宇航用進(jìn)口低等級(jí)芯片制樣評(píng)價(jià)結(jié)果判定研究

韓寶妮，文平，董作典，華熙，馮鶴，宋燕

（西安空間無線電技術(shù)研究所,陜西 西安 710100）

0 引言

隨著航天器產(chǎn)品功能化、模塊化程度的不斷提高,多芯片模塊 （MCM）和封裝內(nèi)系統(tǒng) （SIP）電路因其具有高性能、高密度化、小型化和輕量化等諸多優(yōu)勢(shì)而被越來越多地應(yīng)用于航天器中[1]。為了保證MCM和SIP電路在航天器中應(yīng)用時(shí)的可靠性,除了應(yīng)對(duì)MCM和SIP電路自身按照宇航要求進(jìn)行質(zhì)量保證之外,對(duì)于其內(nèi)部選用的芯片,尤其是進(jìn)口低等級(jí)芯片在裝配前首先要進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。

宇航用低等級(jí)半導(dǎo)體芯片典型的評(píng)價(jià)程序如表1所示,共包含3個(gè)分組。

a）1分組為芯片的電性能測試和目檢。所有的樣品應(yīng)100%進(jìn)行檢測,以剔除不合格品。

b）2分組為芯片制樣評(píng)價(jià)。即將試驗(yàn)樣品組裝到一個(gè)適當(dāng)?shù)耐鈿だ?并且芯片的組裝方法和條件應(yīng)模擬正常生產(chǎn)后進(jìn)行評(píng)價(jià)[2],制樣評(píng)價(jià)的樣品數(shù)為10只,0失效。

c）3分組為DPA試驗(yàn)。3分組的試驗(yàn)樣品要求從經(jīng)歷2分組的試驗(yàn)樣品中選取,0失效。

被評(píng)價(jià)芯片只有合格通過以上3個(gè)分組規(guī)定的所有的評(píng)價(jià)試驗(yàn)項(xiàng)目,才能被判定為合格并允許應(yīng)用在航天器上。根據(jù)表1中可知,1分組和3分組的試驗(yàn)項(xiàng)目均屬于標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)項(xiàng)目,其試驗(yàn)結(jié)果都可以根據(jù)器件手冊(cè)或相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行判定。例如:1分組的電性能測試為電探針測試,可根據(jù)芯片手冊(cè)判定測試結(jié)果是否合格；1分組的目檢試驗(yàn)和3分組的DPA試驗(yàn)都可根據(jù)GJB 128A-97《半導(dǎo)體分立器件試驗(yàn)方法》和GJB 548B-2005《微電子器件試驗(yàn)方法和程序》中的相應(yīng)試驗(yàn)方法中規(guī)定的判據(jù)進(jìn)行判定；而2分組的制樣評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果的判定則較為復(fù)雜,這是因?yàn)樾酒茦釉u(píng)價(jià)的結(jié)果與芯片的制樣工藝、匹配電路、測試精度和環(huán)境等各個(gè)方面的因素有關(guān)。

表1 宇航用低等級(jí)半導(dǎo)體芯片評(píng)價(jià)程序

由于芯片評(píng)價(jià)中合格與否的結(jié)論將直接關(guān)系到芯片是否可以應(yīng)用到航天器中,因此,芯片評(píng)價(jià)結(jié)果的判定是否正確、合理,尤其是制樣評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果判定的正確性、合理性顯得尤為重要。為了更好地指導(dǎo)宇航用低等級(jí)芯片的質(zhì)量保證工作,筆者根據(jù)宇航用低等級(jí)芯片評(píng)價(jià)的工程實(shí)踐,梳理了幾種芯片制樣評(píng)價(jià)中電性能指標(biāo)超差的常見原因,并通過案例分析歸納總結(jié)出了芯片制樣評(píng)價(jià)結(jié)果判定的考慮因素。

由于制樣工藝與芯片制樣評(píng)價(jià)結(jié)果息息相關(guān),因此,首先,概述了宇航用芯片的基本制樣方案；然后,分類介紹了芯片制樣評(píng)價(jià)中電性能指標(biāo)超差的幾種常見原因,并結(jié)合典型的案例進(jìn)行了分析判定；最后,總結(jié)論述了芯片評(píng)價(jià)結(jié)果判定時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮的因素。

1 宇航用低等級(jí)進(jìn)口芯片制樣方案

宇航用芯片制樣是指將芯片裝配到合適的管殼基座或基片上,將芯片引出端和用于功能匹配的阻容感元件 （適用時(shí)）采用鍵合工藝連接到與管殼基座相應(yīng)的焊盤上,然后對(duì)管殼基座和蓋板采用平行焊工藝進(jìn)行封帽。

1.1 典型的芯片制樣方案

典型的芯片制樣設(shè)計(jì)方案如圖1所示。芯片的輸入、輸出端均連接50 Ω微帶傳輸線,微帶線與射頻玻璃絕緣子內(nèi)導(dǎo)體之間采用金帶進(jìn)行包帶處理。同時(shí),為了確保饋電端向芯片的良好饋電,芯片與饋電端之間設(shè)計(jì)了一個(gè)偏置網(wǎng)絡(luò),此偏置網(wǎng)絡(luò)主要起到去耦和濾波的作用,對(duì)微波信號(hào)的傳輸影響很小。

芯片制樣時(shí)采用的工藝方案原則上要與芯片實(shí)際應(yīng)用時(shí)的裝配工藝一致。

圖1 芯片制樣設(shè)計(jì)方案

1.2 芯片制樣的注意事項(xiàng)

芯片制樣時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)如下所述。

a）選擇管殼時(shí)應(yīng)充分地考慮芯片的外形尺寸、功耗、頻率和散熱等要求,有源芯片優(yōu)選微波金屬管殼,無源芯片如芯片電容器和電感器優(yōu)選微波陶瓷管殼。

b）芯片的匹配和偏置電路應(yīng)首先根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中推薦的電路來確定。對(duì)于寬帶放大器芯片,如芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)中推薦的匹配電路根據(jù)頻率范圍的不同而不同,應(yīng)優(yōu)先按照用戶實(shí)際使用的頻率進(jìn)行匹配。

2 常見的不合格原因及案例分析

筆者梳理了目前宇航用芯片制樣評(píng)價(jià)中出現(xiàn)的電性能指標(biāo)不合格問題,這些問題均與芯片本身的質(zhì)量與可靠性無關(guān),而是由其他原因造成的,大致可分為以下幾大類。

a）與制樣工藝有關(guān),如粘接、鍵合不良引起的參數(shù)指標(biāo)超差。

b）與制樣時(shí)的匹配電路有關(guān),如寬帶放大器中寬頻指標(biāo)超差和有源芯片的輸入輸出駐波指標(biāo)超差都可以歸為此類。

c）與測試誤差有關(guān),如超低損耗芯片電容器的D值超差問題。

下面將結(jié)合典型的案例分別進(jìn)行闡述。

2.1 與制樣工藝有關(guān)的案例

在對(duì)HITTITE公司生產(chǎn)的某批HMC260型混頻器進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),制樣評(píng)價(jià)樣品為10只,在常溫初測時(shí),10只樣品的電性能指標(biāo)均合格。隨后對(duì)全部樣品進(jìn)行溫度循環(huán)和恒定加速度試驗(yàn)后再次進(jìn)行常溫測試,發(fā)現(xiàn)3只樣品的變頻損耗嚴(yán)重超差。由于3只產(chǎn)品指標(biāo)的超差模式一致,因而選取了其中1只樣品 （12#）進(jìn)行失效分析。

失效分析試驗(yàn)包括外觀檢查、微波參數(shù)測試、極間直流電特性測試、PIND試驗(yàn)、密封試驗(yàn)、開帽檢查和鍵合強(qiáng)度測試。

2.1.1 外觀檢查

失效樣品的外觀如圖2所示。該樣品的封裝形式為平行封焊,器件表面未見異常。

圖2 產(chǎn)品外觀

2.1.2 微波參數(shù)測試

利用Agilent E8257D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)失效樣品的微波參數(shù)進(jìn)行測試,測試結(jié)果如表2所示。測試結(jié)果表明,失效樣品的變頻損耗為46.7 dB,嚴(yán)重超差。

表2 失效樣品微波參數(shù)測試結(jié)果

2.1.3 極間直流電特性測試

利用QT2晶體管圖示儀對(duì)失效樣品的本振端（LO）、 中頻端 （IF）、 射頻端 （RF） 和接地端（GND）這4個(gè)端口兩兩端口之間的直流電特性進(jìn)行測試,并與合格樣品的測試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,測試結(jié)果如表3所示。

表3 失效樣品極間直流電特性測試結(jié)果

圖3 合格品端口的直流特性

根據(jù)表3和圖3可知,失效樣品的LO-GND、RF-GND和LO-RF端的直流電特性與合格品的直流電特性相同,而與IF端口相關(guān)的直流電特性則均不相同:合格樣品的IF端口對(duì)GND、LO和RF端口的I-V特性如圖3所示,失效樣品則全部表現(xiàn)為開路狀態(tài),故初步判斷失效樣品的IF端開路。

2.1.4 PIND試驗(yàn)

對(duì)失效樣品進(jìn)行PIND試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果為不合格。

2.1.5 密封試驗(yàn)

對(duì)失效樣品進(jìn)行密封試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果為合格。

2.1.6 開帽檢查

對(duì)失效樣品開帽,進(jìn)行內(nèi)部檢查,內(nèi)部鍵合及芯片整體形貌如圖4所示。從圖4中可以看出,內(nèi)部鍵合結(jié)構(gòu)完整,無可動(dòng)多余物,內(nèi)引線鍵合絲無燒毀或熔斷等現(xiàn)象發(fā)生。芯片的整體形貌及細(xì)節(jié)如圖5所示,IF端鍵合點(diǎn)細(xì)節(jié)如圖6所示。

圖4 失效品內(nèi)部鍵合及芯片的整體形貌

圖5 失效品內(nèi)部芯片的整體形貌

圖6 IF端鍵合細(xì)節(jié)

2.1.7 鍵合強(qiáng)度測試

對(duì)IF端進(jìn)行鍵合強(qiáng)度測試,測試結(jié)果為0 g,IF端鍵合不合格。進(jìn)行鍵合強(qiáng)度測試后的IF端焊盤形貌如圖7所示。從圖7中可以看出,焊盤表面存在大面積劃痕,沒有明顯的引線與焊盤粘連的痕跡,鍵合絲完全脫落,在焊盤上無殘留。

圖7 鍵合強(qiáng)度測試后的IF端焊盤形貌

2.1.8 結(jié)論

根據(jù)上述分析過程可以得出,編號(hào)為12#的HMC260型混頻器變頻損耗超差的原因是由于樣品在經(jīng)歷溫度循環(huán)和恒定加速度試驗(yàn)后IF端開路,而IF端開路是由于IF端內(nèi)引線與焊盤本身鍵合不良,在后續(xù)溫度循環(huán)和恒定加速度試驗(yàn)的應(yīng)力作用下鍵合絲與焊盤分離所導(dǎo)致的。另外,失效樣品PIND試驗(yàn)之所以不合格,是由于試驗(yàn)時(shí)引線在沖擊臺(tái)的力學(xué)作用下發(fā)生位移所導(dǎo)致的。

通過失效分析結(jié)論可以看出,制樣樣品參數(shù)嚴(yán)重超差是由于芯片制樣時(shí)的鍵合工藝不良所導(dǎo)致的,與芯片本身的質(zhì)量和可靠性無關(guān)。未失效的樣品可繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)的評(píng)價(jià)試驗(yàn)。

2.2 與匹配有關(guān)的參數(shù)超差案例

2.2.1 案例描述

在對(duì)HITTITE公司生產(chǎn)的某批HMC395型放大器進(jìn)行評(píng)價(jià),制樣樣品為10只,在常溫測試時(shí),發(fā)現(xiàn)部分產(chǎn)品的輸入輸出回波損耗和1 dB壓縮輸出功率超差,超差情況如表4所示。其余電性能指標(biāo)包括增益、反向隔離、噪聲系數(shù)和電流均滿足評(píng)價(jià)要求。

表4 HMC395型放大器芯片指標(biāo)超差匯總

2.2.2 案例分析及結(jié)論

針對(duì)上述問題,分析原因如下:方案中規(guī)定的參數(shù)表為裸芯片電性能指標(biāo),芯片制樣后的電性能會(huì)根據(jù)制樣電路的不同而有所變化。根據(jù)表4,產(chǎn)品的1 dB壓縮輸出功率最差僅超差0.2 dB,駐波超差情況嚴(yán)重。根據(jù)產(chǎn)品手冊(cè),產(chǎn)品在應(yīng)用時(shí)外圍電感和電容應(yīng)根據(jù)使用頻率來選擇 （如圖8所示）,而該產(chǎn)品在實(shí)際制樣時(shí),外圍電感和電容值的選擇是以1 GHz對(duì)應(yīng)的選擇方案進(jìn)行的。由于產(chǎn)品的電性能指標(biāo) （尤其是輸入輸出駐波指標(biāo)）是與制樣時(shí)電路端口的匹配密切相關(guān)的,因此,產(chǎn)品在測試時(shí)在200 MHz～4.0 GHz范圍內(nèi)的輸入輸出回波損耗超差是在意料之中的。為了更好地評(píng)價(jià)產(chǎn)品的指標(biāo)性能,對(duì)1 GHz單頻點(diǎn)的電性能指標(biāo)進(jìn)行了記錄,發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)處的輸入輸出駐波和1 dB壓縮輸出功率值全部合格,并且其余各項(xiàng)指標(biāo)均比手冊(cè)中規(guī)定的測試頻段的指標(biāo)優(yōu)良。

同時(shí),考慮到產(chǎn)品在試驗(yàn)前后電性能指標(biāo)穩(wěn)定一致,穩(wěn)態(tài)壽命前后以及高低溫測試變化率均滿足評(píng)價(jià)要求,DPA試驗(yàn)結(jié)論為合格,因此,該批HMC395型放大器芯片評(píng)價(jià)結(jié)論可按合格處理。

圖8 HMC 395產(chǎn)品手冊(cè)中推薦的電感電容的選擇方案

2.3 由測試誤差引起的參數(shù)超差案例

2.3.1 案例描述

在對(duì)1種芯片電容器的10只樣品進(jìn)行制樣評(píng)價(jià)時(shí),在常溫測試時(shí),發(fā)現(xiàn)電容D值的測試結(jié)果為負(fù)。為了核實(shí)超差現(xiàn)象,測試時(shí)采用Agilent 4284A LCR測試儀和Agilent 4285A LCR測試儀進(jìn)行測試,電容器的D值均為負(fù)值。

2.3.2 案例分析

為了分析原因,首先需明確D值的含義。簡化地理解,D值的定義如下面的公式所示:

從上述公式中可以得出,無論D值還是RS的值理論上都應(yīng)該為正值。如果D值為負(fù),唯一的可能是RS測試結(jié)果為負(fù)。

通過仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn),RS測試結(jié)果為負(fù)的可能原因主要有以下兩種。

a）儀器的測試精度不夠

一般來說,測試結(jié)果為負(fù)值的現(xiàn)象主要是在對(duì)那些低損耗器件進(jìn)行測試時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。RS對(duì)于這些器件,損耗因子D會(huì)非常小,即等效串聯(lián)電阻RS相對(duì)于電抗X非常小,如果測試儀器的本地噪聲大于RS,則極性正負(fù)隨機(jī)分布的噪聲影響與RS兩者疊加,則會(huì)得到負(fù)的等效串聯(lián)電阻RS,從而得出負(fù)的D值。

b）不正確的補(bǔ)償

即便選擇精度最高的測試儀器,如果不進(jìn)行正確的校準(zhǔn)/補(bǔ)償,同樣會(huì)造成負(fù)值的出現(xiàn)。如果用于短路 （SHORT）補(bǔ)償?shù)亩搪芳旧砭哂休^大的殘留阻抗,而我們?nèi)匀徽J(rèn)為此短路件的值為0,那么在利用RS=RDUT-RSHORT計(jì)算RS值時(shí), 如果RSHORT大于RDUT,則自然會(huì)得到負(fù)的RS值,從而得到負(fù)的D值。

2.3.3 處理及結(jié)論

對(duì)于低損耗電容的測試,一是要選擇精度高的測試儀器,二是要正確地進(jìn)行校準(zhǔn)補(bǔ)償,盡量地選擇接觸電阻低的校準(zhǔn)件。筆者利用現(xiàn)有的兩臺(tái)LCR測試儀,通過嘗試不同的校準(zhǔn)件進(jìn)行反復(fù)校準(zhǔn),最終,在選擇了尺寸與被測電容尺寸相當(dāng)?shù)?、鍍金的、表面?jīng)過清洗干凈的校準(zhǔn)件后,通過4284A LCR測試儀得到了正確的正的D值測試結(jié)果。測試結(jié)果表明,該芯片電容的D值非常小,只有0.9%左右。

3 評(píng)價(jià)結(jié)果的判定考慮因素

為了科學(xué)地判定芯片制樣評(píng)價(jià)結(jié)果,首先應(yīng)明確芯片評(píng)價(jià)程序的目的。芯片評(píng)價(jià)程序的目的就是從電性能指標(biāo)和可靠性兩個(gè)維度來評(píng)價(jià)芯片是否滿足宇航應(yīng)用的要求。

3.1 電性能指標(biāo)

芯片的電性能指標(biāo)是否滿足要求是用戶和質(zhì)量保證工作者首要關(guān)心的問題。芯片的數(shù)據(jù)手冊(cè)是最主要和最直接的判定依據(jù),然而,它不是唯一的判定依據(jù)。僅根據(jù)芯片手冊(cè)中的電性能指標(biāo)來判定制樣后芯片的電性能指標(biāo)是否合格存在很大的局限性,原因如下所述。

a）芯片手冊(cè)中給出的電性能指標(biāo)為裸芯片指標(biāo),而芯片制樣后的電性能會(huì)根據(jù)制樣電路的不同而有所變化。

b）一部分進(jìn)口芯片的手冊(cè)給出的部分或全部電性能指標(biāo)為典型值,缺少最小/最大值的合格判據(jù),如RFMD公司的SBB5000型MMIC放大器芯片、TRANSCOM公司的TC1201型GaAs低噪聲功率放大器芯片等都存在這種問題。

c）對(duì)于寬帶放大器芯片,經(jīng)常遇到的情況是芯片手冊(cè)中給出的指標(biāo)為全頻段指標(biāo),而手冊(cè)中未給出推薦的偏置電路,或給出的推薦的偏置電路中的阻容感的值根據(jù)頻率的不同而不同 （如HITTITE公司的HMC395型低噪放芯片）,而芯片制樣時(shí)一般僅根據(jù)其中一個(gè)頻點(diǎn)推薦的偏置電路值進(jìn)行制樣；因此,直接依據(jù)芯片手冊(cè)進(jìn)行判定制樣后的芯片的電性能指標(biāo)的好壞有失偏頗。

d）對(duì)于有些芯片,手冊(cè)中可能缺乏與芯片可靠性相關(guān)的某個(gè)較為關(guān)鍵的指標(biāo),如HITTITE公司的HMC329、HMC260等中頻段采用平衡二極管堆的混頻器芯片,芯片手冊(cè)中并未給出中頻段二極管的導(dǎo)通電壓值,而二極管導(dǎo)通電壓值以及該值在環(huán)境試驗(yàn)前后的穩(wěn)定性是衡量混頻器中二極管直流特性好壞的關(guān)鍵指標(biāo),該指標(biāo)也可直接指導(dǎo)混頻器芯片老煉及壽命試驗(yàn)的進(jìn)行。

綜上所述,在評(píng)價(jià)芯片制樣分組的測試試驗(yàn)結(jié)果合格與否時(shí),不能僅僅依據(jù)芯片手冊(cè)作為唯一的依據(jù)進(jìn)行判定。合理的做法是當(dāng)制樣后芯片的電性能指標(biāo)超差時(shí),應(yīng)仔細(xì)地分析電性能指標(biāo)超差的原因,并結(jié)合3.2節(jié)所述的思路進(jìn)行綜合的判定。

3.2 可靠性

芯片制樣評(píng)價(jià)試驗(yàn)主要從以下4個(gè)方面評(píng)價(jià)芯片的可靠性。

a）環(huán)境適應(yīng)性

通過對(duì)制樣后的芯片進(jìn)行溫度循環(huán)、恒定加速度和老煉試驗(yàn),可考察芯片在經(jīng)歷溫度、機(jī)械環(huán)境應(yīng)力和電應(yīng)力后的電性能指標(biāo)是否穩(wěn)定,以此來判定芯片的環(huán)境適應(yīng)性是否滿足宇航應(yīng)用的要求。

b）長期工作穩(wěn)定性

通過對(duì)比穩(wěn)態(tài)壽命試驗(yàn)前后電性能指標(biāo)的好壞和指標(biāo)變化率是否滿足要求來考察芯片的長期工作穩(wěn)定性是否滿足宇航高可靠應(yīng)用的需求。

c）裝聯(lián)工藝適應(yīng)性

由于制樣芯片是模擬實(shí)際應(yīng)用的裝聯(lián)工藝來進(jìn)行裝配的,因此,通過考察制樣芯片在經(jīng)歷環(huán)境試驗(yàn)后的電性能指標(biāo)的穩(wěn)定性、引線鍵合強(qiáng)度和芯片剪切強(qiáng)度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,能夠驗(yàn)證芯片對(duì)應(yīng)用裝聯(lián)工藝的適應(yīng)性是否滿足宇航應(yīng)用的要求。

d）芯片表面金屬化層質(zhì)量

制樣芯片在評(píng)價(jià)試驗(yàn)中抽樣進(jìn)行SEM,該試驗(yàn)可有效地檢查芯片表面上器件互聯(lián)線金屬化層的質(zhì)量是否滿足要求。同時(shí),引線鍵合強(qiáng)度試驗(yàn)和芯片剪切強(qiáng)度可驗(yàn)證芯片表面金屬焊盤與底面金屬化層的質(zhì)量。

4 結(jié)束語

芯片制樣評(píng)價(jià)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注能夠反映芯片批次質(zhì)量與可靠性的相關(guān)指標(biāo),例如:同一只芯片在環(huán)境試驗(yàn)、電老煉和穩(wěn)態(tài)壽命前后其電性能指標(biāo)的穩(wěn)定性和變化率是否滿足可靠性要求,同批次制樣芯片在試驗(yàn)前后的指標(biāo)一致性是否良好等。當(dāng)芯片制樣評(píng)價(jià)中出現(xiàn)電性能超差時(shí),應(yīng)首先分析指標(biāo)超差的原因,確認(rèn)指標(biāo)超差是否與芯片的質(zhì)量和可靠性相關(guān)[5]。必要時(shí),應(yīng)對(duì)不合格樣品進(jìn)行失效分析,最終確定芯片指標(biāo)超差的根本原因,科學(xué)地給出芯片評(píng)價(jià)的結(jié)論。

[1]王豪.SiP技術(shù)在宇航產(chǎn)品中的應(yīng)用 [J].航天標(biāo)準(zhǔn)化,2013 （1）:30-32.

[2]信息產(chǎn)業(yè)部電子第四研究所.混合集成電路通用規(guī)范:GJB 2438A-2002[S].

[3]信息產(chǎn)業(yè)部電子第四研究所.微電子器件試驗(yàn)方法和程序:GJB 548B-2005[S].

[4]中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究所.半導(dǎo)體分立器件試驗(yàn)方法:GJB 128A-97[S].

[5]袁保玉,侯旎璐,李進(jìn).電壓檢測芯片失效分析 [J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn),2017,35（4）:49-56.