電子元器件生產(chǎn)廠家質(zhì)量工藝控制存在的問題

牛姜楓

（北京京瀚禹電子工程技術(shù)有限公司，北京 100000）

0 引言

在過去十幾年，中國半導(dǎo)體發(fā)展突飛猛進，在國防、國民經(jīng)濟領(lǐng)域中廣泛使用電子元器件，隨著電子元器件國產(chǎn)化的比重越來越大，越來越多的“中國芯”被用在民用、軍工領(lǐng)域。從民用的電子產(chǎn)品，到軍用的武器裝備，其性能主要依賴半導(dǎo)體電子元器件的質(zhì)量，國產(chǎn)元器件的質(zhì)量直接關(guān)系到國防和國民經(jīng)濟的安全，由于高速的發(fā)展帶來質(zhì)量的良莠不齊，給可靠性工作帶來巨大挑戰(zhàn)，也因為質(zhì)量問題造成重大質(zhì)量事故。通過可靠性篩選和DPA 工作，可以把一些問題提前暴露出來，剔除有缺陷的產(chǎn)品，減少上機之后的質(zhì)量隱患，極大地提高了電子元器件的使用可靠性，同時也解決生產(chǎn)廠家質(zhì)量工藝控制存在的問題。

1 篩選檢測和DPA 概述

篩選是是一種通過試驗和檢測剔除有缺陷的或不合格元器的方法，一般包括一次篩選和二次篩選，是一種可以增加產(chǎn)品使用穩(wěn)定性的方法。通常因為生產(chǎn)工藝失控，或者制造原材料的缺陷，在制造過程中，使有些產(chǎn)品存在問題或缺陷，如果經(jīng)過篩選及早清除這些問題或缺陷的產(chǎn)品，能夠使產(chǎn)品的使用可靠性大大地提高[1]。電子元器件的可靠性包括固有可靠性和使用可靠性。電子元器件的固有可靠性是產(chǎn)品固有屬性，在設(shè)計、制造過程中所帶來的，不能通過后期試驗和檢測來提高。但是元器件的使用可靠性可以通過相應(yīng)的手段來提高，經(jīng)過一系列的試驗和檢測手段來提高電子元器件的使用可靠性。

常見的篩選檢測項目包括：外觀檢查、常溫初測、高溫貯存、溫度循環(huán)、恒定加速度、PIND、常溫中測、老煉、常溫中測、低溫測試、高溫測試、細(xì)檢漏、粗檢漏、常溫終測、外觀復(fù)查。

破壞性物理分析，即DPA，是一種對電子元器件的潛在問題加以發(fā)現(xiàn)，并研究其成因和危害的方法。該方法由美國最先開始使用。它是在元器件制造過程中、上機前，在產(chǎn)品批中隨機選擇相應(yīng)數(shù)量的電子元器件，并通過各種非破壞和破壞性試驗的方式，檢驗元器件構(gòu)造、材質(zhì)、設(shè)計、制作工序的產(chǎn)品質(zhì)量，能否達(dá)到所規(guī)定的可靠性條件。刨析元器件內(nèi)部的材質(zhì)、工藝等問題后，對元器件樣品加以解剖，刨析其內(nèi)在元素以及前后所進行一系列檢驗的全過程，用于判定是否存在批次產(chǎn)品質(zhì)量問題，奠定工藝改進基礎(chǔ)，以提高元器件質(zhì)量，保障整個電子系統(tǒng)的可靠性。

2 篩選檢測發(fā)現(xiàn)的問題

篩選檢測中發(fā)現(xiàn)的問題還是比較多的。以某電子元器件二次篩選知名可靠性檢測機構(gòu)數(shù)據(jù)為例，近三年（2019—2021 年），不合格數(shù)量為49.5 萬只，不合格批次為2.4 萬批。表1 為失效批次對比，從表1 可以看出，不合格數(shù)量和不合格批次較多。

表1 2019—2021 失效批次對比

外觀檢查發(fā)現(xiàn)的問題有：管腳彎曲、標(biāo)示不清、劃痕、尺寸超差、銹蝕、沾污、鍍層缺陷、殼體缺損裂紋、絕緣子裂紋、焊料缺損、標(biāo)志錯誤等。這些問題可能存在于生產(chǎn)廠家人員、原材料、生產(chǎn)方法、檢驗方法等環(huán)節(jié)[2]。

高溫貯存、溫度循環(huán)發(fā)現(xiàn)的問題有：塑封器件變形、塑封器件殼體裂紋缺損、金屬表面變色、金屬表面腐蝕等?？赡艽嬖谟谏a(chǎn)廠家設(shè)計、原材料、生產(chǎn)方法、檢驗方法等環(huán)節(jié)。

恒定加速度發(fā)現(xiàn)的問題：封裝結(jié)構(gòu)達(dá)不到要求。可能存在于生產(chǎn)廠家設(shè)計、原材料等環(huán)節(jié)。

PIND 發(fā)現(xiàn)的問題：氣密封器件內(nèi)部存在微小顆粒?？赡艽嬖谟谏a(chǎn)廠家人員、環(huán)境等環(huán)節(jié)。

老煉發(fā)現(xiàn)的問題：器件相當(dāng)數(shù)量的早期失效情況、個別器件存在老煉后失效的情況。可能存在于生產(chǎn)廠家設(shè)計、人員、設(shè)備、環(huán)境等環(huán)節(jié)。

常溫測試發(fā)現(xiàn)的問題：測試參數(shù)比較少，性能指標(biāo)偏差大，和國外器件性能差距較大。可能存在于生產(chǎn)廠家設(shè)計、人員、原材料、生產(chǎn)方法、設(shè)備等環(huán)節(jié)。

高低溫測試發(fā)現(xiàn)的問題：低溫條件下器件不能工作，高低溫條件下性能變差?？赡艽嬖谟谏a(chǎn)廠家設(shè)計、人員、原材料、生產(chǎn)方法、設(shè)備等環(huán)節(jié)。

檢漏試驗發(fā)現(xiàn)的問題：氣密封器件存在密封不良，有漏率超差的情況出現(xiàn)?？赡艽嬖谟谏a(chǎn)廠家設(shè)計、原材料等環(huán)節(jié)。

3 DPA 發(fā)現(xiàn)的問題

DPA 失效數(shù)據(jù)也逐年增高，2019 年到2021 年不合格批次占比分別為6.97%、8.23%、7.93%，國產(chǎn)不合格批次占比分別為3.29%、3.26%、4.21%，主要集中在密封、內(nèi)檢、外檢、X 射線、聲掃、水汽。國產(chǎn)電子元器件翻新、假冒、以次充好的情況大量存在，塑封器件應(yīng)用越來越多，但是塑封器件分層情況嚴(yán)重。

在70 余項通用國產(chǎn)元器件分析中，發(fā)現(xiàn)9 項器件存在問題，比例還是很大。主要為國產(chǎn)偽空包器件、外觀結(jié)構(gòu)問題等。國產(chǎn)元器件質(zhì)量不穩(wěn)定，批次一致性差，且生產(chǎn)單位的檢測條件良莠不齊，檢驗標(biāo)準(zhǔn)各不相同，障覆蓋率達(dá)不到100%。

（1）國產(chǎn)偽空包器件：與國產(chǎn)廠家確認(rèn)，自主設(shè)計產(chǎn)品，且經(jīng)過了鑒定。但是，存在供貨周期長，生產(chǎn)成本高，產(chǎn)品批次質(zhì)量一致性差的問題，故會使用國外晶片生產(chǎn)。從內(nèi)部結(jié)構(gòu)中能看到器件有美國半導(dǎo)體廠家標(biāo)志，非國產(chǎn)器件。

（2）外觀結(jié)構(gòu)問題：器件焊盤變形，導(dǎo)致絕緣間距減小，導(dǎo)致絕緣性能下降；焊盤腐蝕，導(dǎo)致焊接不良；器件側(cè)面塑封料存在空洞，存在吸潮導(dǎo)致參數(shù)漂移、爆米花效應(yīng)等風(fēng)險；玻璃絕緣子存在裂紋，存在密封性隱患。

4 生產(chǎn)廠家存在的問題及措施

4.1 人員方面

隨著半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，我國新增半導(dǎo)體企業(yè)越來越多。根據(jù)企查查數(shù)據(jù)的分析，2022 年中國共有半導(dǎo)體公司7 萬多個?！吨袊呻娐樊a(chǎn)業(yè)人才白皮書（2019—2022 年版）》中表示，根據(jù)當(dāng)前行業(yè)發(fā)展?fàn)顟B(tài)，至2022 年，全產(chǎn)業(yè)的人才需求將近80 萬人，但是從現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)從業(yè)人數(shù)來看，只能滿足40 萬的人員，還缺少30 萬人，只是集成電路一類的人才，如果加上功率器件、光電子器件等領(lǐng)域，缺口可達(dá)60 萬左右，這一數(shù)量還會繼續(xù)擴大。我國在半導(dǎo)體領(lǐng)域人才匱乏嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了半導(dǎo)體行業(yè)的質(zhì)量水平，沒有充足和經(jīng)驗豐富的人員，影響到半導(dǎo)體產(chǎn)品的質(zhì)量水平[3]。

操作人員應(yīng)參加培訓(xùn)，通過考核持證上崗，掌握相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范和檢驗的基本原理，能熟練使用相關(guān)儀器設(shè)備，能對試驗結(jié)果做出分析和判斷。

4.2 設(shè)備方面

半導(dǎo)體分為設(shè)計、制造和封測三大核心產(chǎn)業(yè)，以及對應(yīng)的原材料，以及制造、封裝、測試環(huán)節(jié)所需的專業(yè)設(shè)備。

芯片設(shè)計軟件都集中在歐美國家，國內(nèi)廠家需要花費昂貴的費用，才可以使用國外軟件的精簡版本。沒有好的設(shè)計，談何質(zhì)量。

晶圓的成分是硅，晶圓越薄，成本越低，但是工藝的要求就越高。晶圓生產(chǎn)過程中，使用的比較普遍的有光刻設(shè)備、刻蝕裝置、離子注入機、電子擴散裝置、氧化爐、拋光裝置、清洗機等。國內(nèi)不具備核心設(shè)備生產(chǎn)能力，只具備一部分設(shè)備生產(chǎn)能力，但是在質(zhì)量方面和國外設(shè)備廠家相差巨大，自然而然的影響質(zhì)量。

封測方面使用的設(shè)備大多為國外設(shè)備，半導(dǎo)體測試設(shè)備基本集中在國外，半導(dǎo)體測試設(shè)備技術(shù)難度大，主要由愛德萬和泰瑞達(dá)兩家壟斷，價格昂貴，國產(chǎn)廠家配置的數(shù)量有限，不足以滿足大規(guī)模生產(chǎn)測試需要。測試設(shè)備方面存在差距，設(shè)備能力、測試精度、頻率范圍和國外設(shè)備差距較大。

儀器設(shè)備有相應(yīng)的管理方法，關(guān)鍵設(shè)備由專人操作和檢查；設(shè)備按計量計劃進行計量檢定，計量合格后粘貼合格標(biāo)識并注明及有效期，需在設(shè)備有效期內(nèi)使用，使用時做好使用臺賬，無法檢定時由相應(yīng)的比對報告等。儀器設(shè)備應(yīng)符合生產(chǎn)和檢驗的要求。設(shè)備管理辦法有效執(zhí)行，有對應(yīng)的設(shè)備檔案、設(shè)備臺賬、儀器設(shè)備計量檢定計劃，設(shè)備維修記錄，能清晰準(zhǔn)確查詢到設(shè)備的運行情況[4]。

4.3 原材料方面

半導(dǎo)體行業(yè)主材料為硅晶圓，硅晶圓的好壞直接決定了芯片的好壞。硅晶圓是制造技術(shù)門檻極高，高科技尖端產(chǎn)品，大多集中在國外。我國電子元器件生產(chǎn)廠家大多依賴進口，自主生產(chǎn)的很少。

由于國產(chǎn)廠家大部分從國外采購，供貨渠道是否正規(guī)，有沒有斷供的風(fēng)險，會不會出現(xiàn)混料等問題，國產(chǎn)廠家可以識別一些信息，但是無法識別的就有可能會發(fā)生問題。

對原材料生產(chǎn)實施一系列的質(zhì)量控制，從原材料的選擇與采買到進場儲存，還包括原材料的周轉(zhuǎn)輸送，和進場的篩選與檢測，并根據(jù)國家規(guī)范的要求執(zhí)行，把控生產(chǎn)質(zhì)量。對于生產(chǎn)過程中每步操作的原料或半成品，必須進行檢測，確保符合相關(guān)規(guī)定，并設(shè)置有流轉(zhuǎn)卡，對原材料做一定的識別與跟蹤，對重要工藝可配備監(jiān)測設(shè)備，監(jiān)測制造過程。能夠有效識別合格品與不合格品，不合格品有專用的容器儲存，并有相應(yīng)的不合格品標(biāo)識，對不合格品登記、查詢、處理。企業(yè)物料管理全面有效，可以溯源從入庫到產(chǎn)品的全流程，質(zhì)量問題可追溯。

4.4 試驗方法方面

國內(nèi)質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，特別是軍用器件，有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、企軍標(biāo)、七專標(biāo)準(zhǔn)、GJB 標(biāo)準(zhǔn)、普軍標(biāo)準(zhǔn)、軍品標(biāo)準(zhǔn)等，相應(yīng)的軍用試驗標(biāo)準(zhǔn)是沿用美軍標(biāo)的，項目和內(nèi)容很多年沒有更新過，對于一些新類型器件、新型號器件不能很好起到質(zhì)量管控作用。產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范也不一致，同樣的器件，國外產(chǎn)品手冊有直流參數(shù)、時間參數(shù)、動態(tài)參數(shù)等，國產(chǎn)手冊要么只有直流參數(shù)，要么只有部分參數(shù)，參數(shù)數(shù)量比國外要少很多，性能指標(biāo)比國外的低，參數(shù)數(shù)量和指標(biāo)與國外的一致，但使用性能和穩(wěn)定性不如國外器件。

建立統(tǒng)一的試驗方法和管理方法，對每一類器件都有相同的試驗方法和管理方法，并能很好的指導(dǎo)相應(yīng)工作，無論生產(chǎn)廠家或者是配套單位，都能明確的知道怎么做如何做。每個作業(yè)都有作業(yè)指導(dǎo)書，每個操作都有操作規(guī)程，具體怎么作業(yè)、怎么操作，絕對不能出現(xiàn)操作標(biāo)準(zhǔn)不一的情況。工序技術(shù)參數(shù)的更改，需要進行專家論證審核批準(zhǔn)后，才能變更內(nèi)容。工藝文件的編制、評定和審批都有相應(yīng)的流程和規(guī)定，保證所使用文件的正確性和統(tǒng)一性。技術(shù)文件和管理文件的撰寫，評定和審核要有一定的制度和要求，確保所使用文檔的正確性和統(tǒng)一性，工藝文件都應(yīng)嚴(yán)格管理，發(fā)布、修改、執(zhí)行都應(yīng)受控并能追溯，現(xiàn)場能取得的文件都是效的，生產(chǎn)過程中的記錄能及時填寫并匯總上交[5]。

4.5 環(huán)境方面

擁有相應(yīng)資質(zhì)的生產(chǎn)廠家，環(huán)境方面都是達(dá)標(biāo)的，通過相關(guān)機構(gòu)審核和認(rèn)可，滿足生產(chǎn)的相關(guān)環(huán)境要求。對于沒有相應(yīng)資質(zhì)的生產(chǎn)廠家，其生產(chǎn)環(huán)境存在不達(dá)標(biāo)的情況，無法滿足生產(chǎn)的環(huán)境要求。

生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境方面的要求：溫度、濕度、光線、防靜電等符合相關(guān)要求；有安全環(huán)保設(shè)備和措施，符合職工健康安全法律法規(guī)要求；現(xiàn)場執(zhí)行6S 要求，物品擺放合理，布局科學(xué)，無與生產(chǎn)無關(guān)的雜物；有相應(yīng)的溫度、濕度、光線、防靜電監(jiān)測設(shè)施及方法，對應(yīng)的措施能及時糾正偏差。

4.6 檢驗方面

生產(chǎn)廠家的檢驗方案是經(jīng)過內(nèi)部評審?fù)ㄟ^的，但是評審委員會的專業(yè)程度是否滿足要求，評審方案是否合適，是否滿足要求，不同廠家的方案可能不一樣，則會導(dǎo)致不同廠家的產(chǎn)品存在不同。

選擇使用能滿足準(zhǔn)確度和精度的測量設(shè)備；定期對設(shè)備進行確認(rèn)、校準(zhǔn)，規(guī)定相應(yīng)的確認(rèn)和校準(zhǔn)方法規(guī)程，保存相關(guān)記錄；發(fā)現(xiàn)設(shè)備處于非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)時，立即排查，對之前測量和試驗結(jié)果的有效性進行分析評定，并記入相關(guān)文件；檢驗有相應(yīng)的檢驗規(guī)程和作業(yè)指導(dǎo)書，相應(yīng)的檢驗方案經(jīng)過評審固化，通過后發(fā)布執(zhí)行。

5 建議

一方面需要生產(chǎn)廠家方面加強工藝和質(zhì)量控制，從人員、設(shè)備、原材料、方法、環(huán)境、檢驗方法6 個方面加強管控，通過一系列方法和手段，通過控制工藝，提高元器件的固有質(zhì)量；另一方面需要篩選方面做把關(guān)，把元器件的使用可靠性提高，把使用質(zhì)量不過關(guān)的器件篩選出去；通過雙方共同努力，為元器件的可靠性做保障工作。

6 結(jié)語

國產(chǎn)電子元器件應(yīng)用越來越多，產(chǎn)業(yè)鏈也逐步完善，在工業(yè)和國防應(yīng)用中，比重越來越重，自然而然的對質(zhì)量要求也越來越高，就需要相關(guān)生產(chǎn)廠家和配套單位共同努力做好質(zhì)量保障工作。隨著技術(shù)的不斷提高，人員能力的提高，生產(chǎn)廠家的質(zhì)量控制越來越好，國產(chǎn)電子元器件質(zhì)量會越來越好。