典型集成电路可靠性评价方案研究*

武荣荣 高会壮 王长鑫 陈 波

（航天科工防御技术研究试验中心 北京 100039）

1 引言

大规模集成电路的缺陷或安全隐患可能发生在原材料、制造工艺、结构设计、组装及应用的任何阶段，应用环境中的机械、热、化学或电气等作用可能导致器件缺陷加速暴露，若器件的性能参数或特征超出了可接受范围，则认为器件发生了失效［1～2］。可靠性评价方案是为了了解、分析、评价和提高元器件可靠性而进行的试验方案，试验的设置是为了分析元器件能否满足可靠性指标的要求，排除结构设计、原材料、工艺过程中的缺陷，评估器件典型应用环境的适应性。本文基于元器件的失效模式及机理，分析器件的薄弱环节，在此基础上利用故障树分析器件的可靠性风险要素，制定典型电路的可靠性评价方案，对器件的可靠性进行评估，为装备应用提供技术支撑。

2 典型集成电路失效模式及失效机理分析

Glb2490 是一款总线引脚具有±8KV ESD 保护的隔离式数据收发器，适用于高速、全双工的多点传输总线通信，器件采用磁隔离技术，将双通道隔离器，三态差分线路驱动器和差分数据接收器集成与单封装中。对其主要的失效模式及失效机理列表分析如表1所示［3］，利用故障树分析分析器件的敏感因子［4］，如图1所示。

图1 隔离器故障树分析

表1 隔离式收发器的主要失效模式及失效机理

基于故障树分析，器件的物理特性、温度、力学及辐照环境、过电应力、焊接不当等是导致隔离器失效的主要原因，在可靠性评价过程中需要对其进行考核［5］。

3 可靠性风险分析

3.1 物理特性风险分析

结构设计不合理、材料性能不匹配或工艺控制不稳定等均有可能导致元器件的固有可靠性下降，带来安全隐患。待评价器件的物理特性会影响器件的固有可靠性、使用可靠性及使用寿命，需要对其进行考核，分析结构设计、材料及工艺是否满足装备特殊性应用环境等方面的需求。通过结构分析［6］，可以在型号应用前发现并排除存在可靠性隐患的物理特性并及时改进，避免后期使用时出现质量问题，导致重大失效事件。

3.2 温度环境风险分析

装备用元器件要承受贮存、运输、发射、上升以及运行等阶段的温度环境应力，对元器件影响较大的温度因素有高温、低温、温度交变等。高温可能导致功率因数、介电常数等参数改变［7］，涂层起泡脱落造成可动多余物，机电元件由于膨胀而卡住等问题，甚至可能引起诸如焊缝熔化、器件烧毁等致命失效现象。温度交变可能引起密封性能下降、接缝开裂等问题，其中温度梯度的最大位置容易发生因质量迁移导致的失效问题。

温度相关的评价试验包括温度循环、热冲击、高温储存试验、功率温度循环试验等试验［8］，依据元器件经历的温度环境确认评价试验项目及条件，考核元器件在实际应用的热环境适应性。

3.3 力学环境风险分析

装备用元器件从运输、发射、到运行再返回等阶段都要经历冲击、振动和加速度等各种力学环境应力［9～10］。元器件在振动环境下可能会产生电噪声、电参数漂移或者其他参数异常现象，力学环境下大体积封装的元器件极容易破裂，在引脚焊接处发生最大的弯矩作用，可能出现焊点开裂或破坏。有活动部件的元器件容易在复杂力学环境下产生误动作或结构件损坏等失效问题。

力学相关试验包括扫频振动、机械冲击、离心试验、振动疲劳等。依据元器件经历的力学环境环境确认评价试验项目及条件，考核元器件在实际应用的力学环境适应性。

3.4 污染物风险分析

污染物为元器件失效机理的萌生和扩展提供了场所，污染源可能来自大气污染、湿气、助焊剂残留、热退化产生的腐蚀性元素以及芯片黏结剂中排出的副产物等。污染物迁移路径是多变的，主要取决于集成电路封装组装工艺。封装表面的外部污染物也可能进入封装体内部。

3.5 特殊应用环境风险分析

真空环境下元器件容易产生真空释气，表面涂覆可能不断发生气化，降低元器件本身的保护作用，并对周边元器件产生影响。空间环境中的银河宇宙线、太阳宇宙线和地球辐射带等均会对器件有一定的影响，根据装备所处的环境，评估器件对单粒子、总剂量等效应的敏感水平，为系统防护设计提供参考依据。

4 典型器件可靠性评价方案

基于故障树及可靠性风险要素分析［11～12］，制定待评价元器件的可靠性评价方案如表2所示。

表2 典型器件可靠性评价方案

4.1 结构分析

GLb2490C 型RS-485 收发器为金属陶瓷（CSOP16）型封装，属于典型密封多芯片封装形式，外形如图2所示。

图2 器件外形尺寸图

器件采用平行缝焊工艺，焊料成分为银铜合金，密封区域未见明显二次涂覆现象；器件盖板粘接成分分析如图3所示。器件引出端通过Ag-Cu合金烧结再陶瓷基体的焊盘上，引出端主要成分为铁镍合金，表面镀金，次表面镀镍。

图3 器件盖板粘接成分分析

器件键合采用金丝球形键合工艺，键合工艺良好，键合拉力满足合格判据要求。

器件芯片划片质量良好，未见芯片破损、裂纹等现象，安装位置符合规范要求；芯片钝化层完整性检查合格，表面玻璃钝化层、金属、层间介质等未见起泡、脱皮、分层和侵蚀等缺陷；芯片与底座之间采用环氧树脂粘接，粘接良好，满足剪切力合格判据。

经过对GLb2490C 型RS-485 收发器进行结构分析，从结构、原材料和工艺设计方面发现：该器件封装结构设计合理，未见禁限用工艺及材料。

4.2 功能性能分析

按照Q/GL 50014-2020 规范对GLb2490C 器件的功能、性能进行常温、高温及低温测试。功能测试覆盖真值表，性能测试覆盖详规电特性表。结果合格。

4.3 环境适应性试验

按照制定的方案实施环境适应性试验，结果如表3所示。

表3 典型器件环境适应性结果

按照可靠性评价方案完成对隔离式收发器的可靠性评估，从结构设计、原材料和工艺设计等方面分析，器件封装结构设计合理，未见禁限用工艺及材料；从功能、性能方面分析，器件功能性能符合详细规范要求；通过环境适应性试验，器件通过了温度、力学、寿命、极限试验的摸底评估，ESD 试验结果显示器件总线端对GND2 静电放电电压为±8KV（HBM），其余端口为±2KV（HBM）。设计师使用过程中可根据试验结果评估器件是否适用于装备的应用环境，针对薄弱点提前采取防护加固措施。

5 结语

随着装备数量的不断增加及对可靠性要求的提高，对国产元器件提出了更加苛刻的需求。本文提出在对集成电路常见失效模式及失效机理进行分析的基础上，确认器件薄弱点，利用故障树方法分析器件应用的可靠性风险。基于可靠性风险分析的要素，完成对器件物理特性、功能性能及典型应用环境适应性评估的元器件可靠性评价方案。经过实践证明，GLb2490C 型隔离式RS-485收发器器件封装结构设计合理，未见禁限用工艺及材料。三温条件下功能、性能及参数指标符合详细规范要求。电源电压工作电压极限、工作温度极限均符合详细规范要求。GLb2490C 型隔离式RS-485 收发器通过了评价试验，在实际应用中，可根据特殊环境因素设置专门试验进行评估验证。