設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)符合性的重要手段，并作為一項(xiàng)重要的試驗(yàn)項(xiàng)目被廣泛地應(yīng)用于宇航型號(hào)用元器件的質(zhì)量保證中。目前，進(jìn)行元器件DPA主要依據(jù)GJB 4027A、GJB 548B等軍用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，大部分元器件均可以直接參照這些標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的項(xiàng)目、程序、方法和判據(jù)來完成DPA工作，一般僅需要結(jié)合元器件的實(shí)際情況對(duì)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行適應(yīng)性的刪減即可。但是，隨著宇航型號(hào)的不斷發(fā)展，大量新型結(jié)構(gòu)的元器件、特別是許多微組裝級(jí)的元器件被選用，盡管上述標(biāo)準(zhǔn)也在不斷地更新?lián)Q版，例如，GJB 4027A換版后所覆蓋的元器件類別由13大類、37小類增加到16大類、49小類，但仍然無法滿足元器件質(zhì)量保證機(jī)構(gòu)的DPA工程任務(wù)需求，仍然無法覆蓋型號(hào)使用的元器件種類。因此，針對(duì)用戶委托的特殊元器件開發(fā)有針對(duì)性的DPA方法是實(shí)際工作中解決上述問題的有效途徑之一。本文將在介紹某型視頻處理組件DPA案例的基礎(chǔ)上，對(duì)DPA方法的定制開發(fā)過程以及需要重點(diǎn)關(guān)注的事項(xiàng)進(jìn)行探討。

2 微組裝結(jié)構(gòu)元器件的主要特點(diǎn)

從完成DPA工作任務(wù)的角度來看，微組裝結(jié)構(gòu)的元器件與常規(guī)元器件相比主要存在以下幾方面的差異：

1）器件的結(jié)構(gòu)單元數(shù)量較多，這類器件往往是由多個(gè)有源器件和/或無源元件組成；

2）不同單元之間的類別差異較大，這類器件的內(nèi)部往往是由多種元器件組成，包含電阻、電容、集成電路和分立器件等，內(nèi)部元器件本身的封裝、結(jié)構(gòu)形式等也存在較大的差異；

3）不同結(jié)構(gòu)單元的互聯(lián)方式復(fù)雜，通常采用“立體式”的布局方式，無法通過 “平面式”的檢查來完成所有DPA的試驗(yàn)工作；

4）微組裝結(jié)構(gòu)的元器件價(jià)值昂貴，往往不能提供較多的樣品用于DPA試驗(yàn)，要求合理地選擇試驗(yàn)項(xiàng)目，采取優(yōu)化的試驗(yàn)流程，每一個(gè)試驗(yàn)步驟都要達(dá)到盡可能多的試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

以某型視頻處理組件為例，該器件是ATI公司生產(chǎn)的視頻處理組件，其外觀形貌和X射線透視形貌如圖1和圖2所示。

圖1 器件外觀形貌

圖2 器件X射線透視形貌

從圖示可以看到，該器件的主體結(jié)構(gòu)是由安裝在印制板上的4個(gè)BGA封裝的多單元塑封集成電路和1個(gè)倒裝芯片組成，另外印制板上還有表貼的電阻、電容等線路匹配元件，器件整體采用BGA封裝，在器件底部倒裝芯片周圍植有650個(gè)焊球。

3 DPA過程中的主要難點(diǎn)

a）對(duì)不同結(jié)構(gòu)單元的全面覆蓋分析有難度

在本案例中，器件由多個(gè)獨(dú)立的集成電路、電阻、電容等組成，每一個(gè)結(jié)構(gòu)單元本身的質(zhì)量都對(duì)器件可靠性有影響，因此都需要進(jìn)行有針對(duì)性的分析，并且都需要進(jìn)行深入結(jié)構(gòu)單元內(nèi)部的破壞性分析。然而，由于不同的結(jié)構(gòu)單元采用了“立體式”布局，因此，相比這些結(jié)構(gòu)單元獨(dú)立狀態(tài)下的DPA過程，要確保每個(gè)單元都覆蓋分析有一定的難度。

b）對(duì)于超出元器件范疇的質(zhì)量、可靠性分析有難度

在本案例中，器件還有相當(dāng)一部分的結(jié)構(gòu)單元屬于印制板、加固膠等電子裝聯(lián)領(lǐng)域的部分，同時(shí)不同的結(jié)構(gòu)單元都處于焊接互聯(lián)狀態(tài)，這些部分的工藝質(zhì)量同樣對(duì)器件可靠性有影響，因此也需要在DPA過程中予以針對(duì)性分析，然而這些部分顯然已經(jīng)在某種程度上超出了一般元器件的范疇，相應(yīng)的試驗(yàn)方法和判據(jù)確定有一定的難度。

c）對(duì)某一結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行試驗(yàn)過程中還要作好對(duì)其它單元的保護(hù)有難度

在本案例中，器件的各結(jié)構(gòu)單元布局較緊湊，集成了多種電子裝聯(lián)方式，在進(jìn)行化學(xué)開封、金相剖面制備等過程中，受試驗(yàn)設(shè)備、夾具和試驗(yàn)流程等方面的限制，不同結(jié)構(gòu)單元的檢查順序和 “破壞順序”不一樣，在進(jìn)行某結(jié)構(gòu)單元的破壞性分析過程中，不能影響其它單元的狀態(tài)，不能引入非固有缺陷，這就要求加強(qiáng)試驗(yàn)流程的優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過程的防護(hù)。

4 DPA過程中的主要關(guān)注點(diǎn)和分析流程

4.1 器件整體外觀質(zhì)量

首先，要對(duì)器件整體的外觀質(zhì)量進(jìn)行檢查，有關(guān)塑封器件、電阻器、電容器和BGA封裝器件等具體元器件的外觀質(zhì)量檢查判據(jù)以及印制電路電子裝聯(lián)的外觀質(zhì)量檢查判據(jù)均適用于該項(xiàng)試驗(yàn)。

4.2 器件整體封裝質(zhì)量

在本案例中，器件采用了塑料封裝、印制板裝聯(lián)等結(jié)構(gòu)，因此采用X射線透視檢查可以有效地對(duì)器件整體的封裝質(zhì)量進(jìn)行檢查，包括孔洞、變形、開路和位置異常等缺陷均是本項(xiàng)試驗(yàn)的關(guān)注點(diǎn)；同樣地，具體元器件的X射線檢查判據(jù)以及印制電路電子裝聯(lián)的X射線檢查判據(jù)均適用于該項(xiàng)試驗(yàn)。

4.3 塑封電路單元的工藝質(zhì)量

對(duì)于本案例中器件內(nèi)部的4個(gè)BGA封裝塑封電路的DPA試驗(yàn)，需要作為整個(gè)器件DPA的重點(diǎn)來進(jìn)行。從可行性方面來看，這4個(gè)電路除了處于安裝在印制板上的狀態(tài)以外，其余需要在DPA過程中考慮的事項(xiàng)與獨(dú)立的塑封電路相比，差異不大。因此，塑封電路的相關(guān)DPA標(biāo)準(zhǔn)，如美國NASA的PEMINST-001標(biāo)準(zhǔn)以及改版后的GJB 4027A等，所規(guī)定的DPA項(xiàng)目均可以作為針對(duì)這部分結(jié)構(gòu)單元的試驗(yàn)項(xiàng)目，主要包括聲學(xué)掃描檢查（SAM）、化學(xué)開封、內(nèi)部目檢、金相剖面檢查、鍵合強(qiáng)度、掃描電子顯微鏡檢查（SEM）和玻璃鈍化層完整性檢查等，相應(yīng)的試驗(yàn)判據(jù)也可以參照使用。塑封電路內(nèi)部形貌如圖3所示。

圖3 塑封電路內(nèi)部形貌

4.4 表貼元件的工藝質(zhì)量

在本案例中，器件內(nèi)部采用表貼工藝安裝了近30個(gè)電阻器和電容器，安裝的位置不對(duì)稱，方向角度也不一樣，對(duì)這一結(jié)構(gòu)單元的工藝質(zhì)量檢查應(yīng)當(dāng)至少包括兩個(gè)方面：1）元件的固有制造工藝質(zhì)量；2）元件的表貼安裝質(zhì)量。

其中，對(duì)于元件固有的制造工藝質(zhì)量的檢查所需要的試驗(yàn)手段和試驗(yàn)項(xiàng)目并不復(fù)雜，按照GJB 4027A的規(guī)定，主要通過金相剖面方法進(jìn)行制樣鏡檢。需要注意的是，在金相制樣過程中應(yīng)合理地選擇器件整體的金相剖磨方向，同時(shí)在剖磨過程中借助X射線跟蹤并控制剖磨進(jìn)程，以免剖磨過快而遺漏某個(gè)元件，并確保每個(gè)元件都能夠在剖磨過程中被檢查到。

對(duì)于元件的表貼安裝質(zhì)量，可以通過焊接外觀檢查、剪切力和金相剖磨制樣三種手段進(jìn)行，其中剪切力試驗(yàn)可以參照GJB 548B中關(guān)于混合電路內(nèi)部元件的剪切力試驗(yàn)方法進(jìn)行，焊接外觀檢查和金相剖磨制樣檢查的主要關(guān)注點(diǎn)是元件端頭與焊盤之間的焊錫堆積狀態(tài)、結(jié)合狀態(tài)等，檢查判據(jù)可以參照QJ 2465等表面裝聯(lián)工藝標(biāo)準(zhǔn)的要求，如圖4所示。

（a）電阻器（b）電容器圖4電阻器和電容器的安裝狀態(tài)

4.5 內(nèi)部互聯(lián)結(jié)構(gòu)的工藝質(zhì)量

在本案例中，器件內(nèi)部的互聯(lián)主要包括印制電路板的金屬條、金屬化過孔、BGA焊球和焊盤等，印制板采用了多層板結(jié)構(gòu)，對(duì)于這一部分結(jié)構(gòu)的檢查只能通過金相剖面制樣的方式進(jìn)行。并且需要注意的是，這一部分剖面制備的過程需要納入前述的塑封電路、電阻器和電容器的金相剖面樣品制備過程中進(jìn)行，即需要在對(duì)上述內(nèi)部元器件進(jìn)行檢查過程中同時(shí)關(guān)注內(nèi)部的互聯(lián)結(jié)構(gòu)工藝質(zhì)量。如圖5所示。

圖5 內(nèi)部互聯(lián)結(jié)構(gòu)剖面形貌

圖6 M9-CSP64視頻處理組件的DPA流程

綜合上述不同結(jié)構(gòu)單元的關(guān)注點(diǎn)、檢查試驗(yàn)手段以及檢查過程中的相互順序關(guān)系，對(duì)該器件的DPA試驗(yàn)的流程綜合歸納如圖6所示。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合M9-CSP64型視頻處理組件的DPA工程實(shí)踐案例，對(duì)由多種結(jié)構(gòu)單元組成的復(fù)雜元器件DPA定制開發(fā)過程的關(guān)注點(diǎn)、試驗(yàn)手段和相應(yīng)的解決措施等進(jìn)行了探討，通過對(duì)該案例的剖析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）微組裝結(jié)構(gòu)等復(fù)雜元器件的DPA是綜合了多種領(lǐng)域元器件分析技術(shù)的系統(tǒng)性過程；

2）通過將復(fù)雜元器件分解為多個(gè)結(jié)構(gòu)單元，并盡可能地借助已有成熟的DPA標(biāo)準(zhǔn)，可以達(dá)到DPA過程有依據(jù)以及覆蓋全面的要求；

3）在DPA過程中需要按照盡可能減少對(duì)剩余結(jié)構(gòu)單元影響的原則，進(jìn)行每一步的試驗(yàn)，并注意合理分配每一個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目中的檢查要點(diǎn)，確保每一個(gè)結(jié)構(gòu)單元的檢查要點(diǎn)不遺漏。

[1]GJB 4027A-2006，軍用電子元器件破壞性物理分析方法[S].

[2]GJB 548B-2005，微電子器件試驗(yàn)方法和程序[S].

[3]QJ2465-1993，片狀電阻器、電容器手工表面裝聯(lián)工藝技術(shù)要求[S].

[4]PEM-INST-001，Instructions for plastic encapsulated microcircuit(PEM)selection,screening,and qualification[S].