武榮榮 高會壯 王長鑫 陳 波

（航天科工防御技術(shù)研究試驗中心 北京 100039）

1 引言

大規(guī)模集成電路的缺陷或安全隱患可能發(fā)生在原材料、制造工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計、組裝及應(yīng)用的任何階段，應(yīng)用環(huán)境中的機械、熱、化學或電氣等作用可能導致器件缺陷加速暴露，若器件的性能參數(shù)或特征超出了可接受范圍，則認為器件發(fā)生了失效［1～2］?？煽啃栽u價方案是為了了解、分析、評價和提高元器件可靠性而進行的試驗方案，試驗的設(shè)置是為了分析元器件能否滿足可靠性指標的要求，排除結(jié)構(gòu)設(shè)計、原材料、工藝過程中的缺陷，評估器件典型應(yīng)用環(huán)境的適應(yīng)性。本文基于元器件的失效模式及機理，分析器件的薄弱環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上利用故障樹分析器件的可靠性風險要素，制定典型電路的可靠性評價方案，對器件的可靠性進行評估，為裝備應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

2 典型集成電路失效模式及失效機理分析

Glb2490 是一款總線引腳具有±8KV ESD 保護的隔離式數(shù)據(jù)收發(fā)器，適用于高速、全雙工的多點傳輸總線通信，器件采用磁隔離技術(shù)，將雙通道隔離器，三態(tài)差分線路驅(qū)動器和差分數(shù)據(jù)接收器集成與單封裝中。對其主要的失效模式及失效機理列表分析如表1所示［3］，利用故障樹分析分析器件的敏感因子［4］，如圖1所示。

圖1 隔離器故障樹分析

表1 隔離式收發(fā)器的主要失效模式及失效機理

基于故障樹分析，器件的物理特性、溫度、力學及輻照環(huán)境、過電應(yīng)力、焊接不當?shù)仁菍е赂綦x器失效的主要原因，在可靠性評價過程中需要對其進行考核［5］。

3 可靠性風險分析

3.1 物理特性風險分析

結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、材料性能不匹配或工藝控制不穩(wěn)定等均有可能導致元器件的固有可靠性下降，帶來安全隱患。待評價器件的物理特性會影響器件的固有可靠性、使用可靠性及使用壽命，需要對其進行考核，分析結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料及工藝是否滿足裝備特殊性應(yīng)用環(huán)境等方面的需求。通過結(jié)構(gòu)分析［6］，可以在型號應(yīng)用前發(fā)現(xiàn)并排除存在可靠性隱患的物理特性并及時改進，避免后期使用時出現(xiàn)質(zhì)量問題，導致重大失效事件。

3.2 溫度環(huán)境風險分析

裝備用元器件要承受貯存、運輸、發(fā)射、上升以及運行等階段的溫度環(huán)境應(yīng)力，對元器件影響較大的溫度因素有高溫、低溫、溫度交變等。高溫可能導致功率因數(shù)、介電常數(shù)等參數(shù)改變［7］，涂層起泡脫落造成可動多余物，機電元件由于膨脹而卡住等問題，甚至可能引起諸如焊縫熔化、器件燒毀等致命失效現(xiàn)象。溫度交變可能引起密封性能下降、接縫開裂等問題，其中溫度梯度的最大位置容易發(fā)生因質(zhì)量遷移導致的失效問題。

溫度相關(guān)的評價試驗包括溫度循環(huán)、熱沖擊、高溫儲存試驗、功率溫度循環(huán)試驗等試驗［8］，依據(jù)元器件經(jīng)歷的溫度環(huán)境確認評價試驗項目及條件，考核元器件在實際應(yīng)用的熱環(huán)境適應(yīng)性。

3.3 力學環(huán)境風險分析

裝備用元器件從運輸、發(fā)射、到運行再返回等階段都要經(jīng)歷沖擊、振動和加速度等各種力學環(huán)境應(yīng)力［9～10］。元器件在振動環(huán)境下可能會產(chǎn)生電噪聲、電參數(shù)漂移或者其他參數(shù)異?，F(xiàn)象，力學環(huán)境下大體積封裝的元器件極容易破裂，在引腳焊接處發(fā)生最大的彎矩作用，可能出現(xiàn)焊點開裂或破壞。有活動部件的元器件容易在復雜力學環(huán)境下產(chǎn)生誤動作或結(jié)構(gòu)件損壞等失效問題。

力學相關(guān)試驗包括掃頻振動、機械沖擊、離心試驗、振動疲勞等。依據(jù)元器件經(jīng)歷的力學環(huán)境環(huán)境確認評價試驗項目及條件，考核元器件在實際應(yīng)用的力學環(huán)境適應(yīng)性。

3.4 污染物風險分析

污染物為元器件失效機理的萌生和擴展提供了場所，污染源可能來自大氣污染、濕氣、助焊劑殘留、熱退化產(chǎn)生的腐蝕性元素以及芯片黏結(jié)劑中排出的副產(chǎn)物等。污染物遷移路徑是多變的，主要取決于集成電路封裝組裝工藝。封裝表面的外部污染物也可能進入封裝體內(nèi)部。

3.5 特殊應(yīng)用環(huán)境風險分析

真空環(huán)境下元器件容易產(chǎn)生真空釋氣，表面涂覆可能不斷發(fā)生氣化，降低元器件本身的保護作用，并對周邊元器件產(chǎn)生影響?？臻g環(huán)境中的銀河宇宙線、太陽宇宙線和地球輻射帶等均會對器件有一定的影響，根據(jù)裝備所處的環(huán)境，評估器件對單粒子、總劑量等效應(yīng)的敏感水平，為系統(tǒng)防護設(shè)計提供參考依據(jù)。

4 典型器件可靠性評價方案

基于故障樹及可靠性風險要素分析［11～12］，制定待評價元器件的可靠性評價方案如表2所示。

表2 典型器件可靠性評價方案

4.1 結(jié)構(gòu)分析

GLb2490C 型RS-485 收發(fā)器為金屬陶瓷（CSOP16）型封裝，屬于典型密封多芯片封裝形式，外形如圖2所示。

圖2 器件外形尺寸圖

器件采用平行縫焊工藝，焊料成分為銀銅合金，密封區(qū)域未見明顯二次涂覆現(xiàn)象；器件蓋板粘接成分分析如圖3所示。器件引出端通過Ag-Cu合金燒結(jié)再陶瓷基體的焊盤上，引出端主要成分為鐵鎳合金，表面鍍金，次表面鍍鎳。

圖3 器件蓋板粘接成分分析

器件鍵合采用金絲球形鍵合工藝，鍵合工藝良好，鍵合拉力滿足合格判據(jù)要求。

器件芯片劃片質(zhì)量良好，未見芯片破損、裂紋等現(xiàn)象，安裝位置符合規(guī)范要求；芯片鈍化層完整性檢查合格，表面玻璃鈍化層、金屬、層間介質(zhì)等未見起泡、脫皮、分層和侵蝕等缺陷；芯片與底座之間采用環(huán)氧樹脂粘接，粘接良好，滿足剪切力合格判據(jù)。

經(jīng)過對GLb2490C 型RS-485 收發(fā)器進行結(jié)構(gòu)分析，從結(jié)構(gòu)、原材料和工藝設(shè)計方面發(fā)現(xiàn)：該器件封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，未見禁限用工藝及材料。

4.2 功能性能分析

按照Q/GL 50014-2020 規(guī)范對GLb2490C 器件的功能、性能進行常溫、高溫及低溫測試。功能測試覆蓋真值表，性能測試覆蓋詳規(guī)電特性表。結(jié)果合格。

4.3 環(huán)境適應(yīng)性試驗

按照制定的方案實施環(huán)境適應(yīng)性試驗，結(jié)果如表3所示。

表3 典型器件環(huán)境適應(yīng)性結(jié)果

按照可靠性評價方案完成對隔離式收發(fā)器的可靠性評估，從結(jié)構(gòu)設(shè)計、原材料和工藝設(shè)計等方面分析，器件封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，未見禁限用工藝及材料；從功能、性能方面分析，器件功能性能符合詳細規(guī)范要求；通過環(huán)境適應(yīng)性試驗，器件通過了溫度、力學、壽命、極限試驗的摸底評估，ESD 試驗結(jié)果顯示器件總線端對GND2 靜電放電電壓為±8KV（HBM），其余端口為±2KV（HBM）。設(shè)計師使用過程中可根據(jù)試驗結(jié)果評估器件是否適用于裝備的應(yīng)用環(huán)境，針對薄弱點提前采取防護加固措施。

5 結(jié)語

隨著裝備數(shù)量的不斷增加及對可靠性要求的提高，對國產(chǎn)元器件提出了更加苛刻的需求。本文提出在對集成電路常見失效模式及失效機理進行分析的基礎(chǔ)上，確認器件薄弱點，利用故障樹方法分析器件應(yīng)用的可靠性風險。基于可靠性風險分析的要素，完成對器件物理特性、功能性能及典型應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性評估的元器件可靠性評價方案。經(jīng)過實踐證明，GLb2490C 型隔離式RS-485收發(fā)器器件封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，未見禁限用工藝及材料。三溫條件下功能、性能及參數(shù)指標符合詳細規(guī)范要求。電源電壓工作電壓極限、工作溫度極限均符合詳細規(guī)范要求。GLb2490C 型隔離式RS-485 收發(fā)器通過了評價試驗，在實際應(yīng)用中，可根據(jù)特殊環(huán)境因素設(shè)置專門試驗進行評估驗證。