淺談汽車級(jí)電子元器件裝備應(yīng)用的可靠性

中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院第三〇三研究所 李 智 侯鐵忠

1.引言

電子元器件是武器裝備的重要基礎(chǔ)，如何在保證質(zhì)量與可靠性的前提下，從元器件選用控制方面降低產(chǎn)品的研制成本，是武器裝備發(fā)展的迫切需求。基于武器裝備低成本和小型化的要求，以及國(guó)外高等級(jí)器件可獲得性差等現(xiàn)狀，我國(guó)軍工武器系統(tǒng)各型號(hào)不可避免使用進(jìn)口工業(yè)級(jí)器件。國(guó)內(nèi)軍工用戶一般只能通過(guò)代理商或貿(mào)易商進(jìn)行采購(gòu)，無(wú)法要求代理商或貿(mào)易商提供可靠性試驗(yàn)報(bào)告或數(shù)據(jù)，也很難在有限的樣品里進(jìn)行真實(shí)可信可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)和質(zhì)量評(píng)價(jià)；同時(shí)工業(yè)級(jí)器件更新?lián)Q代較快，也給型號(hào)帶來(lái)比較大的風(fēng)險(xiǎn)。

相比之下，汽車級(jí)元器件有與軍品級(jí)類似的環(huán)境要求、產(chǎn)品規(guī)范和質(zhì)量保證，同時(shí)又有與工業(yè)級(jí)接近的供貨價(jià)格，在國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。近年來(lái)，無(wú)論是美國(guó)宇航局NASA的飛行任務(wù)，還是我國(guó)的武器裝備，均在開(kāi)展汽車級(jí)元器件高可靠領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)研究[1]。

2.進(jìn)口工業(yè)級(jí)元器件的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)及控制

從全球電子元器件制造生產(chǎn)領(lǐng)域來(lái)看，根據(jù)應(yīng)用條件的不同和可靠性指標(biāo)的差異，可供選擇的元器件主要包括軍用電子元器件（經(jīng)美國(guó)國(guó)防部MIL規(guī)范生產(chǎn)認(rèn)證）、汽車級(jí)元器件（經(jīng)汽車電子協(xié)會(huì)AEC認(rèn)證）、商用元器件（包括工業(yè)級(jí)和商業(yè)級(jí)元器件）和醫(yī)用元器件幾大類。

隨著我國(guó)型號(hào)研制更新?lián)Q代周期加快和內(nèi)在成本化需求不斷加強(qiáng)，傳統(tǒng)的元器件選用已經(jīng)不能滿足日新月異的武器裝備需求[2]。在這種環(huán)境下，由于進(jìn)口工業(yè)級(jí)器件具有價(jià)格低廉、相對(duì)穩(wěn)定的可靠性及可獲得性好等優(yōu)勢(shì)，從而越來(lái)越多地被使用。目前，多數(shù)武器裝備采用的進(jìn)口工業(yè)級(jí)器件主要以塑封器件為主。與傳統(tǒng)意義上的氣密封裝器件相比，塑封器件屬于非密封器件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒(méi)有與外界環(huán)境完全隔離，易受外部環(huán)境影響，產(chǎn)生了新的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 進(jìn)口工業(yè)級(jí)器件質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)

2.1.1 環(huán)境應(yīng)力耐受性風(fēng)險(xiǎn)

進(jìn)口工業(yè)級(jí)塑封器件是以樹(shù)脂類聚合物為封裝材料的非密封半導(dǎo)體器件。外界環(huán)境中的水汽可通過(guò)樹(shù)脂本身的微孔或者從樹(shù)脂與引線框架的界面處侵入而到達(dá)管芯，而這些水汽中同時(shí)存在著超過(guò)百余種可以影響模塑材料的氣態(tài)污染物。塑封器件暴露在普通環(huán)境下24個(gè)小時(shí)左右就會(huì)達(dá)到內(nèi)外水汽的“平衡”，在使用過(guò)程中，如果內(nèi)部有較多水汽，當(dāng)器件突遇高溫（如焊接過(guò)程）或受到大的過(guò)電應(yīng)力沖擊時(shí)，塑封器件在短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)塑封體爆裂的情況，即所謂的“爆米花”效應(yīng)。另外，滲透至管芯處的水汽，在特定條件下會(huì)導(dǎo)致鋁金屬化層腐蝕，隨著水汽入侵到器件內(nèi)部的空氣污染物會(huì)加快金屬表面的離子電遷移，導(dǎo)致金屬腐蝕，或者催化引發(fā)柯肯德?tīng)枺↘irKendall）效應(yīng)，造成鍵合失效，進(jìn)而使器件參數(shù)退化或失效。如果塑封器件內(nèi)部存在材料、界面的分層，上述失效風(fēng)險(xiǎn)將大大增加，并可能影響器件的使用壽命。

2.1.2 假冒翻新風(fēng)險(xiǎn)

目前國(guó)內(nèi)軍工產(chǎn)品采購(gòu)進(jìn)口器件主要依賴代理商渠道，沒(méi)有統(tǒng)一穩(wěn)定的供貨來(lái)源。由于進(jìn)口工業(yè)級(jí)器件自身質(zhì)量等級(jí)較低，供貨渠道復(fù)雜，因此假冒翻新比例較高。從2007年開(kāi)始，美國(guó)議會(huì)和國(guó)防部（DOD）的報(bào)告數(shù)次明確指出假冒翻新電子元器件被大量用在了關(guān)鍵的航天器和武器系統(tǒng)中[3]。國(guó)內(nèi)方面的情況同樣不容樂(lè)觀，某些重點(diǎn)工程的產(chǎn)品使用的塑封器件假冒翻新比例高達(dá)30%。假冒翻新元器件質(zhì)量難以保證，使用可靠性難以滿足嚴(yán)苛的環(huán)境要求，其應(yīng)用會(huì)帶來(lái)諸多方面的可靠性問(wèn)題。如何有效規(guī)避和防控假冒翻新元器件成為當(dāng)前元器件可靠性領(lǐng)域關(guān)注的問(wèn)題。

2.2 國(guó)內(nèi)外工業(yè)級(jí)器件質(zhì)量控制現(xiàn)狀

對(duì)于進(jìn)口工業(yè)級(jí)器件，國(guó)外已經(jīng)逐漸建立起相對(duì)完善的質(zhì)量控制體系。如美國(guó)的航空航天局NASA公布的《塑封微電路的選擇篩選和鑒定》（PEMINST-001），對(duì)塑封微電路的篩選（Screening）和鑒定（Qualification）流程進(jìn)行了明確的規(guī)定。針對(duì)塑封器件對(duì)潮氣敏感的特性，工業(yè)電子聯(lián)合會(huì)（IPC）發(fā)布了《非密封固態(tài)表面貼裝器件潮氣/回流敏感度分級(jí)》（J-STD-020D.1），對(duì)非密封器件的潮氣敏感等級(jí)（MSL）和回流焊操作流程進(jìn)行了規(guī)定。針對(duì)塑封器件易出現(xiàn)分層缺陷的特點(diǎn)，IPC又發(fā)布了《非密封電子器件聲學(xué)顯微檢測(cè)》（J-STD-035），對(duì)工業(yè)級(jí)器件的聲學(xué)掃描顯微鏡檢測(cè)方法進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。針對(duì)應(yīng)用在高可靠性領(lǐng)域的工業(yè)級(jí)器件，美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師協(xié)會(huì)（SAE）發(fā)布了航空標(biāo)準(zhǔn)《假冒翻新電子器件的規(guī)避、檢測(cè)、防控和處理》（AS5553）。

和國(guó)外相比，我國(guó)雖然建立了一套國(guó)軍標(biāo)電子元器件體系，但是在進(jìn)口工業(yè)級(jí)器件，尤其是塑封器件的的質(zhì)量控制方面標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還不夠完善。現(xiàn)行的軍用標(biāo)準(zhǔn)中，GJB7400-2011規(guī)定了N級(jí)塑封器件的質(zhì)量保證要求，但是實(shí)際可供選購(gòu)的N級(jí)器件十分有限。GJB4027A-2006規(guī)定了塑封半導(dǎo)體集成電路的DPA流程。我國(guó)缺少塑封器件的潮氣敏感度鑒定和使用規(guī)范，工業(yè)級(jí)器件的表面物理特征分析標(biāo)準(zhǔn)，以及聲學(xué)掃描顯微鏡篩選試驗(yàn)的具體流程和后處理參數(shù)規(guī)定。目前，涉及到塑封器件相關(guān)篩選或鑒定試驗(yàn)時(shí)，國(guó)內(nèi)各可靠性結(jié)構(gòu)大多采取參考PEM-INST-001和JEDEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，許多設(shè)計(jì)師甚至忽視了塑封器件的MSL等級(jí)。

3.工業(yè)、汽車、軍品電子元器件體系對(duì)比

3.1 元器件質(zhì)量保證體系

3.1.1 工業(yè)級(jí)元器件

工業(yè)級(jí)元器件是制造商按照自己的方法生產(chǎn)，滿足一般工業(yè)使用環(huán)境或特定行業(yè)要求的產(chǎn)品，包括汽車工業(yè)級(jí)器件、電信工業(yè)級(jí)器件、機(jī)車工業(yè)級(jí)器件等，其使用的技術(shù)規(guī)范較多，但沒(méi)有相對(duì)公認(rèn)的統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。另外，商用器件更新?lián)Q代速度快，產(chǎn)品周期短，難以適應(yīng)軍用/航天領(lǐng)域長(zhǎng)期供貨、周期性采購(gòu)的特點(diǎn)。

3.1.2 軍品級(jí)元器件

軍品級(jí)元器件指制造商在軍用部門(mén)認(rèn)證的生產(chǎn)線上嚴(yán)格按照相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范生產(chǎn)制造、選擇、測(cè)試和鑒定，滿足軍用環(huán)境使用要求的產(chǎn)品。

軍品生產(chǎn)一般在通過(guò)認(rèn)證的軍標(biāo)生產(chǎn)線進(jìn)行，如美國(guó)國(guó)防后勤局（DLA）認(rèn)證的QML生產(chǎn)線，中國(guó)軍用電子元器件質(zhì)量認(rèn)證委員會(huì)認(rèn)證的QPL生產(chǎn)線。可靠性標(biāo)準(zhǔn)多按照美軍標(biāo)執(zhí)行，主要以MIL-STD-883為主，根據(jù)軍品級(jí)別不同分別開(kāi)展不同的篩選試驗(yàn)、測(cè)試、破壞性物理分析、例行試驗(yàn)等。

軍品級(jí)元器件種類繁多，但由于軍品量少、要求高、認(rèn)證困難，導(dǎo)致很多電子元器件生產(chǎn)廠家不再生產(chǎn)軍用器件或逐步退出軍品生產(chǎn)，如飛思卡爾（前摩托羅拉）已不再生產(chǎn)軍品。根據(jù)2016年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，美國(guó)DLA認(rèn)證的QML制造廠有74家（41家符合MIL-PRF-38534規(guī)范，33家符合MILPRF-38535規(guī)范），但是封裝機(jī)構(gòu)（Assembly Facilities）只有7家。

3.1.3 汽車級(jí)元器件

汽車級(jí)元器件是制造商在經(jīng)過(guò)汽車行業(yè)質(zhì)量認(rèn)證的生產(chǎn)線上按照自己的方法生產(chǎn)，并經(jīng)過(guò)相應(yīng)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)篩選、測(cè)試和鑒定的，滿足汽車使用環(huán)境要求的產(chǎn)品。

汽車級(jí)元器件質(zhì)量體系一般為ISO/TS16949質(zhì)量體系。可靠性標(biāo)準(zhǔn)主要為兩個(gè)，一是美國(guó)汽車電子協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)即AEC系列標(biāo)準(zhǔn)，一是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)即ISO16750系列標(biāo)準(zhǔn)，其中AEC系列標(biāo)準(zhǔn)被廣泛采用。AEC系列標(biāo)準(zhǔn)中，AEC-Q100《基于集成電路應(yīng)力測(cè)試認(rèn)證的失效機(jī)理》包括了邦定線應(yīng)力試驗(yàn)、人體模式ESD試驗(yàn)、機(jī)械模式ESD試驗(yàn)、集成電路閂鎖試驗(yàn)等12個(gè)試驗(yàn)方法，AEC-Q101《半導(dǎo)體分立器件應(yīng)力測(cè)試的認(rèn)證規(guī)范》包括了6個(gè)試驗(yàn)方法，AEC-Q200《無(wú)源器件應(yīng)力測(cè)試認(rèn)證規(guī)范》包括了7個(gè)試驗(yàn)方法，此外還有AEC-Q001《零件平均測(cè)試指導(dǎo)原則》、AEC-Q002《統(tǒng)計(jì)式良品率分析指導(dǎo)原則》、AEC-Q003《芯片產(chǎn)品的電性能表現(xiàn)特性指導(dǎo)原則》、AEC-Q004《零缺陷指導(dǎo)原則》等。AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)中指出：本標(biāo)準(zhǔn)目的是確定一種器件在應(yīng)用中能夠通過(guò)應(yīng)力測(cè)試以及被認(rèn)為能夠提供某種級(jí)別的品質(zhì)和可靠性，如果成功完成根據(jù)本文件各要點(diǎn)需要的測(cè)試結(jié)果，那么允許供應(yīng)商聲稱他們的零件通過(guò)了AEC-Q100認(rèn)證。

表1 不同等級(jí)元器件對(duì)比情況列表

與工業(yè)級(jí)器件和軍品級(jí)器件相比，汽車電子元器件具備可觀的出貨量，優(yōu)于商用器件的產(chǎn)品周期，具有獨(dú)特的質(zhì)量和成本優(yōu)勢(shì)。

3.2 軍品級(jí)、工業(yè)級(jí)和汽車級(jí)元器件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)比情況

工業(yè)級(jí)元器件無(wú)明確可靠性標(biāo)準(zhǔn)支持，一般只進(jìn)行常規(guī)測(cè)試或三溫測(cè)試；工業(yè)級(jí)元器件一般只保證較長(zhǎng)的生命周期，但一般沒(méi)有具體數(shù)據(jù)。

汽車級(jí)元器件有明確的可靠性標(biāo)準(zhǔn)支持，要求進(jìn)行100%測(cè)試和篩選、抽樣鑒定（其內(nèi)容相當(dāng)于軍品級(jí)產(chǎn)品的例行試驗(yàn)內(nèi)容、DPA內(nèi)容）、失效分析和快速歸零，一般不提供報(bào)告，但可在網(wǎng)上查詢其質(zhì)量情況。

軍品級(jí)元器件按標(biāo)準(zhǔn)要求的方法組織生產(chǎn)，并按可靠性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行100%測(cè)試、100%篩選、例行試驗(yàn)、DPA和失效分析、歸零，提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各類報(bào)告。

不同等級(jí)元器件對(duì)比情況見(jiàn)表1所示。

4.汽車電子元器件的品種覆蓋、質(zhì)量控制和成本

4.1 汽車級(jí)元器件品種覆蓋情況

汽車級(jí)元器件品種主要集中在傳感器、微控制器、微處理器、驅(qū)動(dòng)器、通信元件、電源供應(yīng)器、被動(dòng)電子組件、顯示器等。按武器裝備應(yīng)用需求來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA、CPLD、DSP、存儲(chǔ)器、各類電源器件、電阻器、電容器、電感、二三極管、光電耦合器、電連接器、繼電器、功率器件、電池、總線等都有汽車級(jí)元器件，并且隨著電動(dòng)汽車逐步推廣，汽車級(jí)元器件種類會(huì)越來(lái)越多，汽車級(jí)元器件的生產(chǎn)廠家包括NXP、Altera、Analog Devices、Xilinx、Texas Instruments、Cypress等國(guó)際知名大公司。

4.2 汽車級(jí)元器件質(zhì)量控制方法

汽車級(jí)元器件可靠性標(biāo)準(zhǔn)一般都規(guī)定進(jìn)行一系列測(cè)試或篩選，測(cè)試一般從芯片制造開(kāi)始到產(chǎn)品出廠，含加速應(yīng)力測(cè)試、加速壽命模擬測(cè)試、封裝組裝整合測(cè)試、芯片晶圓可靠度測(cè)試、電氣特性確認(rèn)測(cè)試、瑕疵篩選監(jiān)控測(cè)試、封裝凹陷整合測(cè)試等，試驗(yàn)項(xiàng)目一般包括高低溫工作、高低溫儲(chǔ)存、溫度循環(huán)、溫度步進(jìn)、冰水沖擊、鹽霧、交變濕熱、恒定濕熱、防塵防水等。其測(cè)試和試驗(yàn)項(xiàng)目直接引用了美軍標(biāo)的相關(guān)條款，如水汽含量檢測(cè)、恒定加速度等就直接引用MIL-STD-883標(biāo)準(zhǔn)的部分條款。測(cè)試和鑒定試驗(yàn)的核心就是為了應(yīng)用，因此汽車級(jí)元器件的測(cè)試一般為Fail/Pass，即通過(guò)設(shè)置使用中遇到的各種故障觸發(fā)條件進(jìn)行測(cè)試，保證出廠的產(chǎn)品能可靠使用。

汽車級(jí)元器件一般具有較高的可靠性，壽命保證一般至少15年。

表2 部分片式瓷介電容器成本對(duì)比（歸一價(jià)格）

表3 部分分立器件成本對(duì)比（歸一價(jià)格）

表4 部分集成電路成本對(duì)比（歸一價(jià)格）

4.3 典型軍品級(jí)、工業(yè)級(jí)、汽車級(jí)的成本對(duì)比

汽車級(jí)元器件在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和質(zhì)量保證體系都要優(yōu)于工業(yè)級(jí)元器件，同時(shí)由于出貨量大，均攤成本低，實(shí)際采購(gòu)價(jià)格僅略高于工業(yè)級(jí)器件。根據(jù)美國(guó)NASA在2014年公開(kāi)的資料顯示[4]，美國(guó)本土部分典型的元器件種類成本如表2～表4所示。

5.結(jié)束語(yǔ)

汽車級(jí)元器件有完備的質(zhì)量控制體系和產(chǎn)品檢驗(yàn)規(guī)范，有滿足軍工產(chǎn)品要求的可靠性指標(biāo)，有與工業(yè)級(jí)器件接近的價(jià)格，而且品種多樣、供貨有保證。深入研究汽車級(jí)電子元器件在高可靠領(lǐng)域的應(yīng)用，對(duì)降低武器裝備研制成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。