军用电子装备应用中的塑封微电路质量保证

李 润

（华东电子工程研究所，合肥 230031）

军用电子装备应用中的塑封微电路质量保证

李 润

（华东电子工程研究所，合肥 230031）

近年来，塑封微电路凭借着其在性能、重量、尺寸、成本、采购周期以及可获得性等方面的优势，越来越多地应用在军工电子装备中，其可靠性低的问题就越来越突出。如何将这类塑封微电路更可靠地应用于不同领域的军工电子装备中，并使风险降低到可控的范围，是广大军工电子装备制造单位正在致力探索解决的问题。浅析了塑封微电路应用于军工电子装备中的优缺点，并介绍了某型塑封微电路在地面、航空这两个不同的领域应用所执行的一套质量保证方案。

塑封微电路；军用电子装备；质量保证

1 概述

近年来，随着军工电子装备的飞速发展，不断地有新技术被成功应用，越来越高的集成小型化对集成电路的重量及尺寸提出了更高的要求，用户对电子装备的性能与技术指标的需求也越来越高。然而应用新技术、实现装备高性能所必需的集成电路，往往是国外厂家生产的采用塑料封装形式的电路，并且通常质量等级为工业级甚至商业级。这些集成电路的军用级产品的研发通常是滞后的，或者很难采购到。在无法采购到这类军用级集成电路的情况下，易获得的工业级、商业级塑封微电路就难以避免地需要应用在军工电子装备中[1]。

2 塑封微电路的优缺点

工业级、商业级塑封微电路本身也有着军用级集成电路不具备的一些优点，如性能好等。当今电子行业飞速发展，制造商受利益驱使，那些先进技术研发的器件都是以较低成本的塑封形式出现。另一方面制造商在没有得到研发经费支持的情况下，对研发高等级的军用级集成电路的兴趣也越来越小。高额的生产管理、研发成本以及繁琐的试验过程让制造商们望而却步，而正是这个原因造就了塑封微电路成本低以及采购周期短的优势。

塑封微电路另外一个优势是重量轻、尺寸小。这在要求电路集成化、装备小型化的今天显得很有吸引力，特别是在对重量及尺寸有着近乎苛刻要求的航空装备中显得格外有优势。因此为了更好地使用塑封微电路，我们需要了解并清楚塑封微电路相比高等级的军用级集成电路的缺点，这样才能针对塑封微电路的不足之处，量身定制出一套可行有效的质量保证方案。

集成电路制造商依据军用级集成电路与塑封微电路的不同生产规范给出了两者的定义，军用级高可靠性的集成电路需按照规范生产并且全面、正确的测试（produce-it-to-rules plus test-it-right），通过严酷的筛选项目及考核试验。而工业级、商业级塑封微电路仅仅是按照一定的方法生产的（produce-itright）。塑封微电路的生产过程控制不严格，技术状态以及工艺方法不固化，无法保证不同生产批具有相同的质量。同时生产工艺无抗辐照设计，成品后经过生产厂家规定的筛选项目，无法保证器件的长期可靠性。

3 塑封微电路常见的几种失效模式

塑封微电路在实际应用中有一些常见的问题[2]。

塑封材料本身具有的亲水、多孔性导致了塑封微电路的非气密性。这使得当塑封微电路处于潮湿环境中时，水汽能较轻易地透过塑封材料以及通过其与引线框界面处的缝隙进入器件内部，腐蚀内引线以及芯片。而当水汽中含有其他任何离子杂质时，就很容易在引线内键合区域以及芯片的金属化层处发生电化学腐蚀，而施加电信号以及高温会加速腐蚀的程度，最终导致器件功能失效。同时也不能忽略塑封材料在吸附水汽时造成的材料体积膨胀进而带来的机械应力。

塑封微电路吸湿带来的另一个问题是大家俗称的“爆米花”效应。吸收了水汽后的塑封微电路在进行高温焊接时，器件温度陡然升高，所吸附的水汽迅速汽化膨胀。这会在器件内部产生一个很大的机械应力，最终导致器件分层、键合损伤甚至是器件爆裂，这就是“爆米花”效应。更大的焊接温度变换速率和更高的焊接温度都将直接增加发生“爆米花”效应的概率，而在需要更高温度焊接的无铅塑封微电路时其风险就更大了。

塑封微电路的各种材料的膨胀系数差异较大，在高低温度交替变化时，在塑封材料与引线框架的界面处会产生机械应力进而导致器件分层、开裂。器件的分层与开裂也有可能对芯片造成划伤，导致器件功能失效。塑封材料在低温时容易变脆，同时其耐受高温的能力差，它的玻璃化转变温度通常在150 ℃左右。当环境温度达到其玻璃化转变温度时，塑封材料性能快速退化。这导致了塑封微电路的工作、贮存温度范围较窄的问题。另一方面塑封材料的散热能力差，使得塑封微电路的热阻较高，在外部环境温度还未达到塑封微电路的额定工作温度时，其内部温度就可能已经超过了额定工作温度，导致芯片烧毁。这也在很大程度上制约了塑封微电路的工作温度范围。

塑封材料这种模塑化合物在真空环境中具有挥发的特性。这种挥发物本身就是一种多余物，特别是对装备中的成像系统会造成污染，导致其分辨率下降。

4 塑封微电路的质量保障措施应用案例

基于前文分析的塑封微电路优缺点以及常见的几种失效模式，将这类塑封微电路更可靠地应用在军工电子装备中，并使风险降低到可控范围，是广大军工电子装备制造单位在致力探索与解决的问题。而地面、航空这两个不同领域的使用环境也对塑封微电路的可靠性提出了不同的要求。本文针对应用于不同领域的塑封微电路的质量保证工作进行浅显的探讨，介绍某单位塑封微电路具体执行的质量保证方案，见表1。

首先应对批次塑封微电路抽样进行DPA试验，DPA试验是分析该塑封微电路生产批的设计、工艺和制造缺陷等有关信息的一个重要手段。通常DPA试验能很全面地评价该生产批塑封微电路的封装、装配质量以及芯片是否有缺陷。

DPA试验依据GJB 4027A-2006《军用电子元器件破坏性物理分析方法》[3]中1103塑封半导体集成电路执行。试验主要内容包括外部目检、X射线检查、声学扫描检查（C-SAM）、内部目检、键合强度、SEM检查、钝化层完整性检查。其中X射线检查可能会对MOS器件等敏感器件造成一定的损伤，所以在实施X射线检查时需要进行评估。另外针对地面关重件及航空领域，在DPA试验中还要求进行剖面分析。

表1 某单位塑封微电路质量保证方案

DPA合格后应对该批塑封微电路进行100%补充筛选。这里的补充筛选并不能提高器件所固有的质量等级，只是通过筛选试验剔除了早期失效的元器件。通常塑封微电路补充筛选的内容主要包括外部目检、温度循环、常温电测、电老炼、三温测试、外面目检。参考NASA下设的戈达德空间飞行中心（GSFC）发布的PEM-INST-001[4]《塑封微电路、筛选和鉴定指南》以及GJB 7400-2011《合格制造厂认证半导体集成电路通用规范》[5]中塑封QML器件筛选程序，将国内外塑封微电路筛选程序进行了对比（见表2），其中晶圆验收这项对进口塑封微电路不具备适用性。

随着塑封微电路在工业、商业领域的迅速发展，塑封微电路制造商也逐步对塑封微电路的设计以及工艺进行改进，因此目前正规制造商生产的塑封微电路的可靠性已经比早先有了很大的提高。目前塑封微电路最需要引起注意的问题是翻新片以及分层开裂问题，而通过外部目检、X射线检查、声学扫描检查（C-SAM）[6]这三项检查可以发现问题器件。例如某型号中使用的FPGA就是通过外部目检及声学扫描检查发现了该批次为翻新批电路的质量问题。还有某型号使用的运算放大器就是通过声学扫描检查及X射线检查发现内引线处有分层开裂现象。

考虑到以上情况并参考上述国内外相关资料，将X射线检查、声学扫描检查（C-SAM）这两项检查增加到筛选项目中，最终筛选内容与PEM-INST-001基本一致，为：外部目检、温度循环、X射线检查（适用时）、声学扫描检查（C-SAM）、常温电测、电老炼、三温测试、外面目检。

针对用于航空领域并被定义为关键、重要元器件的塑封微电路，还应对这类塑封微电路进行考核试验以评估塑封微电路的可靠性是否能满足装备要求。考核试验的内容包括高加速应力试验（HAST）、高温工作寿命试验（HTOL），必要时还应进行结构分析（CA）。高加速应力试验是通过高温高湿来评估塑封微电路耐潮湿的能力，该试验按JESD 22-A110[7]进行，条件通常为130 ℃、85%RH、250 h。高温工作寿命试验是通过高温以及最大工作电压来加速器件的功能退化，以评估器件的使用寿命。结构分析是通过一系列的破坏性与非破坏性的检验、试验来评估器件在设计、结构和工艺上是否存在隐患。

另外，针对塑封微电路的“爆米花”效应及吸湿问题，应参照IPC/JEDEC J-STD-033C-2012 《温湿度敏感元器件作业、运输、存储、包装标准》[8]，在焊接装配前必须对器件进行烘烤处理。以封装厚度小于1.4 mm的塑封微电路为例，对应于不同潮湿敏感等级的烘烤条件见表3。以上要求应在生产工艺文件中加以规定。平时应将塑封微电路贮存在干燥的环境中，最简单经济的做法就是存放在干燥箱中。

经上述航空领域相应质量保证工作合格的塑封微电路，在应用于某型号航空雷达电子系统中，其应用环境为：存放温度-45 ℃～70 ℃；工作温度（舱外）-40 ℃～60 ℃；工作温度（舱内）-30 ℃～50 ℃；相对湿度2%～98%（25 ℃）；海拔高度10 km。

该雷达电子系统已顺利通过GJB150A-2009中要求的高低温试验（高低温工作2 h，储存24 h）、温度高度试验（-30 ℃、10 km、4 h）、随机振动试验（15～2 000 Hz，最大振动量值为0.03 g2/Hz，1 h）、冲击试验（后峰锯齿波，峰值加速度30 g，冲击脉宽为11 ms，6方向各3次）。

而经上述地面领域相应质量保证工作合格的塑封微电路，在应用于某型号地面雷达电子系统中，其应用环境为：存放温度-30 ℃～45 ℃；工作温度（室外）-20 ℃～45 ℃；工作温度（室内）0 ℃～30 ℃；相对湿度5%～95%（25 ℃）；海拔高度3 km。

该雷达电子系统已顺利通过GJB150A-2009中要求的高低温试验（高低温工作2 h，储存12 h）、随机振动试验（5～500 Hz，最大振动量值为0.01 g2/Hz，30 min）、冲击试验（半正弦波，峰值加速度15 g，冲击脉宽为11 ms，6方向各3次）、湿热试验（湿度：95%±3%，温度30 ℃±2 ℃，48 h）以及公路跑车试验（跑车里程总和为500 km，行车速度为20～30 km/h，紧急刹车不少于3次）。

可以看到，经上述质量保证工作合格的塑封微电路，在用于地面、航空雷达电子系统中时，已随整机顺利通过型号所要求的环境试验，未出现质量问题。

5 结束语

当塑封微电路凭借其在性能、重量、尺寸、成本、采购周期以及可获得性等方面的优势应用在军工电子装备时，其可靠性低的问题就越来越突出。如何将这类塑封微电路更可靠地应用于不同领域的军工电子装备中，并使风险降低到可以接受的范围内，还需要广大军工电子装备制造单位继续努力探索与研究。

[1] 来萍，恩云飞，牛付林. 塑封微电路应用于高可靠领域的风险及对策[J]. 电子产品可靠性与环境试验，2006, 24（4）：53-58.

[2] 盛念. 军用塑封微电路失效机理研究和试验流程[J]. 电子元器件与可靠性，2012，30（2）：6-10.

[3] GJB 4027A-2006，军用电子元器件破坏性物理分析方法[S].

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

[5] GJB 7400-2011，合格制造厂认证半导体集成电路通用规范[S].

[6] 陈章涛，潘凌宇. 声学扫描显微镜检查在塑封微电路检测中的应用[J]. 电子与封装，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 润（1986—），男，浙江绍兴人，工程师，研究方向为元器件质量管理与可靠性。

2015-04-20