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      淺談汽車級(jí)電子元器件裝備應(yīng)用的可靠性

      2018-09-14 11:31:32中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院第三三研究所侯鐵忠
      電子世界 2018年17期
      關(guān)鍵詞:元器件器件可靠性

      中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院第三〇三研究所 李 智 侯鐵忠

      1.引言

      電子元器件是武器裝備的重要基礎(chǔ),如何在保證質(zhì)量與可靠性的前提下,從元器件選用控制方面降低產(chǎn)品的研制成本,是武器裝備發(fā)展的迫切需求。基于武器裝備低成本和小型化的要求,以及國(guó)外高等級(jí)器件可獲得性差等現(xiàn)狀,我國(guó)軍工武器系統(tǒng)各型號(hào)不可避免使用進(jìn)口工業(yè)級(jí)器件。國(guó)內(nèi)軍工用戶一般只能通過(guò)代理商或貿(mào)易商進(jìn)行采購(gòu),無(wú)法要求代理商或貿(mào)易商提供可靠性試驗(yàn)報(bào)告或數(shù)據(jù),也很難在有限的樣品里進(jìn)行真實(shí)可信可靠性驗(yàn)證試驗(yàn)和質(zhì)量評(píng)價(jià);同時(shí)工業(yè)級(jí)器件更新?lián)Q代較快,也給型號(hào)帶來(lái)比較大的風(fēng)險(xiǎn)。

      相比之下,汽車級(jí)元器件有與軍品級(jí)類似的環(huán)境要求、產(chǎn)品規(guī)范和質(zhì)量保證,同時(shí)又有與工業(yè)級(jí)接近的供貨價(jià)格,在國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。近年來(lái),無(wú)論是美國(guó)宇航局NASA的飛行任務(wù),還是我國(guó)的武器裝備,均在開(kāi)展汽車級(jí)元器件高可靠領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)研究[1]。

      2.進(jìn)口工業(yè)級(jí)元器件的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)及控制

      從全球電子元器件制造生產(chǎn)領(lǐng)域來(lái)看,根據(jù)應(yīng)用條件的不同和可靠性指標(biāo)的差異,可供選擇的元器件主要包括軍用電子元器件(經(jīng)美國(guó)國(guó)防部MIL規(guī)范生產(chǎn)認(rèn)證)、汽車級(jí)元器件(經(jīng)汽車電子協(xié)會(huì)AEC認(rèn)證)、商用元器件(包括工業(yè)級(jí)和商業(yè)級(jí)元器件)和醫(yī)用元器件幾大類。

      隨著我國(guó)型號(hào)研制更新?lián)Q代周期加快和內(nèi)在成本化需求不斷加強(qiáng),傳統(tǒng)的元器件選用已經(jīng)不能滿足日新月異的武器裝備需求[2]。在這種環(huán)境下,由于進(jìn)口工業(yè)級(jí)器件具有價(jià)格低廉、相對(duì)穩(wěn)定的可靠性及可獲得性好等優(yōu)勢(shì),從而越來(lái)越多地被使用。目前,多數(shù)武器裝備采用的進(jìn)口工業(yè)級(jí)器件主要以塑封器件為主。與傳統(tǒng)意義上的氣密封裝器件相比,塑封器件屬于非密封器件,內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒(méi)有與外界環(huán)境完全隔離,易受外部環(huán)境影響,產(chǎn)生了新的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

      2.1 進(jìn)口工業(yè)級(jí)器件質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)

      2.1.1 環(huán)境應(yīng)力耐受性風(fēng)險(xiǎn)

      進(jìn)口工業(yè)級(jí)塑封器件是以樹(shù)脂類聚合物為封裝材料的非密封半導(dǎo)體器件。外界環(huán)境中的水汽可通過(guò)樹(shù)脂本身的微孔或者從樹(shù)脂與引線框架的界面處侵入而到達(dá)管芯,而這些水汽中同時(shí)存在著超過(guò)百余種可以影響模塑材料的氣態(tài)污染物。塑封器件暴露在普通環(huán)境下24個(gè)小時(shí)左右就會(huì)達(dá)到內(nèi)外水汽的“平衡”,在使用過(guò)程中,如果內(nèi)部有較多水汽,當(dāng)器件突遇高溫(如焊接過(guò)程)或受到大的過(guò)電應(yīng)力沖擊時(shí),塑封器件在短時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)塑封體爆裂的情況,即所謂的“爆米花”效應(yīng)。另外,滲透至管芯處的水汽,在特定條件下會(huì)導(dǎo)致鋁金屬化層腐蝕,隨著水汽入侵到器件內(nèi)部的空氣污染物會(huì)加快金屬表面的離子電遷移,導(dǎo)致金屬腐蝕,或者催化引發(fā)柯肯德?tīng)枺↘irKendall)效應(yīng),造成鍵合失效,進(jìn)而使器件參數(shù)退化或失效。如果塑封器件內(nèi)部存在材料、界面的分層,上述失效風(fēng)險(xiǎn)將大大增加,并可能影響器件的使用壽命。

      2.1.2 假冒翻新風(fēng)險(xiǎn)

      目前國(guó)內(nèi)軍工產(chǎn)品采購(gòu)進(jìn)口器件主要依賴代理商渠道,沒(méi)有統(tǒng)一穩(wěn)定的供貨來(lái)源。由于進(jìn)口工業(yè)級(jí)器件自身質(zhì)量等級(jí)較低,供貨渠道復(fù)雜,因此假冒翻新比例較高。從2007年開(kāi)始,美國(guó)議會(huì)和國(guó)防部(DOD)的報(bào)告數(shù)次明確指出假冒翻新電子元器件被大量用在了關(guān)鍵的航天器和武器系統(tǒng)中[3]。國(guó)內(nèi)方面的情況同樣不容樂(lè)觀,某些重點(diǎn)工程的產(chǎn)品使用的塑封器件假冒翻新比例高達(dá)30%。假冒翻新元器件質(zhì)量難以保證,使用可靠性難以滿足嚴(yán)苛的環(huán)境要求,其應(yīng)用會(huì)帶來(lái)諸多方面的可靠性問(wèn)題。如何有效規(guī)避和防控假冒翻新元器件成為當(dāng)前元器件可靠性領(lǐng)域關(guān)注的問(wèn)題。

      2.2 國(guó)內(nèi)外工業(yè)級(jí)器件質(zhì)量控制現(xiàn)狀

      對(duì)于進(jìn)口工業(yè)級(jí)器件,國(guó)外已經(jīng)逐漸建立起相對(duì)完善的質(zhì)量控制體系。如美國(guó)的航空航天局NASA公布的《塑封微電路的選擇篩選和鑒定》(PEMINST-001),對(duì)塑封微電路的篩選(Screening)和鑒定(Qualification)流程進(jìn)行了明確的規(guī)定。針對(duì)塑封器件對(duì)潮氣敏感的特性,工業(yè)電子聯(lián)合會(huì)(IPC)發(fā)布了《非密封固態(tài)表面貼裝器件潮氣/回流敏感度分級(jí)》(J-STD-020D.1),對(duì)非密封器件的潮氣敏感等級(jí)(MSL)和回流焊操作流程進(jìn)行了規(guī)定。針對(duì)塑封器件易出現(xiàn)分層缺陷的特點(diǎn),IPC又發(fā)布了《非密封電子器件聲學(xué)顯微檢測(cè)》(J-STD-035),對(duì)工業(yè)級(jí)器件的聲學(xué)掃描顯微鏡檢測(cè)方法進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。針對(duì)應(yīng)用在高可靠性領(lǐng)域的工業(yè)級(jí)器件,美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師協(xié)會(huì)(SAE)發(fā)布了航空標(biāo)準(zhǔn)《假冒翻新電子器件的規(guī)避、檢測(cè)、防控和處理》(AS5553)。

      和國(guó)外相比,我國(guó)雖然建立了一套國(guó)軍標(biāo)電子元器件體系,但是在進(jìn)口工業(yè)級(jí)器件,尤其是塑封器件的的質(zhì)量控制方面標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還不夠完善。現(xiàn)行的軍用標(biāo)準(zhǔn)中,GJB7400-2011規(guī)定了N級(jí)塑封器件的質(zhì)量保證要求,但是實(shí)際可供選購(gòu)的N級(jí)器件十分有限。GJB4027A-2006規(guī)定了塑封半導(dǎo)體集成電路的DPA流程。我國(guó)缺少塑封器件的潮氣敏感度鑒定和使用規(guī)范,工業(yè)級(jí)器件的表面物理特征分析標(biāo)準(zhǔn),以及聲學(xué)掃描顯微鏡篩選試驗(yàn)的具體流程和后處理參數(shù)規(guī)定。目前,涉及到塑封器件相關(guān)篩選或鑒定試驗(yàn)時(shí),國(guó)內(nèi)各可靠性結(jié)構(gòu)大多采取參考PEM-INST-001和JEDEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行,許多設(shè)計(jì)師甚至忽視了塑封器件的MSL等級(jí)。

      3.工業(yè)、汽車、軍品電子元器件體系對(duì)比

      3.1 元器件質(zhì)量保證體系

      3.1.1 工業(yè)級(jí)元器件

      工業(yè)級(jí)元器件是制造商按照自己的方法生產(chǎn),滿足一般工業(yè)使用環(huán)境或特定行業(yè)要求的產(chǎn)品,包括汽車工業(yè)級(jí)器件、電信工業(yè)級(jí)器件、機(jī)車工業(yè)級(jí)器件等,其使用的技術(shù)規(guī)范較多,但沒(méi)有相對(duì)公認(rèn)的統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。另外,商用器件更新?lián)Q代速度快,產(chǎn)品周期短,難以適應(yīng)軍用/航天領(lǐng)域長(zhǎng)期供貨、周期性采購(gòu)的特點(diǎn)。

      3.1.2 軍品級(jí)元器件

      軍品級(jí)元器件指制造商在軍用部門(mén)認(rèn)證的生產(chǎn)線上嚴(yán)格按照相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范生產(chǎn)制造、選擇、測(cè)試和鑒定,滿足軍用環(huán)境使用要求的產(chǎn)品。

      軍品生產(chǎn)一般在通過(guò)認(rèn)證的軍標(biāo)生產(chǎn)線進(jìn)行,如美國(guó)國(guó)防后勤局(DLA)認(rèn)證的QML生產(chǎn)線,中國(guó)軍用電子元器件質(zhì)量認(rèn)證委員會(huì)認(rèn)證的QPL生產(chǎn)線。可靠性標(biāo)準(zhǔn)多按照美軍標(biāo)執(zhí)行,主要以MIL-STD-883為主,根據(jù)軍品級(jí)別不同分別開(kāi)展不同的篩選試驗(yàn)、測(cè)試、破壞性物理分析、例行試驗(yàn)等。

      軍品級(jí)元器件種類繁多,但由于軍品量少、要求高、認(rèn)證困難,導(dǎo)致很多電子元器件生產(chǎn)廠家不再生產(chǎn)軍用器件或逐步退出軍品生產(chǎn),如飛思卡爾(前摩托羅拉)已不再生產(chǎn)軍品。根據(jù)2016年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),美國(guó)DLA認(rèn)證的QML制造廠有74家(41家符合MIL-PRF-38534規(guī)范,33家符合MILPRF-38535規(guī)范),但是封裝機(jī)構(gòu)(Assembly Facilities)只有7家。

      3.1.3 汽車級(jí)元器件

      汽車級(jí)元器件是制造商在經(jīng)過(guò)汽車行業(yè)質(zhì)量認(rèn)證的生產(chǎn)線上按照自己的方法生產(chǎn),并經(jīng)過(guò)相應(yīng)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)篩選、測(cè)試和鑒定的,滿足汽車使用環(huán)境要求的產(chǎn)品。

      汽車級(jí)元器件質(zhì)量體系一般為ISO/TS16949質(zhì)量體系。可靠性標(biāo)準(zhǔn)主要為兩個(gè),一是美國(guó)汽車電子協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)即AEC系列標(biāo)準(zhǔn),一是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)即ISO16750系列標(biāo)準(zhǔn),其中AEC系列標(biāo)準(zhǔn)被廣泛采用。AEC系列標(biāo)準(zhǔn)中,AEC-Q100《基于集成電路應(yīng)力測(cè)試認(rèn)證的失效機(jī)理》包括了邦定線應(yīng)力試驗(yàn)、人體模式ESD試驗(yàn)、機(jī)械模式ESD試驗(yàn)、集成電路閂鎖試驗(yàn)等12個(gè)試驗(yàn)方法,AEC-Q101《半導(dǎo)體分立器件應(yīng)力測(cè)試的認(rèn)證規(guī)范》包括了6個(gè)試驗(yàn)方法,AEC-Q200《無(wú)源器件應(yīng)力測(cè)試認(rèn)證規(guī)范》包括了7個(gè)試驗(yàn)方法,此外還有AEC-Q001《零件平均測(cè)試指導(dǎo)原則》、AEC-Q002《統(tǒng)計(jì)式良品率分析指導(dǎo)原則》、AEC-Q003《芯片產(chǎn)品的電性能表現(xiàn)特性指導(dǎo)原則》、AEC-Q004《零缺陷指導(dǎo)原則》等。AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)中指出:本標(biāo)準(zhǔn)目的是確定一種器件在應(yīng)用中能夠通過(guò)應(yīng)力測(cè)試以及被認(rèn)為能夠提供某種級(jí)別的品質(zhì)和可靠性,如果成功完成根據(jù)本文件各要點(diǎn)需要的測(cè)試結(jié)果,那么允許供應(yīng)商聲稱他們的零件通過(guò)了AEC-Q100認(rèn)證。

      表1 不同等級(jí)元器件對(duì)比情況列表

      與工業(yè)級(jí)器件和軍品級(jí)器件相比,汽車電子元器件具備可觀的出貨量,優(yōu)于商用器件的產(chǎn)品周期,具有獨(dú)特的質(zhì)量和成本優(yōu)勢(shì)。

      3.2 軍品級(jí)、工業(yè)級(jí)和汽車級(jí)元器件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)比情況

      工業(yè)級(jí)元器件無(wú)明確可靠性標(biāo)準(zhǔn)支持,一般只進(jìn)行常規(guī)測(cè)試或三溫測(cè)試;工業(yè)級(jí)元器件一般只保證較長(zhǎng)的生命周期,但一般沒(méi)有具體數(shù)據(jù)。

      汽車級(jí)元器件有明確的可靠性標(biāo)準(zhǔn)支持,要求進(jìn)行100%測(cè)試和篩選、抽樣鑒定(其內(nèi)容相當(dāng)于軍品級(jí)產(chǎn)品的例行試驗(yàn)內(nèi)容、DPA內(nèi)容)、失效分析和快速歸零,一般不提供報(bào)告,但可在網(wǎng)上查詢其質(zhì)量情況。

      軍品級(jí)元器件按標(biāo)準(zhǔn)要求的方法組織生產(chǎn),并按可靠性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行100%測(cè)試、100%篩選、例行試驗(yàn)、DPA和失效分析、歸零,提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各類報(bào)告。

      不同等級(jí)元器件對(duì)比情況見(jiàn)表1所示。

      4.汽車電子元器件的品種覆蓋、質(zhì)量控制和成本

      4.1 汽車級(jí)元器件品種覆蓋情況

      汽車級(jí)元器件品種主要集中在傳感器、微控制器、微處理器、驅(qū)動(dòng)器、通信元件、電源供應(yīng)器、被動(dòng)電子組件、顯示器等。按武器裝備應(yīng)用需求來(lái)說(shuō),F(xiàn)PGA、CPLD、DSP、存儲(chǔ)器、各類電源器件、電阻器、電容器、電感、二三極管、光電耦合器、電連接器、繼電器、功率器件、電池、總線等都有汽車級(jí)元器件,并且隨著電動(dòng)汽車逐步推廣,汽車級(jí)元器件種類會(huì)越來(lái)越多,汽車級(jí)元器件的生產(chǎn)廠家包括NXP、Altera、Analog Devices、Xilinx、Texas Instruments、Cypress等國(guó)際知名大公司。

      4.2 汽車級(jí)元器件質(zhì)量控制方法

      汽車級(jí)元器件可靠性標(biāo)準(zhǔn)一般都規(guī)定進(jìn)行一系列測(cè)試或篩選,測(cè)試一般從芯片制造開(kāi)始到產(chǎn)品出廠,含加速應(yīng)力測(cè)試、加速壽命模擬測(cè)試、封裝組裝整合測(cè)試、芯片晶圓可靠度測(cè)試、電氣特性確認(rèn)測(cè)試、瑕疵篩選監(jiān)控測(cè)試、封裝凹陷整合測(cè)試等,試驗(yàn)項(xiàng)目一般包括高低溫工作、高低溫儲(chǔ)存、溫度循環(huán)、溫度步進(jìn)、冰水沖擊、鹽霧、交變濕熱、恒定濕熱、防塵防水等。其測(cè)試和試驗(yàn)項(xiàng)目直接引用了美軍標(biāo)的相關(guān)條款,如水汽含量檢測(cè)、恒定加速度等就直接引用MIL-STD-883標(biāo)準(zhǔn)的部分條款。測(cè)試和鑒定試驗(yàn)的核心就是為了應(yīng)用,因此汽車級(jí)元器件的測(cè)試一般為Fail/Pass,即通過(guò)設(shè)置使用中遇到的各種故障觸發(fā)條件進(jìn)行測(cè)試,保證出廠的產(chǎn)品能可靠使用。

      汽車級(jí)元器件一般具有較高的可靠性,壽命保證一般至少15年。

      表2 部分片式瓷介電容器成本對(duì)比(歸一價(jià)格)

      表3 部分分立器件成本對(duì)比(歸一價(jià)格)

      表4 部分集成電路成本對(duì)比(歸一價(jià)格)

      4.3 典型軍品級(jí)、工業(yè)級(jí)、汽車級(jí)的成本對(duì)比

      汽車級(jí)元器件在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和質(zhì)量保證體系都要優(yōu)于工業(yè)級(jí)元器件,同時(shí)由于出貨量大,均攤成本低,實(shí)際采購(gòu)價(jià)格僅略高于工業(yè)級(jí)器件。根據(jù)美國(guó)NASA在2014年公開(kāi)的資料顯示[4],美國(guó)本土部分典型的元器件種類成本如表2~表4所示。

      5.結(jié)束語(yǔ)

      汽車級(jí)元器件有完備的質(zhì)量控制體系和產(chǎn)品檢驗(yàn)規(guī)范,有滿足軍工產(chǎn)品要求的可靠性指標(biāo),有與工業(yè)級(jí)器件接近的價(jià)格,而且品種多樣、供貨有保證。深入研究汽車級(jí)電子元器件在高可靠領(lǐng)域的應(yīng)用,對(duì)降低武器裝備研制成本,提高產(chǎn)品質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。

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