军用单片集成电路QML质量保证体系研究

颜 燕，帅 喆，潘美雄，林 霞

（中国电子科技集团公司第58研究所，江苏 无锡，214035）

1 QML质量保证体系的来历

军用单片集成电路质量保证体系经历了由QPL（Qualified Product List，合格产品目录）体系到QML（Qualified Manufactures List，合格制造商目录）体系的转变过程，前者侧重通过产品最终检验来确保产品的质量满足军用可靠性要求，后者侧重通过规范产品承制商的设计制造过程使其具备生产满足军用可靠性产品的能力。二者在基本理念和实施方法上有很大差异。

MIL-M-38510是美国军用半导体集成电路进行生产检验以及QPL认证的标准。我国目前使用的GJB597A-1996《半导体集成电路总规范》就等效于MIL-M-38510。MIL-M-38510把器件的质量保证等级分为B级（军级）、S级（宇航级）。通常，根据鉴定的方式，MIL-M-38510产品有两类，一类为“QPL-M -38510”产品，即完全按MIL-M-38510要求经过第三方鉴定机构对产品及产品生产过程进行认证鉴定合格的、打印军用标志“JAN”的产品，产品列入QPL（Qualified Products list，合格产品一览表）。此类产品经过筛选、质量一致性检验等程序，经过抽样进行电性能测试、封装可靠性试验、寿命试验、环境适应性试验，被认定为高质量、高可靠性的军用产品，推荐给军队和航天使用。另一类是按MIL-M-38510生产，且满足MIL-STD-883《微电子器件试验方法》规定，但没经过专门机构认证鉴定的产品，俗称“883级”产品，属“准高可靠性产品”。两者的差异仅在于前者经过专门的机构对产品及生产过程进行认证和鉴定，而883级产品的生产商不需经过认证，其生产和检验过程由自己按MIL-M-38510和MIL-STD-883要求控制，不需专门权威机构监控认可。

QPL体系对确保军品质量可靠性发挥了巨大作用，但也存在局限性，主要表现在两个方面：一是不太适用于军用定制集成电路（ASICs）的认证。ASICs具有多品种、小批量的特点，对每个品种进行QPL认证要求抽样检验，导致认证成本急剧增加，超出许多承制商的承受能力；二是QPL体系没有覆盖产品的设计过程，不能从源头把好质量关。

美国罗姆航空研发中心（Rome Air Development Center，简称RADC）被公认为QML活动的发起组织，在早期和GE、AT&T、Honeywell等公司签订了试点项目。随后军方颁布了MIL-I-38535标准，后改为MIL-PRF-38535标准，积极推行QML认证方式。考虑到标准的延续性，MIL-M-38510中的部分内容并入MIL-PRF-38535成为其附录A。

MIL-PRF-338535将质量等级划分为七个：S级水平（含S级产品、V级产品）、B级水平（含B级产品、Q级产品）、T级、N级、M级。

V级、S级：完全满足MIL-PRF-38535的S级水平要求，同时满足附录B《航天应用》要求的产品，其中S级为MIL-M-38510的过渡。

Q级、B级：完全满足MIL-PRF-38535的B级水平要求，B中S级为38510的过渡。

T级：按用户要求确立的技术流程、在QML线上生产的产品，须经相关部门批准才可应用在航天卫星等工程上。俗称“合同级”。

N级：按MIL-PRF-38535要求生产的塑封器件。

M级：满足MIL-PRF-38538附录A《B级水平及S级水平规范要求》要求，生产检验不需专门机构监控，相当于MIL-M-38510的“883级”。

MIL-PRF-38535规定了军用半导体集成电路制造过程的通用要求及电路应满足相应质量和可靠性保证要求。承制方按其要求通过认证鉴定后将被列入QML，符合QML认证基线要求的产品称为QML产品。

2 QML认证与QPL认证的差异

QML认证与QPL认证的差异主要体现在以下三方面：

（1）QPL认证的对象是产品，主要关注产品与制造基线的符合性，以及产品的鉴定检验，最终通过检验的产品列入QPL；QML认证的对象是产品及其承制商，更多关注的是对与产品实现相关的所有“模块”（设计、掩模、晶圆、组装/封装、检测）厂商进行能力认证，产品通过鉴定检验后，厂商、产品均列入QML。

（2）由于QPL认证是针对具体产品的认证，生产线的维持有赖于实际产品来进行。QML鉴定是针对厂商和产品的认证，生产线的维持可通过由工艺实现的标准评价电路（SEC）来维持。

（3）QPL仅能覆盖所鉴定的产品和符合扩展规定的有限产品，QML能覆盖已鉴定工艺下所生产的所有产品。只要通过QML鉴定，则在认证有效期内，凡采购这些已鉴定合格的工艺、材料、制造基线的其他型号产品，不再单独进行鉴定检验，只需做质量一致性检验即可成为QML产品。

总之，QML认证引导承制商更多关注产品的实现全过程，对电路制造商的工艺能力提出了更高要求（例如对晶圆制造商TCV、PM的要求），促进了单片集成电路的可靠性设计技术和失效分析技术的发展。如果说在QPL体系中，质量是检测出来的，那么在QML体系中，质量是设计（芯片设计和工艺设计）出来的。

3 QML认证流程

MIL-PRF-38535为产品建立和实施质量保证提供了应遵循的基本要求。它以提高产品可靠性为目的，特别强调生产相应质量等级产品的综合能力，包括设计制造能力、过程控制能力及系统管理能力，而能力的维持有赖于一个管理体系，即“OML体系”，通过第三方权威机构对体系的审核及对验证样品的鉴定，完成对能力水平的确认并实施监督。图1给出产品承制方被列入QML的简要流程。图中可以看出，要成为生产“QML器件”的承制方必须具备以下基本条件：硬件具有符合38535标准要求的生产设施、试验设备；软件具有符合38535标准要求的“QML体系”，体系通过专门机构的认证；验证样品通过38535标准要鉴定检验。

图1 承制方被列入QML的简要流程

4 QML体系要求

QML体系认证是以制造基线的认证为依据，从设计、晶圆制备、封装等各个工艺过程提出具体要求，强调工艺在线监控、统计过程控制等，以保证电路的质量和可靠性。

完整的QML认证程序分两个阶段：认证和鉴定。认证是鉴定机构对生产线有能力生产高质量和符合通用规范要求的器件进行证实和认可的过程；鉴定是对已认证合格生产线的能力进行实际证明，该过程由鉴定机构对首批生产的验证样品（也可以是实际器件）进行鉴定检验来实现。按基线分别审查，对整个技术流程进行认证。在确立基线和基线产品时，要特别考虑技术范围内和能力的覆盖性。

4.1 QML体系的建立

如图1所示，QML体系由质量保证大纲（或称QM计划，Quality management plan）、体系自我评价系统（依靠TRB来执行）及评价程序、QML制造基线组成。

QML体系与ISO9000所述质量体系不同，这里的QML体系是指为保障产品质量可靠性水平，按MIL-PRF-38535标准而建立的包含设计制造能力、过程控制能力及系统管理能力要素在内的质量管理系统，我们称之为“OML体系”。它是以质量等级实现为目的而建立的过程控制系统或质量保证系统。“OML体系”必须通过验证样品（SEC或实际产品）的设计、掩模制备、晶圆制造、封装及试验等完整的制造流程来验证，以确认体系与标准的符合性及制造相应质量等级产品的能力。同时，将全过程中按MIL-PRF-38535要求所采用的控制管理手段、方法转化成产品的制造规范，我们称之为制造基线。QML体系为使其基线内产品生产能连续符合产品规范要求的质量提供了保证系统。“OML体系”与ISO9000相同之处在于都要有一定组织机构作支撑，建立体系运行管理制度，建立内审机制对体系进行自我评价等等，其目的是为了保障体系正常有效地运行。而且都要取得第三方权威机构的认证，合格后将颁发证书。通过MIL-PRF-38535的QML体系认证，验证样品通过QML鉴定后，承制方将被列入合格制造厂目录（QML），在其体系和工艺基线内的产品将被打印上QML产品的特别标志。

质量保证大纲是承制方建立和实施质量保证体系所遵循的基本要求，用以系统说明承制方QML生产线的全部质量管理活动，评价系统和程序则用来评价生产线的运行状况的规定。它是文件化的QML体系。质量保证大纲的内容主要包括QML体系内组织结构图、人员培训和考核程序、对用户要求的转化程序、质量改进程序、失效分析程序、过程控制程序、纠正措施程序、更改控制程序、SEC和TCV评定程序、认证和鉴定试验方案制定程序、数据保存程序、体系内审程序、设备校准程序、环境控制程序、新技术确认程序、制造基线文件目录等。认证时，质量保证大纲应提交鉴定机构审查。

TRB（Technology Review Board，技术审查委员会)，是建立QML体系并对认证的技术流程实施监测、评价和控制的组织机构。其职能是负责质量保证大纲的建立，所有认证和鉴定工艺的维持、更改控制、可靠性数据统计分析、失效分析、纠正措施、QML器件召回程序的制定以及工艺状态的鉴定等等。TRB要定期向鉴定机构通报QML生产线和产品的最新信息。

QML制造基线是以文件的形式对生产QML产品时所必须的制造操作顺序及控制进行的描述（可用流程图的格式或随工单的格式），从原材料采购和检验、生产过程、生产环境、生产控制相关的所有文件都采用名称、编号在基线中予以标识或说明，包括引用的内、外部文献。QML制造基线必须充分反映QML器件的全部制造过程，显示所有制造、检验、测试控制点及所有原料、部件进入流程的位置。

4.2 QML体系的认证

QML体系认证，是鉴定机构对承制商QML制造基线能力的审查和确认。这里的“能力”是指承制方生产“S级水平”或“B级水平”器件的技术能力、过程控制能力和管理能力。认证由第三方权威机构对承制方进行文件审查及制造基线能力确认。文件审查包括QML质量保证大纲及与大纲相关联的技术管理规定。

QML大纲的审查，主要审查QML质量保证大纲是否按MIL38535的要求，对失效机理的计算/评估、特性表征计划、鉴定计划和内审等一系列活动进行了规定，在认证前提交并通过鉴定机构的批准。管理能力审查，管理能力反映在与QML质量保证大纲相链接的过程管理程序和规定中，通过对管理程序的审查以确认承制方的质量管理能力。

基线能力是制造过程技术能力和控制能力的体现。技术能力包括（通过验证样品反映）制造流程、设计规则、电特性和工艺信息。过程控制能力指制造过程中所运用的控制手段，包括统计过程控制（SPC）和在线监控，在线监控包括可靠性表征结构（TCV，technology characterization vehicle）控制、标准评价电路（SEC）以及工艺监测图形（PM，parametric monitor）控制。对于“S级水平”QML认证，先要向鉴定机构提供一份设计和工艺制造技术清单，其次，提供一份晶圆制造和封装过程SPC或在线监控项目或参数清单。清单内容在MIL38538附录H中有明确的规定。所以，在编制QML质量保证大纲时，要对整个制造过程的控制要求做出具体的规定和描述，哪些工艺和参数采用SPC控制，哪些采用在线监控以便作为鉴定机构审查的依据。对制造能力进行评估的测试结构，其用途见表2。

4.3 QML产品的鉴定

QML鉴定是对制造能力和符合性的证明。承制方在认证的生产线上采用标准评价电路（SEC）作为验证样品，按QML中S级水平或B级水平要求的流程完成相应的筛选和鉴定检验。标准评价电路（SEC）必须具有包含认证的技术和工艺，用以证明QML生产线技术制造工艺的可靠性。它可以是专门设计的质量与可靠性的监控样品，也可以是系统中使用的实际产品。QML验证样品的设计、晶圆制备、组装和鉴定检验应认证证书后的6个月内进行并及时完成鉴定，否则需重新认证。

表1 制造过程能力认证项目

表2 测试结构的用途

用于QML鉴定的验证样品为标准评价电路（SEC），SEC可以是专门设计的质量与可靠性的监控样品，也可以是系统中使用的实际产品的代表品种，都应写入鉴定检验大纲中。代表品种必须具有承制方所供货器件的复杂度。每一种样品的性能应与器件详细规范相一致，并符合辐射加固工艺（应提交鉴定机构）的要求，所用外壳应检验合格。如果是专为QML鉴定设计的质量与可靠性的监控样品，必须是包含准备认证的技术或工艺的SEC，可用于证明技术或制造工艺的可靠性。SEC应包含下述要求：

复杂度：数字器件SEC的复杂度应至少包括QML线上要制造的最大规模器件所含晶体管数目的一半。对于模拟器件，SEC应体现工艺技术流程的功能，具有典型的复杂度，并且电路单元由电路的主要类型组成。

功能性：SEC应该是包含全功能电路，其测试和筛选应采用与QML器件相同的方式。

设计：SEC的设计应重点突出设计能力，SEC的结构应有助于失效的判别。

制造：SEC应在申请或已经获得QML认证的晶圆生产线上进行加工。

封装：SEC应封装在检验合格的外壳中。

5 结束语

QML体系是在产品鉴定的基础上，在制造环境中引入质量管理（QM）大纲，其关键内容是建立统计过程控制（SPC）、现场失效反馈程序、纠正措施程序以及改进产品质量与可靠性所需要的方法，并要求各级管理部门和非管理部门都积极参与质量管理活动。

通过QML认证后，凡列入QML的承制方则不需要对每个器件进行大量的最终产品的鉴定试验和质量一致性检验即可在生产的器件上使用QML认证标志。而离线试验的减少将由在线监控和统计过程控制（SPC）所替代，工艺可靠性用替代器件（如SEC）来评估。SEC的引入，不仅节约了生产成本，而且把重点从对单一器件的鉴定（相对GJB597）转移到对工艺技术、管理控制能力的认证和鉴定，这将加速器件迈向高质量和高可靠的步伐。

[1] Charles G. Messenger. The QML System for Monolithic Microcircuits[J]. IEEE CIRCUITS AND DEVICES MAGAZINE,1990.

[2] DLA Land and Maritime. GENERAL SPECIFICATION FOR INTEGRATED CIRCUITS (MICROCIRCUITS)MANUFACTURING[J]. MIL-PRF-38535H,2007.