元器件结构分析技术

可靠性杂坛 2020-01-17 16:44


一、概述

在航空航天技术发展过程中,电子元器件的性能和可靠性水平直接关乎航天产品的性能和可靠性水平。由于航空航天产品的特殊性,任何电子元器件的潜在隐患都可能带来不可估量的损失,所以,目前出现的对电子元器件进行的新的评价方法和技术大多是从航空航天用电子元器件开始的。在这种需求的指引下,国际宇航界于 20 世纪 90 年代提出的除失效分析和破坏性物理分析之外的,又一种重要的元器件可靠性评估分析方法—结构分析(Constructional Analysis,CA)。

元器件的固有可靠性是由元器件的结构设计和生产控制所决定的,因此,元器件的结构中包含许多重要的可靠性信息,如结构设计可靠性、工艺选择的合理性等。如果结构设计不合理或工艺控制存在缺陷,就会导致元器件的固有可靠性的下降。如果这些固有可靠性的下降所造成的问题是在使用阶段发现的,就会给问题工程处理造成很大的困难,严重时甚至会造成经济或进度上的重大损失;如果在选用这些元器件前能够比较详细地了解其结构和工艺缺陷,就可以在最大程度上避免损失。

结构分析是通过对元器件的结构进行一系列深入细致的分析来确定元器件的结构是否存在潜在的、能引起致命性失效和可靠性问题的缺陷,也可以用于确定制造工艺中是否存在可能影响可靠性的问题工艺。CA对元器件的使用方和制造方都有很大的作用。

目前对于有特殊应用环境的系统,其关键元器件的选用首先也应该进行结构分析试验,以评价所选用的元器件是否适合系统的特殊应用环境,如应用到海洋气候环境的元器件,其结构和工艺必须满足抗腐蚀要求和高湿环境下工作的能力,要进行金属相容性分析和电镀工艺分析;还有矿井及高温环境下工作的电子元器件,其结构和工艺必须满足热匹配的要求和避免可能的高温反应导致的性能恶化,这种环境条件下金铝键合工艺不适合。

二、结构分析的作用

对元器件使用单位,结构分析的作用主要体现在以下几个方面。

1.不同厂家的元器件比较

相同型号的元器件由于生产厂家的不同势必存在差别,不同厂家生产中采用的设计、结构、材料以及生产工艺或工艺控制水平不同,在先天上决定了元器件的固有可靠性不同,对整机用户来说,选用那个单位的元器件,存在很大的难点,单单从产品的性能来看可能有一定的盲目性和片面性。结构分析可以给出这些产品的差别。

2.相同厂商不同批次的比较

由于不同时期的结构设计变化或工艺控制的差异性,导致元器件的固有可靠性存在差异,结构分析可以有效把握这方面的变化。

3.评估某些元器件是否可用于特定领域

用于某些特定领域时,CA可从结构上评估元器件是否满足特定的环境。

4.长期可靠性评估和风险评估

通过对元器件进行结构分析,可以确定制造商的设计是否存在某种可以对质量和长期可靠性有影响的缺陷,或者材料制造商生产的材料存在对质量和长期可靠性有影响的缺陷。

5.新型器件的选用

对于元器件生产单位,其作用主要体现在以下几个方面:

(1)验证和确定工艺、材料等特征参数;

(2)确定产品与相应设计不一致的位置结构;

(3)识别产品异常/缺陷,以及可能导致的原因和后果;

(4)确定自己的产品与竞争对手的产品的区别。

在研究之初,结构分析多是针对半导体器件开展的,随着认识的深入和实践经验的不断积累,逐渐建立起适合不同类别元器件试验项目的结构分析。目前,国内的元器件结构分析工作虽然还不成熟,但正逐渐渗透到航天元器件质量保证过程中,某些航天单位在元器件采购规范中对结构分析提出了明确的要求,对于进口的低等级元器件,结构分析也成为对其考核试验必须进行的项目之一。

如今,结构分析不仅应用于高可靠性领域元器件的质量保证,而且在消费电子领域也逐渐普遍化。结构分析可前瞻性地避免元器件在使用过程中给生活和生产造成重大损失,真正做到事前预防。

三、结构分析与DPA、失效分析的关系

结构分析与 DPA 既有共同点也有不同点,共同点是它们都是评估元器件可靠性的方法,都要进行抽样。两者的不同点,主要集中在分析对象和目的、作用和介入阶段、标准情况、分析内容、采用的方法和技术要求、对分析人员的要求、分析结论等方面,具体参见表1。

表1 结构分析CA与破坏性物理分析DPA的不同点


结构分析的内容广泛,包含的可靠性信息总量更多更全面,一般来说 DPA 是结构分析的一部分,对一个新型元器件一般是先进行结构分析,而后在此基础上逐步形成 DPA标准。

结构分析是元器件使用前的试验程序,而失效分析是元器件失效后的问题查找。结构分析与失效分析相辅相成,一方面,通过对元器件进行结构分析,可以发现元器件的某些特定的薄弱环节和可能在应用中出现失效的部位,由于对元器件的结构和特点有了比较详细的认识,为以后的失效分析工作的顺利开展打下基础。另一方面,由于目前结构分析没有特定的标准,在设计结构分析方案时,可以通过参考以往的该类元器件的失效分析情况,总结该类元器件在使用中容易出现的问题,并把考核这些问题的内容,设计到结构分析方案中。因此,失效分析也可以为结构分析方案的设计提供思路。

结构分析、DPA 和失效分析是航天用元器件可靠性保证的重要手段,分别从元器件的前期、中期和后期进行分析评价,以确保航天用元器件的可靠性。三种技术手段相辅相成、相互补充,形成了一个有机整体。

四、结构分析的一般方法

1.确定元器件类型

对元器件的结构类别进行初步分析,针对具体的元器件,确定器件的基本设计、结构形式。

2.确定试验目的

试验目的决定了试验的方向和侧重点。例如,要通过 CA 评价来对一个新型元器件的结构可靠性进行评价,可以参考相关产品的CA经验,试验方案要尽可能详细。

3.明确元器件的应用环境

如果被分析的元器件用于特殊的环境,就要着重考虑在该环境中元器件可能会出现的问题,并据此来设计试验方案。例如,应用于空间和核辐射环境下的元器件,就要着重考虑对其抗辐射能力的考核问题。

4.寻找参考信息

如有条件,可以对同类结构的元器件以往结构分析情况进行了解,掌握其结构单元组成,作为待分析元器件的结构单元组成的基础考虑。另外,元器件在以往的DPA和使用中曾发现的问题,都是结构分析的重点,在方案设计中要着重考虑。

5.制订结构分析方案

综合考虑元器件的类型、试验目的、应用环境及各种参考信息,以一系列试验项目为主线进行分析。试验项目的确定需尽可能全面地覆盖元器件的各方面设计、工艺和材料要素。

试验项目包括两类,一类是非破坏性方法,另一类是破坏性方法。非破坏性方法一般包括外观检查、标识牢固性检查、X 射线检查、SAM 检查、SEM 检查、能谱分析、傅里叶分析、颗粒噪声碰撞、密封性检查、内部目检等。破坏性方法一般有键合强度测试、芯片剪切力测试、FIB等。

以DC/DC电路的结构分析为例,其试验项目、试验方法、问题关注点如表2所示。

表2 结构分析试验项目表


除了制定试验项目,针对试验难以完成或者难以获得的内容,可以制定相应的仿真分析,模拟真实情况,通过各种专业软件或者通用软件,对需要分析的元器件的结构物理、力学、逻辑、热分布等进行建模仿真分析,获得相关分析数据。

6.试验方案的实施

根据事先制定的试验方案进行试验,而且在试验过程中还可以根据实际情况增减试验项目和调整试验顺序。对于可疑结果,需要提请新的试验方案或验证方案。

7.判别与评价

CA试验报告至少要包括以下内容:

· 被分析元器件的背景,如型号、批次、数量、来源、曾经历的试验和所能了解到的生产工艺;

· 试验目的;

· 试验方案;

· 每项试验的情况,如试验条件、试验数据和试验结果等;

· 试验结论、综合每项试验的情况,以及对被分析的元器件进行综合评价。CA综合评价的内容应覆盖元器件的设计、工艺、和材料等方面,具体包括如下内容:

· 评价结构设计的合理性;

· 检查工艺设计和质量;

· 结合以往的失效案例进行潜在失效隐患分析;

· 确定是否采用了禁、限用工艺和材料。

对于结构优劣的判别,需要基于常见或典型结构而进行,特别是基于已知的宇航结构进行,例如,宇航级或高可靠元器件实物、宇航用元器件DPA数据库等,通过这种途径给出的判别往往更有说服力。另外,以往曾经导致元器件失效并最终确认与结构可靠性有关的失效案例、列入标准规范的结构设计要求等也可以作为CA判别的客观依据。

其中,结构分析的判据主要参考 DPA 判据(GJB 4027A—2006)、欧航局产品技术规范、宇航级产品详细规范、美军标,以及国军标等标准要求、研制场所质量控制要求、试验数据等。

8.提出建议

获得 CA 结果后,可以结合分析过程所发现的问题向研制方提出设计、工艺和材料方面的改进和完善建议,向使用方提供使用环境建议、风险预警及规避方案;对可疑结构还可以提出相应的后续试验或验证工作内容。

五、结构分析案例

在结构分析提出之初,结构分析的方案制定,大都以试验项目为主线。试验项目顺序安排不合理,在很大程度上会对结果的全面性和准确性造成影响。为避免不同试验项目之间的干扰,在制定试验方案时,往往需要考虑产品的层次性,按照功能单元和物理单元进行二级或三级层次分解,并将结构单元及其包含的结构要素作为分析的主线,制定符合不同层次的试验项目。所有的分析试验项目列举出来后,要进行组合排序,形成优化后的分析试验步骤,以确保可以用尽可能少的样品和尽可能简洁的过程进行结构分析,以及在每一个试验项目中能够获取尽可能多的结构要素信息。这种新的分析评价过程能够更全面地覆盖元器件的各方面设计、工艺和材料要素。

以 SAW 滤波器为例,在制定试验方案过程中,结构分析的内容应从外部封装、内部封装及芯片级三方面入手。试验顺序也应遵从外部封装分析、内部封装分析、芯片级分析的递进顺序,具体内容如图1所示,主要分析方法如图2所示。



图1 SAW滤波器结构分析内容



图2 SAW滤波器分析方法

更进一步,可以将元器件分解到结构最小单元或功能最小单元,以及工艺、材料的最小界限,但需要注意结合器件结构的典型性、成熟性等进行调整。对于公认的典型结构单元,一般不需要再分解到该部分的最小结构单元。

典型的宇航用信号处理器件的结构单元分解图如图3所示。



图3 典型的宇航用信号处理器件的结构单元分解图

根据结构单元分解图,结合元器件本身的固有特点和生产工艺,如封装材料、焊接方法及内部结构等,尽可能地采用具备硬件设备条件、方法明确的分析试验项目。表 3是典型的宇航用信号处理器件(芯片结构部分)的结构要素组成和识别方法矩阵。

表3 典型的宇航用信号处理器件(芯片结构部分)的结构要素组成和识别方法矩阵表


六、结语

结构分析适用于元器件的设计、选择和评价等阶段,可全面对其设计、结构、工艺和材料的可靠性进行评价,挖掘潜在的可靠性隐患,分析潜在的失效模式和机理,一方面为生产设计厂商提供改进建议,另一方面也可为使用方提供使用和风险规避建议。目前,元器件结构分析的工作流程一般参照失效分析、破坏性物理分析等分析工作的基本流程开展。在用户需求的推动下,结构分析的项目划分越来越细致,从更加细微处评价元器件的可靠性,试验项目的设定也尽可能全面地覆盖了元器件的设计、结构、工艺和材料等各个方面。结构分析方法的广泛应用必将对提高我国民用和军工电子产品的质量和生产效率发挥前瞻性的意义,使电子产品的质量保证真正做到由事后分析转为事前预防。



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