結構分析技術在外殼評價中的應用

柳華光，張魁，黃杰

（國家半導體器件質量監(jiān)督檢驗中心，河北 石家莊 050051）

結構分析技術在外殼評價中的應用

柳華光，張魁，黃杰

（國家半導體器件質量監(jiān)督檢驗中心，河北 石家莊 050051）

結構分析是一種重要的電子元器件可靠性評估方法。通過結構分析可以評估元器件內(nèi)是否存在潛在的缺陷，為元器件的固有質量和固有可靠性的判斷提供重要的依據(jù)。介紹了結構分析的一般技術流程，并將其應用于某型號半導體器件外殼的結構分析工作中，最后給出了有關結構分析工作的幾點建議。

結構分析；可靠性評估；外殼；建議

0 引言

電子元器件的可靠性是指其在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。電子元器件的固有可靠性是由元器件的設計和生產(chǎn)所決定的，因此元器件的結構中包含著許多重要的可靠性信息，如果結構設計不合理，就會導致元器件的固有可靠性不高，由此帶來的問題如果發(fā)生在使用階段，就會給型號任務造成影響，嚴重時甚至會造成經(jīng)濟或進度上的重大損失。因此，有必要對元器件的設計、結構、工藝和材料的可靠性進行評價，挖掘其潛在的可靠性隱患，分析其潛在的失效模式和機理，這項工作被稱之為元器件的結構分析 （CA：Constructional Analysis）[1]。

國外的元器件CA工作最早是在20世紀90年代初開展的，并且早期較多的是針對半導體器件，大多為一些元器件工程服務機構針對具體的器件所進行的CA工作[1]。國內(nèi)對于元器件CA的研究起步晚于國外，但已經(jīng)開展了大量的工程實踐工作。

電子元器件的CA是一項復雜的工作。因此，進行電子元器件的CA，首先要明確分析的目的，如針對某種失效，分析其內(nèi)部結構是否存在可能會導致這種失效出現(xiàn)的缺陷；或是針對某些方面，分析其是否存在隱患等，這樣才能充分地發(fā)揮CA的作用。本文針對某管殼在工程應用中是否滿足工程應用要求來開展CA工作，并對相關工作和程序進行了總結。

1 半導體器件外殼結構分析的原則與流程

半導體器件的管殼作為半導體芯片的載體，具有實現(xiàn)芯片與外界的電連接、保護芯片和散熱等多種作用。對于需要將管殼與芯片裝配成器件的管殼使用者而言，其需要考慮的是管殼是否滿足芯片的電特性、功率耗散和可靠性等方面的要求；而對于器件的使用者而言，其主要關心的是器件管殼在裝配過程和使用過程中是否滿足可靠性要求。本次分析從器件使用者的角度出發(fā)，驗證此管殼的外形、材料、鍍層、結構強度、焊接和內(nèi)部等是否滿足工程應用的要求。CA工作可以通過計算進行，也可以通過試驗驗證方式進行，由于工藝等多方面的原因，管殼在生產(chǎn)過程中不可避免地會與理想狀態(tài)存在偏差，因此，相對于理論計算而言，采用試驗驗證的方式更容易獲得器件的實際可靠性狀況。

1.1 電子元器件結構分析試驗的排序原則

CA的一般試驗流程是：先進行整體分析，后進行局部分析；先進行外部分析，后進行內(nèi)部分析；先進行非破壞性分析，后進行破壞性分析。試驗流程的原則是：上一個CA項目盡量地不對后續(xù)的CA項目產(chǎn)生破壞性影響，應有一種整體到局部的思路。

1.2 電子元器件結構分析的技術流程

在對具體的元器件進行CA的過程中，包含了很多方面的技術項目。例如：針對具體的器件，首先要確定器件的基本設計、結構形式，并通過各種無損和有損的方法來識別器件結構的各種要素信息；對于常規(guī)的設計、結構和非常規(guī)的設計、結構，應采取不同的比對、評價方法，這些技術項目的實施需要按照一定的技術流程進行，以確保基于有限數(shù)量的器件能獲得全面、準確、典型的結構信息[1]。元器件CA的技術流程為：首先，確定分析目的；其次，進行結構單元分解，分解完畢后根據(jù)分析目的進行結構要素識別；再次，確定試驗項目和條件；然后，進行結構判別與評價；最后，給出分析結果和建議。典型的器件CA的技術流程如圖1所示。

圖1 CA的技術流程圖

2 某管殼結構分析案例及說明

根據(jù)CA的流程，現(xiàn)以某集成電路外殼為例，進行分析并通過試驗驗證加以說明。

2.1 分析的目的

某軍用設備準備采用此管殼封裝的器件，擬通過結構分析及驗證，檢驗此管殼是否滿足一般軍用要求。

2.2 管殼的結構分析

2.2.1 管殼外形

此外殼為金屬陶瓷管殼，其外觀如圖2所示。

圖2 管殼外觀

對此管殼進行結構分解，發(fā)現(xiàn)其由引線、底盤、絕緣子和墻件4個部分組成，如圖3所示。

圖3 外殼的結構分解

2.3 結構要素識別

采用表格的方式對器件的結構單元所包含的結構要素及其對應的分析試驗項目進行列舉，然后給出對應的分析試驗項目，此管殼的結構要素組成及分析試驗項目如表1所示。

根據(jù)表1，綜合地確定此管殼的CA試驗項目和順序為：外觀檢查、鍍層厚度檢查、鍍金質量檢查、引線牢固性試驗、可焊性試驗、材料分析和制樣鏡檢試驗。

a）外觀檢查

用于檢查管殼表面是否存在劃傷等可見缺陷，這些缺陷可能會導致管殼表面變色、腐蝕等問題，試驗方法參考GJB 548B-2005方法2009。

b）鍍層厚度檢查

用于檢查管殼表面鍍層的厚度是否符合規(guī)范的要求，過薄或過厚的鍍層都不能很好地起到保護作用，芯片焊接區(qū)域和引線表面的鍍層厚度不合格會直接影響到焊接的可靠性。

c）鍍金質量檢查

用于檢查管殼表面鍍金層的質量，如果鍍金層的質量不佳，則會在一定的條件下出現(xiàn)起皮、脫落等現(xiàn)象，試驗方法參考GJB 2440A-2006中附錄B中B.1。

d）引線牢固性試驗

可以檢查管殼的外引線與殼體的結合強度是否能夠承受焊接或使用中可能會遇到的力的作用，以保證使用的可靠性，試驗方法參考GJB 548B-2005方法2004條件A、 B1、 B2。

e）可焊性試驗

用于檢驗管殼的外引線是否適用于焊接，在試驗中浸潤不良的引線，在使用中極易出現(xiàn)焊接的可靠性問題，試驗方法參考GJB 548B-2005方法2003。

表1 結構要素及分析試驗項目

f）材料分析

用于判斷管殼所使用的材料是否合理，例如：材料之間的熱匹配性能是否良好、是否有禁/限用材料等。

g）制樣鏡檢試驗

用于判斷樣品內(nèi)部是否存在缺陷，例如：絕緣子與墻體之間的結合是否存在分層等。

2.4 試驗及分析

a）外觀檢查

在顯微鏡下觀察此管殼，管殼表面鍍金，未見劃傷、腐蝕、氣泡或起層等缺陷；引線外形完整，引線通過黑色陶瓷穿墻與金屬管殼燒結，未見裂開、松動現(xiàn)象；底盤平整，未見變形；黑色陶瓷介質未見裂紋、凹坑等缺陷，外觀檢查合格。

b）鍍金質量檢查

按照GJB 2440A-2006中附錄B中B.1[2]規(guī)定的試驗條件A執(zhí)行，試驗后在顯微鏡下檢查鍍層的質量，未見鍍層存在氣泡、剝落或起皮現(xiàn)象，試驗合格。

c）鍍層厚度檢查

分別測量引線、底盤和墻體3個部分的金層厚度，結果在2.12～3.35之間。從試驗結果看，此管殼的鍍層厚度符合規(guī)范要求，試驗合格。

d）引線牢固性

按照GJB 548B-2005方法2004條件A、B1、B2[3]分別抽2根引線進行試驗。試驗后檢查引線彎曲部位和引線與管殼本體連接處，未見彎曲部位存在裂紋、鍍層脫落或起皮等現(xiàn)象；未見引線與本體連接處存在松動、分層或介質脫落等異?，F(xiàn)象，試驗合格。

e）可焊性試驗

按照GJB 548B-2005方法2003[3]中的要求，對管殼的2根引線進行可焊性試驗。試驗后在顯微鏡下檢查，發(fā)現(xiàn)引線浸漬部分的表面焊料覆蓋面積大于95%；并且焊料連續(xù)、光亮，試驗合格。

f）材料分析

材料的分析項目通過對管殼相關文件的審查的方式來進行評價。從管殼生產(chǎn)單位獲得的資料可知，此管殼引線材料為4J42可伐材料，表面為鎳金鎳金復合鍍層結構，材料為管殼引線常用材料，鍍層結構合理；底座和墻體為4J34可伐材料，表面鍍層為鎳金鎳金復合結構，材料為管殼常用材料，結構為行業(yè)內(nèi)普遍使用結構，結構合理；絕緣子為90%的Al2O3，為管殼通用絕緣材料，材料使用合理；管殼所用的焊料為銀銅焊料，為管殼通用燒結材料，線性膨脹系數(shù)與絕緣子所用陶瓷及管殼所用的可伐材料較為接近，焊料選用合理。材料分析未見異常。

g）制樣鏡檢試驗

對管殼進行制樣、磨拋，檢查絕緣子的燒結情況和絕緣子與墻體的結合情況，發(fā)現(xiàn)樣品的絕緣子燒結良好，與墻體結合良好。制樣鏡檢試驗照片如圖4所示。

圖4 制樣鏡檢試驗照片

2.5 結果分析

根據(jù)試驗結果可知，此半導體器件管殼選用的材料為半導體器件封裝常用的材料，材料選用合理；管殼鍍層結構為行業(yè)常用的典型結構，鍍層結構合理；器件的外觀、鍍層厚度、鍍金質量、可焊性和引線牢固性試驗均合格，滿足標準的要求；器件制樣鏡檢試驗未發(fā)現(xiàn)異常，管殼內(nèi)部不存在缺陷。通過以上試驗及分析可知，此管殼在進行分析的各個方面均符合相應的標準，滿足使用需求。

3 結束語

在此次分析過程中，按照CA的典型流程，采用舉例的方法分解了結構單元；采用表格的方式對器件的結構單元所包含的結構要素，以及對應的分析試驗項目進行列舉，所有的分析試驗項目列舉出來后，進行組合排序，形成優(yōu)化后的分析試驗步驟，以確?？梢杂帽M可能少的樣品和盡可能簡潔的過程進行CA，以及在每一個試驗項目中能夠獲取盡可能多的結構要素信息，并通過試驗和分析給出了分析結論。另外，對電子元器件的CA工作提出以下建議[4-5]。

a）對電子元器件進行CA前，需要對元器件的有關信息進行充分的了解，這是實施分析的前提和基礎。

b）器件CA的項目不僅包括試驗，也可以是對產(chǎn)品相關文件的分析等，兩者均能夠達到評價的目的。

c）器件CA應與器件的的失效分析和DPA等緊密結合，根據(jù)器件的應用環(huán)境的不同、其存在的缺陷，開展針對性的分析試驗項目和材料分析等。

d）對于結構完全不清楚的元器件，需借助各種途徑把結構要素暴露出來，才能開展后續(xù)的結構評價。如有需要，甚至可進行破壞性測試、試驗。

[1]張磊，夏泓，龔欣.宇航元器件結構分析技術研究 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2012，30（1）：53-57.

[2]中國人民解放軍總裝備部電子信息基礎部.混合集成電路外殼通用規(guī)范：GJB 2440A-2006[S].北京：總裝備部軍標出版發(fā)行部，2006.

[3]中國人民解放軍總裝備部電子信息基礎部.微電子器件試驗方法和程序：GJB 548B-2005[S].

[4]張磊，夏泓，龔欣.宇航元器件結構分析技術研究 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2012，30（1）：53-57.

[5]龔欣.航天用DC/DC電源模塊結構分析研究 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2010，28（5）：23-28.

Application of Constructional Analysis in Shell Evaluation

LIU Huaguang， ZHANG Kui， HUANG Jie
（National Semiconductor Devices Quality Supervision and Inspection Center， Shijiazhuang 050051， China）

Constructional analysis is an important method for evaluating the reliability of electronic components.Whether there is any potential defects within the components can be evaluated and an important basis for the judgment of the inherent quality and inherent reliability can be provided through constructional analysis.The general technical process of constructional analysis is introduced，and it is applied in the constructional analysis of the shell of a semiconductor device.Besides，some suggestion on constructional analysis are given.

Constructional Analysis； reliability evaluation； shell； suggestion

TB 114.39；TN 303

A

1672-5468（2017）04-0057-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.04.010

2017-03-13

柳華光 （1982-），男，河北承德人，國家半導體器件質量監(jiān)督檢驗中心工程師，從事半導體器件檢驗及可靠性研究工作。

工業(yè)和信息化部電子第五研究所工程中心成功舉辦《汽車電子質量可靠性——發(fā)展與機遇交流研討會》

2017年6月29日，工業(yè)和信息化部電子第五研究所可靠性與環(huán)境工程研究中心在廣州舉辦了 《汽車電子質量可靠性——發(fā)展與機遇交流研討會》，來自全國各地包括廣汽乘用車、廣汽零部件、東風日產(chǎn)、五羊本田、華為技術和德賽西威等數(shù)十家知名汽車及零部件企業(yè)的上百名代表參加了本次交流研討會。

胡湘洪副所長代表工業(yè)和信息化部電子第五研究所致開幕辭，對與會的嘉賓表示熱烈歡迎并就五所的發(fā)展情況、服務特點、技術能力和資質認可進行了詳細的介紹。其后，分別由北京科技大學教授余達太、中山大學數(shù)據(jù)科學與計算機學院教授黃凱、工信部電子五所的解江高工和黃創(chuàng)綿高工，就車載計算系統(tǒng)、無人駕駛技術發(fā)展現(xiàn)狀、新能源汽車電子可靠性提升技術、新能源汽車關鍵技術和未來展望和新能源汽車電子測試評價技術等主題進行了深入的探討。本次研討會精彩紛呈、氣氛熱烈，與會嘉賓和專家形成了良好的互動，交流目前新能源汽車領域可靠性技術的熱點話題，就行業(yè)關心的安全性、可靠性等問題，在關鍵技術、提升手段和測試評價方法等方面進行了探討。最后，研討會在參觀活動中落下了帷幕，電子五所先進的測試評價技術和完備的硬件能力平臺，給與會嘉賓留下了深刻的印象。

本次交流研討會獲得了圓滿成功。主辦者向企業(yè)介紹了電子五所在質量、可靠性與環(huán)境適應性領域的技術積累，為業(yè)內(nèi)精英的合作交流搭建了一個很好的平臺，為汽車電子行業(yè)的質量可靠性提升出謀劃策、貢獻智慧。

（工業(yè)和信息化部電子第五研究所可靠性與環(huán)境工程研究中心民品部王毅供稿）