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提高军用电子元器件质量检测能力的途径

2015-1-26
 

  摘要:通过对GJB548“微电子器件试验方法和程序”顶层结构的剖析和典型具体细微内容的研究,对本标准的科学性、涉及学科的广泛性和先进性、可操作性及整体水平做出了评价;对如何学习、使用 GJB548“微电子器件试验方法和程序”阐述了意见;倡导在正确使用的基础上,深入研究标准中执行条款的依据;最后对如何通过吐故纳新使GJB548“微电子器件试验方法和程序”与时俱进,以适应高可靠电子元器件发展对质量控制标准的要求提出了建议。

  

  1 引言

  

  GJB548“微电子器件试验方法和程序”是参照美国MIL-STD-883“微电路试验方法”制定的。MIL-STD-883虽然是为美国军方采购微电路产品控制质量而编写的,但其应用范围远不止于此,声表器件、部分固体光电子器件、固体继电器、晶体器件等都大量采纳其条款作为质量控制要求。它是当今世界范围内元器件质量控制标准中应用最广,最具权威性的产品基础规范。

  

  由于MIL-STD-883的科学性、全面性及可操作性好,所以在编制和历次修改GJB548时,95%以上的内容都采纳了MIL-STD-883最新版的原有条款。即将颁布的GJB548B-2005版就是以1996年发布的EMIL-STD-883“微电路试验方法”为蓝本对GJB548A-1996进行修订的。与GJB548A-1996版相比主要的差别是增加了试验方法1034“染色渗透试验”及试验方法2035“载带自动焊焊接质量的超声检测”;在相应的方法中删除了MIL-STD- 883原本没有的B1级的有关内容。

  

  所以认真深入研究GJB548,对健全我国军用电子元器件的标准体系,提高标准水平,提升我国军用电子元器件的质量与可靠性水平具有重要意义。

  

  2 GJB548的结构剖析

  

  在GJB548的适用范围条目中写到本标准“规定了军用微电子器件的环境、机械、电气试验方法和试验程序,以及为保证微电子器件满足预定用途所要求的质量和可靠性而必须的控制和限制措施”,其主体结构由试验方法和试验程序两部分组成。环境试验方法编号范围为10011999;机械试验方法编号范围为20012999;电学试验方法编号范围为 30014999;试验程序范围为50015999;这些方法编号均没有占满,空号是为新方法预留的。如即将颁布的GJB548B-2005版环境试验最大方法编号为1034,中间还有6个空号。机械试验最大方法编号为2035,中间有3个空号。电学试验方法仅有方法3015 静电放电敏感度的分级一个方法(电参数试验方法我国大部分都采用国标的相应方法)。试验程序只有从方法5001到方法501313个方法。所以即将颁发的新版GJB548共计有方法和程序74个。

  

  MIL-STD-883在历次更新版本时其方法的编号是不变的,GJB548也是如此。例如方法2019在历次MIL-STD-883GJB548的版本中都是“芯片剪切强度”。如果芯片剪切强度的具体方法有变化,仅在方法号后加标识。如在即将颁发的新版GJB548 “方法2019芯片剪切强度”用“方法2019.2 芯片剪切强度”表示,意味着此方法是经过两次改版。

  

  GJB548中的每个方法通常由“目的”、“设备”、“程序”、“说明”四部分组成。在“目的”中主要阐明本项试验在器件质量与可靠性保证中起作用。例如“方法1032 封装引起的软错误试验程序”的“目的”表述为:“本试验用于测试集成电路在已知试验条件下对于由α粒子所产生错误的敏感程度。本试验特定用于测定器件承受α粒子撞击的能力,同时还可以确定芯片表面保护层的效能。通过试验确定由器件封装、芯片和芯片表面保护层材料

  

  α辐射源引起的器件失效率”。部分试验方法的目的中还有相关的技术术语定义。“设备”部分主要阐述该项目试验所用的仪器、设备、器具和材料的要求。这些要求都是十分具体的量化要求。例如对测量器件内部的水汽含量的质谱仪提出了“谱范围:读取到的最小谱范围应在1100原子质量单位(AMUs)。检测精度:对给定的封装再现地检测出规定的水汽含量,其精度为20:1。即对于0.1 cm3,允许水汽含量为5×10-3,质谱仪应具有检测出0.01cm 3 封装体积内水汽含量小于2.5×10-4的最小检测精度”的要求。“程序” 中主要的内容是试验的具体程序、方法和判据。“说明”中提示用户在采购文件中应规定的本试验没有明确的有关内容。如“方法1033 /擦疲劳寿命”的“说明”给出了下面的内容:有关的采购文件应规定以下内容:

  

  (a)写/擦循环次数;

  

  (b)数据维持烘焙条件,包括持续时间和温度;

  

  (c 电学测试时外壳温度和定时条件;

  

  (d)适用时预处理条件和过程(若与第3章条件规定不同);

  

  (e)环条件,包括温度、方式(例如采用“块”、“字节”或“位”)以及写/擦脉冲的持续时间和重复速率;

  

  (f)抽样方案,包括进行循环试验的器件数和接收数。

  

  在GJB 548的一些方法中还采用了大量的图、表和曲线等方式描述“设备”和“程序”中的内容。

  

  3 GJB548的实践性与科学性

  

  GJB548是大量电子元器件应用实践的经验与现代科学相结合的产物。GJB548中的方法是对电子元器件在使用过程中大量出现的失效模式进行机理分析,并将这些失效机理对应的元器件的材料、结构缺陷和隐患与现代检测技术相结合形成的,所以这些方法针对性很强,有很好的实践性与科学性。为了便于阐述,下面通过几个实例说明GJB548的实践性与科学性。

  

  对密封空腔封装的微电路应用中多次出现的批次性腐蚀开路失效模式,经失效机理分析,结论是由沾污与空腔内水汽含量过高引起的化学反应,其中水汽含量过高是发生这种失效的必要条件。所以控制空腔内水汽含量是控制腐蚀开路失效模式的有效手段。为了解决这一实践应用的需求,还必须解决空腔内水汽含量控制在什么范围和如何测量器件空腔内水汽含量问题。军用微电路内部水汽含量不得大于5×10-3的判据是要通过理论研究和大量的试验才能获得,而测量方法是利用了质谱分析等大量现代科学技术的成果。GJB548方法1018.1 内部水汽含量的实践性与科学性不仅体现在方法的形成过程,而更重要的方面体现在这一方法经过大量实践的验证。

  

  空间环境下工作的微电路由于受电离辐射的作用,在总剂量达到某一阈值时,由于电离辐射损伤的积累效应使微电路的性能,特别是与漏电有关的电性能会劣化,导致微电路失效。为了解决微电路在进入空间环境前确定其适应空间环境的工作能力,GJB548给出了用钴60γ射线源照射微电路评价微电路在低剂量率环境下抗电离辐射能力的方法 1019.2电离辐射(总剂量)试验程序”。它是将对航天器的辐照环境的研究成果、辐照核物理现代研究成果与微电路在空间环境下实际受电离辐射的应力及微电路在受电离辐射过程的物理变化等研究成果融合而成的,充分体现了GJB548中方法的实践性与科学性。

  

  静电对微电路的损伤曾给工程造成重大损失。定量表述的微电路抗静电损伤能力是元器件使用和制造部门渴求的可靠性指标。GJB548中“方法3015 静电放电敏感度的分级”给出了完整的微电路抗静电损伤能力定量评定方法。方法中给出了人体静电放电的等效电路,给出了试验设备对微电路放电的放电电流时间曲线,给出了对器件外引线具体的放电试验程序。显而易见,没有对静电损伤机理的全面深入的研究,没有对大量人体静电放电规律的研究是无法给出方法3015中的具体试验程序和对试验设备性能的定量要求的。

  

  从上述的例子可以看出GJB548中的方法是有深厚的应用需求背景的,是以大量卓有成效的失效分析为基础的,并采用了相关现代科学成果,所以它具备很好的实践性与科学性。

  

  4 技术内涵丰富

  

  GJB548内涵丰富首先表现在它的技术内容十分广泛。GJB548几乎涉及到除天文学、医学和人文科学以外的所有自然科学领域。方法1005.1稳态寿命的理论依据是半导体器件物理、表面物理;方法1001低气压、方法1014.2 密封方法涉及真空物理的有关内容;方法1018.1 内部水汽含量涉及原子物理的基本理论;方法1017 中子辐射、方法1019.2 电离辐射(总剂量)试验程序是以核辐射物理为基础的;方法2014内部目检和结构检查和方法2017.1 内部目检(混合电路)应用了物理光学;方法1013.1露点和方法1014.2密封涉及了气体分子运动论的理论;方法1012热性能利用了热力学基本理论;方法2003.1可焊性和方法1006间歇寿命是以冶金学为基础的;方法2002.1 机械冲击和方法2007 扫频振动等的基础是机械力学;方法1003绝缘电阻及方法3015 静电放电敏感度1004.1耐湿涉及流体力学的基础;方法 2035载带自动焊焊接质量的超声检测 的理论基础是声学;方法1009.2盐雾(盐汽)和方法1031 薄膜腐蚀试验的基本理论是无机化学;方法5011聚合材料的评价和验收程序和方法2015.1耐溶剂性应用了有机化学知识;方法5001参数平均值控制和方法5002参数分布控制是以统计数学为基础等。从 GJB548中还可以获得诸如盐雾试验箱、交变潮热试验箱、核质谱检漏仪、X光检测仪、内部气氛检测仪、机械冲击台、扫频振动台、扫描电子显微镜、粒子碰撞噪声检测等多种仪器设备的性能。

  

  GJB548的技术内涵丰富还表现在它包含着大量的元器件可靠性实践经验的结晶。例如方法2014内部目检和结构检查;方法2017.1内部目检(混合电路);方法2032无源元件的目检给出的目检项目和接受判据大都是取自于成功的实践经验。例如在方法2014内部目检和结构检查中对拍摄放大的彩色照片的规定“当有规定时,应拍摄放大的彩色照片或透明胶片来显示在芯片和基板上形成的元件布局图和金属化图形。照片应至少放大80倍,但是如果放大80倍使照片的尺寸大于20cm×25cm,可以减小放大倍数使照片的尺寸为20cm ×25cm”。又如方法2010.1内部目检(单片)中金属化层划伤的检查要求“SMOS结构产品金属空洞使未受破坏的部分小于原来栅氧化层上金属化层面积的75%;BMOS结构产品金属空洞使未受破坏的部分小于原来栅氧化层上金属化层面积的60%”其中的75%60%等要求大都是可靠性实践的结果,并不来源于严格的理论计算。

  

  GJB548的技术内容不仅有物理学和化学的经典知识,还含有许多现代科学技术新成果的应用。方法5012 数字微电路的故障覆盖率测量,方法1032 封装引起的软错误试验程序,方法2031倒装片拉脱试验等都反映了大规模MOS微电路新的测试技术、新失效机理和新封装技术的研究成果。

  

  深入掌握与自己工作相关的试验方法的技术内容是十分必要的。只知道“要求什么”、“做什么”和“怎么做”是不够的,还必须明白“为什么”,才能用GJB548正确地处理在试验中遇到的各种实际问题。如果我国从事元器件检测试验工作的技术人员和相关标准化工作者有10%的人能够回答GJB548中的“要求什么”、“做什么”和 “怎么做”的理论和试验依据,那么我国的检测水平就会跃升一个大台阶。

  

  5 GJB548的发展

  

  我国的技术人员在依据 MIL-STD-883E版修改GJB548A版的过程中就对MIL-STD-883 E版中的部分缺陷进行了修正。在我们实施航天电子元器件可靠性增长工程的过程中,通过试验研究也丰富和发展了元器件的检测理论和方法。例如对于小腔体器件内部水汽含量的检测方法提出了 “腔体小于0.01cm3的器件,只要封装时处于高压气压环境仍可测量;低气压环境封装的器件即便腔体大于0.01cm 3获得的数据也会偏真实值。是否可检测的关键是腔体内气体的总含量”这一论点得到了实践和理论的验证。关于小芯片、小间距芯片剪切强度的检测方法,关于晶体器件晶振片键合强度的检测方法等,我国的检测人员提出了包括设备、程序、判据等完整的检测方法,其科学性和可操作性得到了实践的验证。随着我国军用电子元器件检测技术的发展和技术人员素质的提高GJB548也会不断的丰富和发展。

  

  6 结论

  

  GJB548是我国当今最完善、最成熟的军用电子元器件质量与可靠性的检测标准,这是业内人士的共识。随着电子元器件的发展、科学技术的发展和人们在工作实践中认识的不断提高,GJB548也应不断的完善和提高,吐故纳新,才能适应现代装备对元器件质量与可靠性检测方法的需求。MIL-STD-883A版演变为E版的发展历程表明,MIL-STD- 883也不会停止在E版上。

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