電子元器件破壞性物理分析方法國內(nèi)外發(fā)展趨勢

Domestic and International Development Trends of Destructive Physical Analysis (DPA) Methods for Electronic Components

WANG Shuang ZHOU Qinyuan (China Electronics Standardization Institute)

Abstract:With thesignificantadvances inmanufacturing technology，therapid increaseinmarketdemand，and the application of new materialsand processs，electroniccomponents are developing towards diversification，integrationand systematization.This paper aims to summarize the evolutionofDestructive Physical Analysis (DPA)methods for electronic components based on the research on revision of standards for DPA methods at home and abroad.

Keywords:DestructivePhysical Analysis; electronic components; development trends

0 引言

量與可靠性水平，確保其使用中的可靠性[

在元器件質(zhì)量檢測和可靠性評價(jià)的研究中，破壞性物理分析是一種常用的技術(shù)手段，對于提升產(chǎn)品可靠性水平具有其他試驗(yàn)和檢驗(yàn)手段無法替代的作用。近年來，幾乎所有的軍用電子元器件和部分民用電子元器件都會(huì)選擇DPA方法來評價(jià)器件的質(zhì)

1國外電子元器件破壞性物理分析方法標(biāo)準(zhǔn)更新變化情況

1.1美軍標(biāo)中電子元器件破壞性物理分析方法標(biāo)準(zhǔn)更新變化情況

為提升電子元器件的綜合品質(zhì)和應(yīng)用的可靠性，美國軍方在20世紀(jì)60\\~70年代開展DPA相關(guān)工作，隨后，美國國防部于1980年10月10日發(fā)布首個(gè)破壞性物理分析方法標(biāo)準(zhǔn)，MIL-STD-1580《Destructive Physical Analysis for EEE parts》，其后的修訂是以“更改單（Notice）”和“修訂版（Change）”的形式進(jìn)行的。更改單的內(nèi)容主要為標(biāo)準(zhǔn)替換頁，修訂版為包括更改單的完整標(biāo)準(zhǔn)，以方便標(biāo)準(zhǔn)使用。MIL-STD-1580發(fā)布后的歷次版本情況如表1所示。

從表1可以看出，早年間MIL-STD-1580的變更次數(shù)較少，進(jìn)入2010年后，變更較為頻繁。而重大的變更，例如，增加新的電子元器件門類等都在版本號發(fā)生變化的時(shí)候進(jìn)行。MIL-STD-1580A后歷次版本新增電子元器件門類情況詳見表2。

MIL-STD-1580A中包含12大類、34小類的電子元器件。

MIL-STD-1580B相較于A版增加了3大類（射頻元件、熔斷器、加熱器），14小類的電子元器件，共包含15大類、48小類。

MIL-STD-1580C相較于B版增加了9小類電子元器件，包含15大類、57小類的電子元器件

MIL-STD-1580D相較于C版增加了6小類電子元器件，包含15大類、63小類的電子元器件。

從表2可見：MIL-STD-1580D相較于C版，新增電子元器件涉及大門類有二極管、微電路、電阻器；MIL-STD-1580C相較于B版，新增電子元器件涉及大門類有電容器、電連接器、磁性元件、熱敏電阻、射頻元件，涉及產(chǎn)品門類較多，由此可見，近年來，各類元器件都朝著多元化、集成化的趨勢發(fā)展，新型元器件和新型封裝元器件不斷涌現(xiàn)。

此外，MIL-STD-1580C在每個(gè)門類電子元器件的DPA檢測程序中增加外部/內(nèi)部禁用材料分析的要求，外部禁用材料分析是在2010年11月發(fā)布的MIL-STD-1580BChange2中新增的方法，在2019年10月發(fā)布的MIL-STD-1580C中又在每個(gè)門類電子元器件的DPA檢測程序中增加外部/內(nèi)部禁用材料分析要求，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了禁用材料分析的重要性。標(biāo)準(zhǔn)中對于外部禁用材料分析給出了詳細(xì)的檢測要求和掃描位置；對于內(nèi)部禁用材料分析，要求對混合電路、集成電路、晶體管、金屬封裝二級管、晶體元件、開關(guān)、繼電器和有腔體的電阻器和電容器以及其他內(nèi)部空腔元器件中除芯片金屬化區(qū)、鍵合絲及明顯鍍金表面外的所有內(nèi)部暴露的金屬表面都需進(jìn)行禁用材料分析。由此可見，美軍標(biāo)對禁用材料控制管理的力度在不斷加強(qiáng)。

通過研究標(biāo)準(zhǔn)歷次版本更新變化，初步分析MIL-STD-1580的發(fā)展思路和方向主要有以下幾個(gè)方面。

（1）針對不斷出現(xiàn)的器件新種類、新工藝，增加新內(nèi)容。近年來，電子元器件工藝發(fā)展迅速、集成度高，更加多元化，因此各類新型電子元器件、新型封裝電子元器件不斷出現(xiàn)，在每次MIL-STD-1580標(biāo)準(zhǔn)換版時(shí)，都能夠看到電子元器件新工藝、新結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。這些針對新型電子元器件、新型封裝電子元器件的內(nèi)容，不僅為研制單位和用戶單位提供了一個(gè)可靠性評價(jià)的技術(shù)手段，也促進(jìn)了新材料、新工藝的推廣與創(chuàng)新。

據(jù)了解，MIL-STD-1580仍在持續(xù)修訂中，而由于涉及器件種類較多，新增的外部/內(nèi)部禁用材料分析也在不斷調(diào)整適用范圍和具體要求。

（2）與其他標(biāo)準(zhǔn)或試驗(yàn)方法的兼容性。MIL-STD-1580引用了MIL-STD-883、MIL-STD-750、MIL-STD-202等相關(guān)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，和MIL-PRF-38535等產(chǎn)品通用規(guī)范，通過不斷更新，使得MIL-STD-1580的標(biāo)準(zhǔn)與其他標(biāo)準(zhǔn)在技術(shù)內(nèi)容和管理上保持兼容性。

（3）吸收新的檢測和試驗(yàn)技術(shù)、刪除不適用的

試驗(yàn)方法。（4）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)使用意見優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)可讀性，消除

歧義。(5)對原有的試驗(yàn)方法和程序的修改。

1.2歐空局（ESA）標(biāo)準(zhǔn)中電子元器件破壞性物理分析方法標(biāo)準(zhǔn)更新變化情況

1988年11月，歐空局（ESA）標(biāo)準(zhǔn)“ESA-RSS-01-60歐空局空間系統(tǒng)的元器件選擇、采購和控制”中首次列入破壞性物理分析方法。其后，ESA于2015年12月發(fā)布了ESCC21001《電子、電磁和機(jī)電器件破壞性物理分析》第一版本，包括17大類，44小類電子元器件。于2016年12月發(fā)布兩個(gè)更改單，僅對部分條款進(jìn)行勘誤。

第二版本于2017年11月發(fā)布，包括17大類，45小類，新增1小類電子元器件。隨后于2018年12月和2019年3月發(fā)布兩個(gè)更改單，更改單變化內(nèi)容較小。

最新版本的ESCC21001為2019年6月發(fā)布的第三版，包括17大類，45小類電子元器件。具體詳見表3。

其中，電連接器的“射頻電纜組件”為ESCC21001第二版中較第一版新增電子元器件門類。對比ESCC21001的歷次版本，在電子元器件門類數(shù)量方面變化較小。

2國內(nèi)電子元器件破壞性物理分析方法發(fā)展情況

我國在20世紀(jì)90年代開始進(jìn)行破壞性物理分析方法研究。2000年4月，GJB 4027-2000《軍用電子元器件破壞性物理分析方法》正式發(fā)布，該標(biāo)準(zhǔn)包括13大類，37小類電子元器件。該標(biāo)準(zhǔn)為參考MIL-STD-1580A和國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品的通用規(guī)范，結(jié)合我國國情進(jìn)行制定。

其后，2004年對該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，并于2006年發(fā)布，GJB4027A變化為16大類，49小類。主要變化有以下幾項(xiàng)。

(1)增加了專用射頻元件，熔斷器，加熱器等3

個(gè)大項(xiàng)。

(2)在相關(guān)門類增加子門類：

1)光電器件中增加了半導(dǎo)體光電模塊；

2)電連接器中增加了電連接器接觸件；

3)線圈和變壓器中增加了片式印刷電感器;

4)石英晶體和壓電元件中增加了晶體振蕩器；

5）結(jié)合目前國內(nèi)使用塑封器件的實(shí)際情況，將塑封半導(dǎo)體集成電路DPA納人了集成電路項(xiàng)目中，并將集成電路分為密封半導(dǎo)體集成電路，混合集成電路（含多芯片組件）和塑封半導(dǎo)體集成電路3個(gè)小類。

(3）將半導(dǎo)體分立器件的“無鍵合引線二極管”“晶體管和有鍵合引線二極管”兩類改為“無鍵合引線軸向引線玻璃外殼和玻璃鈍化封裝二極管”“無鍵合引線螺栓安裝和軸向引線金屬外殼二極管”“表面安裝和外引線同向引出晶體管、二極管”共3類。

GJB4027B于2021年發(fā)布，在2015年已經(jīng)完成該標(biāo)準(zhǔn)的修訂。主要的變化如下。

（1)新增了3個(gè)工作項(xiàng)目，分別為工作項(xiàng)目1004有鍵合絲塑封半導(dǎo)體分立器件、1104倒裝焊半導(dǎo)體集成電路和1503膜式表面貼裝型熔斷器。涉及的產(chǎn)品門類從16大類、49小類調(diào)整為16大類、52小類。

(2)增加了封裝表面鍍涂材料分析。

（3)原有的16大類、49小類工作項(xiàng)目，其中20小類無變化；有21小類工作項(xiàng)目有內(nèi)容翻譯和編輯的修改，結(jié)合美軍標(biāo)和其他行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對8小類工作項(xiàng)目進(jìn)行了技術(shù)內(nèi)容修改。

3電子元器件破壞性物理分析方法國內(nèi)外發(fā)展趨勢

(1)與工程應(yīng)用實(shí)際需求緊密結(jié)合

由于無鉛焊料在高溫高濕、外界機(jī)械應(yīng)力或者大電流的作用下會(huì)生長錫須，錫須會(huì)導(dǎo)致電路斷路。電子元器件表面鍍層鎘超標(biāo)會(huì)降低鍍層耐腐蝕性和機(jī)械強(qiáng)度，導(dǎo)致機(jī)械部件失效；鎘超標(biāo)鍍層與非金屬材料（如：塑料、涂料)接觸時(shí)，可能引發(fā)“白霜”腐蝕，影響電子元器件的可靠性，而鍍層鋅超標(biāo)在摩擦或精密部件中易磨損，且高溫下氧化加速，可能引發(fā)短路或接觸不良。這些情況都不能滿足電子元器件的高可靠性應(yīng)用的需求。無鉛焊料和鋅、鎘鍍層超標(biāo)都應(yīng)該作為禁用材料被禁止使用。

因此，在2010年11月發(fā)布的MIL-STD-1580BChange2中新增了外部禁用材料分析方法，而在2019年10月發(fā)布的MIL-STD-1580C中又在每個(gè)門類電子元器件的DPA檢測程序中增加外部/內(nèi)部禁用材料分析要求，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了禁用材料分析的重要性。2021年發(fā)布的GJB4027B中也增加了外部禁用材料分析方法。

(2)關(guān)注并積極推廣新檢測技術(shù)手段

隨著科技水平的不斷提升，各種新的檢測技術(shù)手段不斷出現(xiàn)，在發(fā)展DPA技術(shù)的同時(shí)也對這些新興的檢測技術(shù)手段持續(xù)關(guān)注并積極推廣。

例如，以往的濕法X射線檢查手段不僅分辨率低而且效率低，對于大批次的產(chǎn)品檢測耗時(shí)耗力，數(shù)字化X射線檢查方法不僅能實(shí)時(shí)成像，還可以實(shí)現(xiàn)無級的放大和縮小，CT技術(shù)更是可以在非破壞的情況下，對內(nèi)部缺陷進(jìn)行三維立體的診斷，某種程度上可以代替剖面檢查，省時(shí)省力。因此，在新發(fā)布的方法標(biāo)準(zhǔn)中就引人了數(shù)字化X射線檢查手段和CT技術(shù)。

而激光刻蝕技術(shù)也比傳統(tǒng)的手工濕法刻蝕和等離子刻蝕準(zhǔn)確度更高，速度更快，適用于尺寸更小的集成電路，在新發(fā)布的方法中也將激光刻蝕技術(shù)納入塑封微電路的開封方法中。

(3)關(guān)注新工藝、新技術(shù)的發(fā)展，不斷擴(kuò)充標(biāo)準(zhǔn)中覆蓋的元器件類型

持續(xù)關(guān)注電子元器件行業(yè)中各種新工藝、新技術(shù)、新材料的發(fā)展情況，持續(xù)性補(bǔ)充各類新型的電子元器件，不斷擴(kuò)充相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋面。

例如，MIL-STD-1580C相較于B版，新增電子元器件包括：固定型多陽極固體鈕片式電容器、固定式片式固體電容器、開關(guān)模式電源用固定陶瓷電容器、固定可擴(kuò)展陶瓷片式電容器、單層固定陶瓷片式電容器、濾波連接器、鐵氧體芯片、片式熱敏電阻、聲表面波器件共9類產(chǎn)品。涉及大門類有電容器、電連接器、磁性元件、熱敏電阻、射頻元件，涉及產(chǎn)品門類較多。

而在MIL-STD-1580D中增加了4項(xiàng)有關(guān)倒裝焊器件DPA的試驗(yàn)程序，包括：倒裝芯片微電路（氣密封裝型）、倒裝芯片微電路（基板裸片型）、倒裝芯片微電路（帶蓋板型）、倒裝芯片微電路（塑封型)。

(4)關(guān)注成熟產(chǎn)品的工藝水平提升和質(zhì)量一致 性水平提升情況

對于已經(jīng)比較成熟產(chǎn)品的DPA試驗(yàn)方法，電子元器件破壞性物理分析方法標(biāo)準(zhǔn)也保持不斷更新的狀態(tài)，結(jié)合產(chǎn)品工藝水平和質(zhì)量水平提升情況，對相關(guān)產(chǎn)品缺陷的檢查判據(jù)和試驗(yàn)抽樣數(shù)進(jìn)行修改。

4結(jié)語

通過對國內(nèi)外電子元器件破壞性物理分析方法相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)變更情況研究，可以發(fā)現(xiàn)針對新型電子元器件、新型封裝電子元器件的DPA方法內(nèi)容不斷增加，這不僅為研制單位和用戶單位提供了一個(gè)可靠性評價(jià)的技術(shù)手段，也促進(jìn)了新材料、新工藝的推廣與創(chuàng)新。然而，隨著工程應(yīng)用的不斷增加，裸芯片疊層封裝、晶圓級封裝和PoP封裝集成電路等新型封裝集成電路以及MEMS傳感器、光電探測器等新型電子元器件的DPA試驗(yàn)方法需求也不斷增加，這將成為未來電子元器件破壞性物理分析方法研究和發(fā)展的方向。

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