軍用集成電路質(zhì)量控制方法分析與探討

孫家坤，姚 鼎

（中船重工第716研究所，連云港 222000）

軍用集成電路質(zhì)量控制方法分析與探討

孫家坤，姚 鼎

（中船重工第716研究所，連云港 222000）

集成電路是軍用電子設(shè)備最重要的器件之一，集成電路的質(zhì)量直接影響到軍用裝備的質(zhì)量。從集成電路的選擇、二次篩選和破壞性物理分析（DPA）這幾個(gè)方面探討了軍用集成電路的質(zhì)量控制方法。實(shí)踐證明通過(guò)質(zhì)量控制篩選得到的集成電路整批使用可靠性都有明顯的提高。

集成電路；二次篩選；破壞性物理分析

引言

隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體集成電路成為尖端科技領(lǐng)域的核心部件，集成電路的可靠性成為制約各行業(yè)硬件設(shè)施可靠性的關(guān)鍵因素。半導(dǎo)體集成電路的可靠性在戰(zhàn)略武器系統(tǒng)、航空航天、船舶電子設(shè)備等特殊場(chǎng)合是應(yīng)用時(shí)要首先考慮的重要因素之一?？梢?jiàn)，集成電路的質(zhì)量非常重要，應(yīng)從選擇、采購(gòu)、驗(yàn)收、二次篩選、DPA、儲(chǔ)存和傳遞、現(xiàn)場(chǎng)使用、失效分析等壽命期的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量控制。本文主要從集成電路的選擇、二次篩選和破壞性物理分析（DPA）這幾個(gè)方面探討了軍用集成電路的質(zhì)量控制。

1 集成電路的選擇

集成電路的選擇是集成電路質(zhì)量控制的源頭，集成電路的很多實(shí)際的故障中，其中一類故障并非是集成電路本身的質(zhì)量問(wèn)題，而是由于集成電路的選擇不恰當(dāng)所導(dǎo)致的，且這類故障占很大一部分。因此加強(qiáng)集成電路選用過(guò)程的質(zhì)量控制具有重要意義。在選用過(guò)程中，應(yīng)該遵循以下幾個(gè)原則：

1.1 根據(jù)實(shí)際使用情況，選擇適用的集成電路

在選擇集成電路時(shí)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際使用條件，充分考慮集成電路的性能參數(shù)、環(huán)境條件、封裝形式、以及外形、體積等要求。

1）性能參數(shù)：主要考慮集成電路的額定電壓、電流以及其相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)，看是否能滿足實(shí)際使用的要求。

2）環(huán)境條件：應(yīng)該根據(jù)集成電路的工作環(huán)境，如溫度、濕度、氣壓、溫度沖擊、輻照、振動(dòng)、密封、鹽霧等，選用能適用于上述環(huán)境條件的集成電路。

3）封裝形式：根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求，選擇合適封裝的集成電路，如DIP雙列直插、SIP單列直插、QFP塑封方型扁平式、PGA插針網(wǎng)格陣列、BGA球柵陣列等，每種封裝都有其特點(diǎn)，例如DIP封裝的集成電路有兩排引腳，適合雙排插裝的芯片插座，此外還可以將其插到相應(yīng)電路板上面進(jìn)行焊接。頻率相對(duì)比較高的電路宜采用QFP封裝的集成電路，PGA封裝插拔操作方便，可靠性高，可適應(yīng)更高頻率。

1.2 優(yōu)先選用列入合格品清單（QPL）的集成電路

QPL—Qualified Produce List合格品清單，最早使用于美國(guó)海軍，列入合格品清單的產(chǎn)品都需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的審查和相關(guān)的鑒定試驗(yàn)，因此其質(zhì)量和可靠性得到了有效的保證，我國(guó)的合格品清單由國(guó)防科工委軍用元器件管理中心負(fù)責(zé)制定。

1.3 選擇元器件優(yōu)選清單（PPL）的集成電路

元器件優(yōu)選清單是元器件使用單位根據(jù)以往的使用經(jīng)驗(yàn)所制定，被列入清單的元器件應(yīng)為在滿足要求的基礎(chǔ)上，產(chǎn)品質(zhì)量又比較穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品和生產(chǎn)廠家。使用單位擬定的元器件優(yōu)選清單對(duì)元器件的質(zhì)量控制至關(guān)重要。

1.4 正確使用集成電路的質(zhì)量等級(jí)

元器件的質(zhì)量等級(jí)是指：“元器件在裝機(jī)使用之前，按照產(chǎn)品執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)或供需雙方的技術(shù)協(xié)議，在制造、檢驗(yàn)、及篩選過(guò)程中其質(zhì)量的控制等級(jí)?！辟|(zhì)量等級(jí)又可以分為：用于控制生產(chǎn)控制、選擇和采購(gòu)的質(zhì)量等級(jí)和用于電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)的質(zhì)量等級(jí)兩類。

我國(guó)目前用于集成電路生產(chǎn)控制、選擇和采購(gòu)的質(zhì)量等級(jí)由三個(gè)，分別是S級(jí)、BG級(jí)、B級(jí)。不同集成電路的質(zhì)量等級(jí)其質(zhì)量差別很大，選擇時(shí)應(yīng)該根據(jù)具體使用條件、質(zhì)量要求等合理選擇。S級(jí)是最高質(zhì)量保證等級(jí)，供宇航用；BG級(jí)是介于S及、B級(jí)間的質(zhì)量等級(jí)；B級(jí)為標(biāo)準(zhǔn)軍用質(zhì)量保證等級(jí)。軍用電子設(shè)備中，對(duì)關(guān)鍵件，重要件，以及使用在惡劣環(huán)境下，如導(dǎo)彈，戰(zhàn)斗機(jī)等應(yīng)選擇可靠性高的軍品S級(jí)集成電路，對(duì)于普通件及使用在一般環(huán)境下，如室內(nèi)，地面站，可選用BG級(jí)或B級(jí)產(chǎn)品。

1.5 盡量不要選用未經(jīng)鑒定通過(guò)的新型號(hào)集成電路

因?yàn)樾滦吞?hào)產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝往往不夠成熟，且未經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)使用的檢驗(yàn)，應(yīng)用問(wèn)題尚未徹底暴露出來(lái)。

1.6 在同等條件下優(yōu)先選用國(guó)產(chǎn)集成電路

2 集成電路的二次篩選

集成電路的篩選分為一次篩選和二次篩選。一次篩選也稱成品篩選，是由集成電路生產(chǎn)廠家按照集成電路的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和訂貨合同要求進(jìn)行的出廠前篩選。二次篩選是由集成電路用戶根據(jù)使用的最終目的，為獲得更高的可靠性，在集成電路使用前進(jìn)行的篩選試驗(yàn)。二次篩選的目的是為了進(jìn)一步剔除在生產(chǎn)廠一次篩選中未能剔除的不合格產(chǎn)品，或由于某種缺陷會(huì)引起早期失效的產(chǎn)品，確保使用時(shí)的高可靠性。國(guó)軍標(biāo)中對(duì)集成電路質(zhì)量保證要求見(jiàn)表1[1]。

目前國(guó)內(nèi)集成電路由于受到技術(shù)、材料、生產(chǎn)、工藝等各方面的限制，與世界先進(jìn)水平還有很大的差距，一些出廠的集成電路達(dá)不到用戶使用的質(zhì)量水平，而軍品的集成電路要求非常高，必須嚴(yán)格剔除一些不合格品或有早期失效的產(chǎn)品，這就要求用戶在使用之前需要進(jìn)行二次篩選。

集成電路的二次篩選應(yīng)該100 %進(jìn)行，集成電路二次篩選的項(xiàng)目主要包括外觀檢查、常溫初測(cè)、高溫存儲(chǔ)、溫度沖擊、高溫老煉、檢漏、常溫終測(cè)、外觀檢查等，篩選程序見(jiàn)表2。

具體篩選要求如下：

1）外觀檢查：檢查集成電路的標(biāo)識(shí)、管腳及加工質(zhì)量是否符合集成電路技術(shù)規(guī)范要求；具體在10倍放大鏡下檢查：器件有無(wú)裂痕、破碎、針孔、毛刺等，以及其他影響壽命、使用性能的外觀缺陷。集成電路標(biāo)識(shí)應(yīng)該清晰正確，無(wú)翻新痕跡[2]。

2）常溫初測(cè)：在常溫下按照要求測(cè)試集成電路的性能指標(biāo)，剔除因生產(chǎn)不合格而導(dǎo)致失效的器件，避免做后續(xù)一系列重復(fù)試驗(yàn)。

3）高溫存儲(chǔ)：按照集成電路的技術(shù)資料，在規(guī)定的溫度對(duì)器件進(jìn)行高溫存儲(chǔ)，高溫存儲(chǔ)可以暴露器件鍵合強(qiáng)度不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求、芯片與管座連接不好、芯片裂紋等缺陷。

4）溫度沖擊：按照集成電路的技術(shù)資料，在規(guī)定的溫度對(duì)器件進(jìn)行溫度沖擊。溫度沖擊可以暴露器件鍵合松動(dòng)、鍵合斷開(kāi)、鍵合位置不當(dāng)、芯片與管座連接不好、芯片裂紋、裝配缺陷等缺陷。

5）高溫老煉：高溫老煉是集成電路二次篩選過(guò)程中至關(guān)重要的一步，它是通過(guò)在高溫條件下施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)力讓器件超負(fù)荷工作，從而使器件產(chǎn)生“早期失效”。圖1就是電子元器件壽命浴盆曲線[3]。

電子元器件的早期失效一般都在1 000 h以內(nèi)，過(guò)了早期失效期之后器件進(jìn)入偶然失效期，此間器件的失效率將會(huì)保持在一個(gè)很低的常數(shù)。顯然對(duì)器件進(jìn)行1 000 h的常溫定額試驗(yàn)是不可行的，科學(xué)試驗(yàn)證明：提高老煉溫度能使電子元器件加速到早期失效期。圖2表示失效激活能、失效時(shí)間、溫度和失效激活能的關(guān)系。

6）檢漏：當(dāng)集成電路有密封性要求時(shí)，按照規(guī)定對(duì)其進(jìn)行檢漏（分為粗檢漏和精檢漏），通過(guò)檢漏可以發(fā)現(xiàn)器件的管殼缺陷，剔除不符合密封性要求的產(chǎn)品。

圖1 電子元器件壽命浴盆曲線

圖2 失效激活能關(guān)系圖

表1 集成電路的質(zhì)量保證要求

7）常溫終測(cè)：在所有的試驗(yàn)下項(xiàng)目都做完之后在常溫下按照要求對(duì)器件在進(jìn)行檢測(cè)，剔除因試驗(yàn)而產(chǎn)生的不合格品。

8）外觀檢查：在所有的試驗(yàn)項(xiàng)目都完成后，最后還要對(duì)集成電路進(jìn)行外觀檢查，剔除因試驗(yàn)導(dǎo)致的外觀不合格品。

有特殊要求的集成電路按照相關(guān)要求完成相應(yīng)的試驗(yàn)項(xiàng)目。

二次篩選只是提高器件整個(gè)批次使用的可靠性，并不能提高單個(gè)集成電路固有的可靠性，集成電路的固有可靠性在其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)后就已經(jīng)確定[4]。

表2 集成電路的二次篩選

3 破壞性物理分析（DPA）

破壞性物理分析（Destructive Physical Analysis——DPA）是為了驗(yàn)證元器件的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、材料和制造質(zhì)量是否滿足預(yù)定用途或有關(guān)規(guī)范的要求，對(duì)元器件樣品進(jìn)行剖析，以及在剖析前后進(jìn)行一系列分析的全過(guò)程。破壞性物理分析對(duì)提高元器件的綜合使用品質(zhì)及使用效能具有十分重要的作用。

GJB 597B中對(duì)集成電路的DPA進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)范，以SN54LS244J為例，DPA試驗(yàn)項(xiàng)目和可發(fā)現(xiàn)主要失效模式見(jiàn)表3。

對(duì)集成電路進(jìn)行DPA工作，可以發(fā)現(xiàn)集成電路潛在的一些材料、工藝等方面的缺陷，可以發(fā)現(xiàn)一次及二次篩選中不能發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，是二次篩選的重要補(bǔ)充，對(duì)集成電路質(zhì)量控制具有重要作用。

4 結(jié)論

集成電路的選擇、二次篩選、DPA是確保軍用集成電路質(zhì)量和可靠性的重要環(huán)節(jié)。選擇適用的、高質(zhì)量的集成電路是軍用集成電路質(zhì)量控制的基礎(chǔ)；二次篩選、DPA可以有效地剔除不合格品，有效地預(yù)防使用時(shí)出現(xiàn)失效模式。通過(guò)這幾個(gè)環(huán)節(jié)的工作，可對(duì)軍用集成電路使用前的質(zhì)量進(jìn)行有效地控制，提高集成電路的使用可靠性，對(duì)提高整機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性有重要意義。

表3 集成電路SN54LS244J DPA試驗(yàn)項(xiàng)目

[1] GJB 597B-2012 ,半導(dǎo)體集成電路通用規(guī)范[S].

[2] GJB 360B-2009,電子及電器元件試驗(yàn)方法[S].

[3] 廖光朝. 二次篩選中電子元器件的可靠性保障[J].電子測(cè)試, 2007,(6).

[4]董西英. 元器件二次篩選中的質(zhì)量控制[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā), 2009,(10).

Analysis and Discussion on Quality Control Method for Integrated Circuit

SUN Jia-kun, YAO Ding
(CSIC-716th Research Institute, Lianyungang 222000)

Integrated circuit is regarded as one of the most important components for military electronic equipment, and IC quality directly influences the quality of military equipment. This paper discusses quality control method for military IC in the light of IC selection, secondary screening and destructive physical analysis (DPA). The practice proves that overall operation reliability of the IC through screening is significantly improved.

integrated circuit; secondary screening; destructive physical analysis

TN406

A

1004-7204（2016）06-0022-04

孫家坤（1990-），男，河南周口人，現(xiàn)就職于中船重工716研究所，研究方向：電子元器件二次篩選技術(shù)。

姚鼎（1987-），男，江蘇連云港人，現(xiàn)就職于中船重工716研究所，研究方向：電子元器件二次篩選技術(shù)。