李 潤

（華東電子工程研究所，合肥 230031）

軍用電子裝備應(yīng)用中的塑封微電路質(zhì)量保證

李 潤

（華東電子工程研究所，合肥 230031）

近年來，塑封微電路憑借著其在性能、重量、尺寸、成本、采購周期以及可獲得性等方面的優(yōu)勢，越來越多地應(yīng)用在軍工電子裝備中，其可靠性低的問題就越來越突出。如何將這類塑封微電路更可靠地應(yīng)用于不同領(lǐng)域的軍工電子裝備中，并使風(fēng)險降低到可控的范圍，是廣大軍工電子裝備制造單位正在致力探索解決的問題。淺析了塑封微電路應(yīng)用于軍工電子裝備中的優(yōu)缺點，并介紹了某型塑封微電路在地面、航空這兩個不同的領(lǐng)域應(yīng)用所執(zhí)行的一套質(zhì)量保證方案。

塑封微電路；軍用電子裝備；質(zhì)量保證

1 概述

近年來，隨著軍工電子裝備的飛速發(fā)展，不斷地有新技術(shù)被成功應(yīng)用，越來越高的集成小型化對集成電路的重量及尺寸提出了更高的要求，用戶對電子裝備的性能與技術(shù)指標的需求也越來越高。然而應(yīng)用新技術(shù)、實現(xiàn)裝備高性能所必需的集成電路，往往是國外廠家生產(chǎn)的采用塑料封裝形式的電路，并且通常質(zhì)量等級為工業(yè)級甚至商業(yè)級。這些集成電路的軍用級產(chǎn)品的研發(fā)通常是滯后的，或者很難采購到。在無法采購到這類軍用級集成電路的情況下，易獲得的工業(yè)級、商業(yè)級塑封微電路就難以避免地需要應(yīng)用在軍工電子裝備中[1]。

2 塑封微電路的優(yōu)缺點

工業(yè)級、商業(yè)級塑封微電路本身也有著軍用級集成電路不具備的一些優(yōu)點，如性能好等。當今電子行業(yè)飛速發(fā)展，制造商受利益驅(qū)使，那些先進技術(shù)研發(fā)的器件都是以較低成本的塑封形式出現(xiàn)。另一方面制造商在沒有得到研發(fā)經(jīng)費支持的情況下，對研發(fā)高等級的軍用級集成電路的興趣也越來越小。高額的生產(chǎn)管理、研發(fā)成本以及繁瑣的試驗過程讓制造商們望而卻步，而正是這個原因造就了塑封微電路成本低以及采購周期短的優(yōu)勢。

塑封微電路另外一個優(yōu)勢是重量輕、尺寸小。這在要求電路集成化、裝備小型化的今天顯得很有吸引力，特別是在對重量及尺寸有著近乎苛刻要求的航空裝備中顯得格外有優(yōu)勢。因此為了更好地使用塑封微電路，我們需要了解并清楚塑封微電路相比高等級的軍用級集成電路的缺點，這樣才能針對塑封微電路的不足之處，量身定制出一套可行有效的質(zhì)量保證方案。

集成電路制造商依據(jù)軍用級集成電路與塑封微電路的不同生產(chǎn)規(guī)范給出了兩者的定義，軍用級高可靠性的集成電路需按照規(guī)范生產(chǎn)并且全面、正確的測試（produce-it-to-rules plus test-it-right），通過嚴酷的篩選項目及考核試驗。而工業(yè)級、商業(yè)級塑封微電路僅僅是按照一定的方法生產(chǎn)的（produce-itright）。塑封微電路的生產(chǎn)過程控制不嚴格，技術(shù)狀態(tài)以及工藝方法不固化，無法保證不同生產(chǎn)批具有相同的質(zhì)量。同時生產(chǎn)工藝無抗輻照設(shè)計，成品后經(jīng)過生產(chǎn)廠家規(guī)定的篩選項目，無法保證器件的長期可靠性。

3 塑封微電路常見的幾種失效模式

塑封微電路在實際應(yīng)用中有一些常見的問題[2]。

塑封材料本身具有的親水、多孔性導(dǎo)致了塑封微電路的非氣密性。這使得當塑封微電路處于潮濕環(huán)境中時，水汽能較輕易地透過塑封材料以及通過其與引線框界面處的縫隙進入器件內(nèi)部，腐蝕內(nèi)引線以及芯片。而當水汽中含有其他任何離子雜質(zhì)時，就很容易在引線內(nèi)鍵合區(qū)域以及芯片的金屬化層處發(fā)生電化學(xué)腐蝕，而施加電信號以及高溫會加速腐蝕的程度，最終導(dǎo)致器件功能失效。同時也不能忽略塑封材料在吸附水汽時造成的材料體積膨脹進而帶來的機械應(yīng)力。

塑封微電路吸濕帶來的另一個問題是大家俗稱的“爆米花”效應(yīng)。吸收了水汽后的塑封微電路在進行高溫焊接時，器件溫度陡然升高，所吸附的水汽迅速汽化膨脹。這會在器件內(nèi)部產(chǎn)生一個很大的機械應(yīng)力，最終導(dǎo)致器件分層、鍵合損傷甚至是器件爆裂，這就是“爆米花”效應(yīng)。更大的焊接溫度變換速率和更高的焊接溫度都將直接增加發(fā)生“爆米花”效應(yīng)的概率，而在需要更高溫度焊接的無鉛塑封微電路時其風(fēng)險就更大了。

塑封微電路的各種材料的膨脹系數(shù)差異較大，在高低溫度交替變化時，在塑封材料與引線框架的界面處會產(chǎn)生機械應(yīng)力進而導(dǎo)致器件分層、開裂。器件的分層與開裂也有可能對芯片造成劃傷，導(dǎo)致器件功能失效。塑封材料在低溫時容易變脆，同時其耐受高溫的能力差，它的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度通常在150 ℃左右。當環(huán)境溫度達到其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度時，塑封材料性能快速退化。這導(dǎo)致了塑封微電路的工作、貯存溫度范圍較窄的問題。另一方面塑封材料的散熱能力差，使得塑封微電路的熱阻較高，在外部環(huán)境溫度還未達到塑封微電路的額定工作溫度時，其內(nèi)部溫度就可能已經(jīng)超過了額定工作溫度，導(dǎo)致芯片燒毀。這也在很大程度上制約了塑封微電路的工作溫度范圍。

塑封材料這種模塑化合物在真空環(huán)境中具有揮發(fā)的特性。這種揮發(fā)物本身就是一種多余物，特別是對裝備中的成像系統(tǒng)會造成污染，導(dǎo)致其分辨率下降。

4 塑封微電路的質(zhì)量保障措施應(yīng)用案例

基于前文分析的塑封微電路優(yōu)缺點以及常見的幾種失效模式，將這類塑封微電路更可靠地應(yīng)用在軍工電子裝備中，并使風(fēng)險降低到可控范圍，是廣大軍工電子裝備制造單位在致力探索與解決的問題。而地面、航空這兩個不同領(lǐng)域的使用環(huán)境也對塑封微電路的可靠性提出了不同的要求。本文針對應(yīng)用于不同領(lǐng)域的塑封微電路的質(zhì)量保證工作進行淺顯的探討，介紹某單位塑封微電路具體執(zhí)行的質(zhì)量保證方案，見表1。

首先應(yīng)對批次塑封微電路抽樣進行DPA試驗，DPA試驗是分析該塑封微電路生產(chǎn)批的設(shè)計、工藝和制造缺陷等有關(guān)信息的一個重要手段。通常DPA試驗?zāi)芎苋娴卦u價該生產(chǎn)批塑封微電路的封裝、裝配質(zhì)量以及芯片是否有缺陷。

DPA試驗依據(jù)GJB 4027A-2006《軍用電子元器件破壞性物理分析方法》[3]中1103塑封半導(dǎo)體集成電路執(zhí)行。試驗主要內(nèi)容包括外部目檢、X射線檢查、聲學(xué)掃描檢查（C-SAM）、內(nèi)部目檢、鍵合強度、SEM檢查、鈍化層完整性檢查。其中X射線檢查可能會對MOS器件等敏感器件造成一定的損傷，所以在實施X射線檢查時需要進行評估。另外針對地面關(guān)重件及航空領(lǐng)域，在DPA試驗中還要求進行剖面分析。

表1 某單位塑封微電路質(zhì)量保證方案

DPA合格后應(yīng)對該批塑封微電路進行100%補充篩選。這里的補充篩選并不能提高器件所固有的質(zhì)量等級，只是通過篩選試驗剔除了早期失效的元器件。通常塑封微電路補充篩選的內(nèi)容主要包括外部目檢、溫度循環(huán)、常溫電測、電老煉、三溫測試、外面目檢。參考NASA下設(shè)的戈達德空間飛行中心（GSFC）發(fā)布的PEM-INST-001[4]《塑封微電路、篩選和鑒定指南》以及GJB 7400-2011《合格制造廠認證半導(dǎo)體集成電路通用規(guī)范》[5]中塑封QML器件篩選程序，將國內(nèi)外塑封微電路篩選程序進行了對比（見表2），其中晶圓驗收這項對進口塑封微電路不具備適用性。

隨著塑封微電路在工業(yè)、商業(yè)領(lǐng)域的迅速發(fā)展，塑封微電路制造商也逐步對塑封微電路的設(shè)計以及工藝進行改進，因此目前正規(guī)制造商生產(chǎn)的塑封微電路的可靠性已經(jīng)比早先有了很大的提高。目前塑封微電路最需要引起注意的問題是翻新片以及分層開裂問題，而通過外部目檢、X射線檢查、聲學(xué)掃描檢查（C-SAM）[6]這三項檢查可以發(fā)現(xiàn)問題器件。例如某型號中使用的FPGA就是通過外部目檢及聲學(xué)掃描檢查發(fā)現(xiàn)了該批次為翻新批電路的質(zhì)量問題。還有某型號使用的運算放大器就是通過聲學(xué)掃描檢查及X射線檢查發(fā)現(xiàn)內(nèi)引線處有分層開裂現(xiàn)象。

考慮到以上情況并參考上述國內(nèi)外相關(guān)資料，將X射線檢查、聲學(xué)掃描檢查（C-SAM）這兩項檢查增加到篩選項目中，最終篩選內(nèi)容與PEM-INST-001基本一致，為：外部目檢、溫度循環(huán)、X射線檢查（適用時）、聲學(xué)掃描檢查（C-SAM）、常溫電測、電老煉、三溫測試、外面目檢。

針對用于航空領(lǐng)域并被定義為關(guān)鍵、重要元器件的塑封微電路，還應(yīng)對這類塑封微電路進行考核試驗以評估塑封微電路的可靠性是否能滿足裝備要求?？己嗽囼灥膬?nèi)容包括高加速應(yīng)力試驗（HAST）、高溫工作壽命試驗（HTOL），必要時還應(yīng)進行結(jié)構(gòu)分析（CA）。高加速應(yīng)力試驗是通過高溫高濕來評估塑封微電路耐潮濕的能力，該試驗按JESD 22-A110[7]進行，條件通常為130 ℃、85%RH、250 h。高溫工作壽命試驗是通過高溫以及最大工作電壓來加速器件的功能退化，以評估器件的使用壽命。結(jié)構(gòu)分析是通過一系列的破壞性與非破壞性的檢驗、試驗來評估器件在設(shè)計、結(jié)構(gòu)和工藝上是否存在隱患。

另外，針對塑封微電路的“爆米花”效應(yīng)及吸濕問題，應(yīng)參照IPC/JEDEC J-STD-033C-2012 《溫濕度敏感元器件作業(yè)、運輸、存儲、包裝標準》[8]，在焊接裝配前必須對器件進行烘烤處理。以封裝厚度小于1.4 mm的塑封微電路為例，對應(yīng)于不同潮濕敏感等級的烘烤條件見表3。以上要求應(yīng)在生產(chǎn)工藝文件中加以規(guī)定。平時應(yīng)將塑封微電路貯存在干燥的環(huán)境中，最簡單經(jīng)濟的做法就是存放在干燥箱中。

經(jīng)上述航空領(lǐng)域相應(yīng)質(zhì)量保證工作合格的塑封微電路，在應(yīng)用于某型號航空雷達電子系統(tǒng)中，其應(yīng)用環(huán)境為：存放溫度-45 ℃～70 ℃；工作溫度（艙外）-40 ℃～60 ℃；工作溫度（艙內(nèi)）-30 ℃～50 ℃；相對濕度2%～98%（25 ℃）；海拔高度10 km。

該雷達電子系統(tǒng)已順利通過GJB150A-2009中要求的高低溫試驗（高低溫工作2 h，儲存24 h）、溫度高度試驗（-30 ℃、10 km、4 h）、隨機振動試驗（15～2 000 Hz，最大振動量值為0.03 g2/Hz，1 h）、沖擊試驗（后峰鋸齒波，峰值加速度30 g，沖擊脈寬為11 ms，6方向各3次）。

而經(jīng)上述地面領(lǐng)域相應(yīng)質(zhì)量保證工作合格的塑封微電路，在應(yīng)用于某型號地面雷達電子系統(tǒng)中，其應(yīng)用環(huán)境為：存放溫度-30 ℃～45 ℃；工作溫度（室外）-20 ℃～45 ℃；工作溫度（室內(nèi)）0 ℃～30 ℃；相對濕度5%～95%（25 ℃）；海拔高度3 km。

該雷達電子系統(tǒng)已順利通過GJB150A-2009中要求的高低溫試驗（高低溫工作2 h，儲存12 h）、隨機振動試驗（5～500 Hz，最大振動量值為0.01 g2/Hz，30 min）、沖擊試驗（半正弦波，峰值加速度15 g，沖擊脈寬為11 ms，6方向各3次）、濕熱試驗（濕度：95%±3%，溫度30 ℃±2 ℃，48 h）以及公路跑車試驗（跑車里程總和為500 km，行車速度為20～30 km/h，緊急剎車不少于3次）。

可以看到，經(jīng)上述質(zhì)量保證工作合格的塑封微電路，在用于地面、航空雷達電子系統(tǒng)中時，已隨整機順利通過型號所要求的環(huán)境試驗，未出現(xiàn)質(zhì)量問題。

5 結(jié)束語

當塑封微電路憑借其在性能、重量、尺寸、成本、采購周期以及可獲得性等方面的優(yōu)勢應(yīng)用在軍工電子裝備時，其可靠性低的問題就越來越突出。如何將這類塑封微電路更可靠地應(yīng)用于不同領(lǐng)域的軍工電子裝備中，并使風(fēng)險降低到可以接受的范圍內(nèi)，還需要廣大軍工電子裝備制造單位繼續(xù)努力探索與研究。

[1] 來萍，恩云飛，牛付林. 塑封微電路應(yīng)用于高可靠領(lǐng)域的風(fēng)險及對策[J]. 電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗，2006, 24（4）：53-58.

[2] 盛念. 軍用塑封微電路失效機理研究和試驗流程[J]. 電子元器件與可靠性，2012，30（2）：6-10.

[3] GJB 4027A-2006，軍用電子元器件破壞性物理分析方法[S].

[4] PEM-INST-001: Instructions for Plastic Encapsulated Microcircuit（PEM）Selection, Screening, and Qualification [R].

[5] GJB 7400-2011，合格制造廠認證半導(dǎo)體集成電路通用規(guī)范[S].

[6] 陳章濤，潘凌宇. 聲學(xué)掃描顯微鏡檢查在塑封微電路檢測中的應(yīng)用[J]. 電子與封裝，2013, 13（3）：9-12.

[7] EIA/JESD22-A110-A-1999, highly-accelerated temperature and humidity stress test [S].

[8] IPC/JEDEC J-STD-033C-2012 hanging, packing, shipping and use of moisture/reflow sensitive surface mount devices [S].

Analysis for the Application of Plastic Encapsulated Micro-circuit in Military Electronic Equipments

LI Run
（East China Research Institute of Electronic Engineering, Hefei 230031, China）

In recent years, the plastic encapsulated micro-circuit（PEM）have been more and more applied to military electronic equipments because of its advantages in performance, weight, size, cost, purchase cycle and availability. Nevertheless, its low-reliability problem is becoming more and more prominent. How to use these plastic encapsulated micro-circuits more reliably in different areas of the military electronic equipment and reduce risk to an acceptable range is the problem that all military electronic equipment manufacturers dedicate to solve. In the paper, the author introduced the advantages and disadvantages of the plastic encapsulated micro-circuit applied in military electronic equipment. On the other hand, a series of PEM quality assurance scheme for different application fields was introduced.

plastic encapsulated micro-circuit; military electronic equipments; quality assurance

TN305.94

A

1681-1070（2015）07-0001-04

李 潤（1986—），男，浙江紹興人，工程師，研究方向為元器件質(zhì)量管理與可靠性。

2015-04-20