軍用單片集成電路QML質量保證體系研究

顏 燕，帥 喆，潘美雄，林 霞

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫，214035）

1 QML質量保證體系的來歷

軍用單片集成電路質量保證體系經歷了由QPL（Qualified Product List，合格產品目錄）體系到QML（Qualified Manufactures List，合格制造商目錄）體系的轉變過程，前者側重通過產品最終檢驗來確保產品的質量滿足軍用可靠性要求，后者側重通過規范產品承制商的設計制造過程使其具備生產滿足軍用可靠性產品的能力。二者在基本理念和實施方法上有很大差異。

MIL-M-38510是美國軍用半導體集成電路進行生產檢驗以及QPL認證的標準。我國目前使用的GJB597A-1996《半導體集成電路總規范》就等效于MIL-M-38510。MIL-M-38510把器件的質量保證等級分為B級（軍級）、S級（宇航級）。通常，根據鑒定的方式，MIL-M-38510產品有兩類，一類為“QPL-M -38510”產品，即完全按MIL-M-38510要求經過第三方鑒定機構對產品及產品生產過程進行認證鑒定合格的、打印軍用標志“JAN”的產品，產品列入QPL（Qualified Products list，合格產品一覽表）。此類產品經過篩選、質量一致性檢驗等程序，經過抽樣進行電性能測試、封裝可靠性試驗、壽命試驗、環境適應性試驗，被認定為高質量、高可靠性的軍用產品，推薦給軍隊和航天使用。另一類是按MIL-M-38510生產，且滿足MIL-STD-883《微電子器件試驗方法》規定，但沒經過專門機構認證鑒定的產品，俗稱“883級”產品，屬“準高可靠性產品”。兩者的差異僅在于前者經過專門的機構對產品及生產過程進行認證和鑒定，而883級產品的生產商不需經過認證，其生產和檢驗過程由自己按MIL-M-38510和MIL-STD-883要求控制，不需專門權威機構監控認可。

QPL體系對確保軍品質量可靠性發揮了巨大作用，但也存在局限性，主要表現在兩個方面：一是不太適用于軍用定制集成電路（ASICs）的認證。ASICs具有多品種、小批量的特點，對每個品種進行QPL認證要求抽樣檢驗，導致認證成本急劇增加，超出許多承制商的承受能力；二是QPL體系沒有覆蓋產品的設計過程，不能從源頭把好質量關。

美國羅姆航空研發中心（Rome Air Development Center，簡稱RADC）被公認為QML活動的發起組織，在早期和GE、AT&T、Honeywell等公司簽訂了試點項目。隨后軍方頒布了MIL-I-38535標準，后改為MIL-PRF-38535標準，積極推行QML認證方式。考慮到標準的延續性，MIL-M-38510中的部分內容并入MIL-PRF-38535成為其附錄A。

MIL-PRF-338535將質量等級劃分為七個：S級水平（含S級產品、V級產品）、B級水平（含B級產品、Q級產品）、T級、N級、M級。

V級、S級：完全滿足MIL-PRF-38535的S級水平要求，同時滿足附錄B《航天應用》要求的產品，其中S級為MIL-M-38510的過渡。

Q級、B級：完全滿足MIL-PRF-38535的B級水平要求，B中S級為38510的過渡。

T級：按用戶要求確立的技術流程、在QML線上生產的產品，須經相關部門批準才可應用在航天衛星等工程上。俗稱“合同級”。

N級：按MIL-PRF-38535要求生產的塑封器件。

M級：滿足MIL-PRF-38538附錄A《B級水平及S級水平規范要求》要求，生產檢驗不需專門機構監控，相當于MIL-M-38510的“883級”。

MIL-PRF-38535規定了軍用半導體集成電路制造過程的通用要求及電路應滿足相應質量和可靠性保證要求。承制方按其要求通過認證鑒定后將被列入QML，符合QML認證基線要求的產品稱為QML產品。

2 QML認證與QPL認證的差異

QML認證與QPL認證的差異主要體現在以下三方面：

（1）QPL認證的對象是產品，主要關注產品與制造基線的符合性，以及產品的鑒定檢驗，最終通過檢驗的產品列入QPL；QML認證的對象是產品及其承制商，更多關注的是對與產品實現相關的所有“模塊”（設計、掩模、晶圓、組裝/封裝、檢測）廠商進行能力認證，產品通過鑒定檢驗后，廠商、產品均列入QML。

（2）由于QPL認證是針對具體產品的認證，生產線的維持有賴于實際產品來進行。QML鑒定是針對廠商和產品的認證，生產線的維持可通過由工藝實現的標準評價電路（SEC）來維持。

（3）QPL僅能覆蓋所鑒定的產品和符合擴展規定的有限產品，QML能覆蓋已鑒定工藝下所生產的所有產品。只要通過QML鑒定，則在認證有效期內，凡采購這些已鑒定合格的工藝、材料、制造基線的其他型號產品，不再單獨進行鑒定檢驗，只需做質量一致性檢驗即可成為QML產品。

總之，QML認證引導承制商更多關注產品的實現全過程，對電路制造商的工藝能力提出了更高要求（例如對晶圓制造商TCV、PM的要求），促進了單片集成電路的可靠性設計技術和失效分析技術的發展。如果說在QPL體系中，質量是檢測出來的，那么在QML體系中，質量是設計（芯片設計和工藝設計）出來的。

3 QML認證流程

MIL-PRF-38535為產品建立和實施質量保證提供了應遵循的基本要求。它以提高產品可靠性為目的，特別強調生產相應質量等級產品的綜合能力，包括設計制造能力、過程控制能力及系統管理能力，而能力的維持有賴于一個管理體系，即“OML體系”，通過第三方權威機構對體系的審核及對驗證樣品的鑒定，完成對能力水平的確認并實施監督。圖1給出產品承制方被列入QML的簡要流程。圖中可以看出，要成為生產“QML器件”的承制方必須具備以下基本條件：硬件具有符合38535標準要求的生產設施、試驗設備；軟件具有符合38535標準要求的“QML體系”，體系通過專門機構的認證；驗證樣品通過38535標準要鑒定檢驗。

圖1 承制方被列入QML的簡要流程

4 QML體系要求

QML體系認證是以制造基線的認證為依據，從設計、晶圓制備、封裝等各個工藝過程提出具體要求，強調工藝在線監控、統計過程控制等，以保證電路的質量和可靠性。

完整的QML認證程序分兩個階段：認證和鑒定。認證是鑒定機構對生產線有能力生產高質量和符合通用規范要求的器件進行證實和認可的過程；鑒定是對已認證合格生產線的能力進行實際證明，該過程由鑒定機構對首批生產的驗證樣品（也可以是實際器件）進行鑒定檢驗來實現。按基線分別審查，對整個技術流程進行認證。在確立基線和基線產品時，要特別考慮技術范圍內和能力的覆蓋性。

4.1 QML體系的建立

如圖1所示，QML體系由質量保證大綱（或稱QM計劃，Quality management plan）、體系自我評價系統（依靠TRB來執行）及評價程序、QML制造基線組成。

QML體系與ISO9000所述質量體系不同，這里的QML體系是指為保障產品質量可靠性水平，按MIL-PRF-38535標準而建立的包含設計制造能力、過程控制能力及系統管理能力要素在內的質量管理系統，我們稱之為“OML體系”。它是以質量等級實現為目的而建立的過程控制系統或質量保證系統。“OML體系”必須通過驗證樣品（SEC或實際產品）的設計、掩模制備、晶圓制造、封裝及試驗等完整的制造流程來驗證，以確認體系與標準的符合性及制造相應質量等級產品的能力。同時，將全過程中按MIL-PRF-38535要求所采用的控制管理手段、方法轉化成產品的制造規范，我們稱之為制造基線。QML體系為使其基線內產品生產能連續符合產品規范要求的質量提供了保證系統?！癘ML體系”與ISO9000相同之處在于都要有一定組織機構作支撐，建立體系運行管理制度，建立內審機制對體系進行自我評價等等，其目的是為了保障體系正常有效地運行。而且都要取得第三方權威機構的認證，合格后將頒發證書。通過MIL-PRF-38535的QML體系認證，驗證樣品通過QML鑒定后，承制方將被列入合格制造廠目錄（QML），在其體系和工藝基線內的產品將被打印上QML產品的特別標志。

質量保證大綱是承制方建立和實施質量保證體系所遵循的基本要求，用以系統說明承制方QML生產線的全部質量管理活動，評價系統和程序則用來評價生產線的運行狀況的規定。它是文件化的QML體系。質量保證大綱的內容主要包括QML體系內組織結構圖、人員培訓和考核程序、對用戶要求的轉化程序、質量改進程序、失效分析程序、過程控制程序、糾正措施程序、更改控制程序、SEC和TCV評定程序、認證和鑒定試驗方案制定程序、數據保存程序、體系內審程序、設備校準程序、環境控制程序、新技術確認程序、制造基線文件目錄等。認證時，質量保證大綱應提交鑒定機構審查。

TRB（Technology Review Board，技術審查委員會)，是建立QML體系并對認證的技術流程實施監測、評價和控制的組織機構。其職能是負責質量保證大綱的建立，所有認證和鑒定工藝的維持、更改控制、可靠性數據統計分析、失效分析、糾正措施、QML器件召回程序的制定以及工藝狀態的鑒定等等。TRB要定期向鑒定機構通報QML生產線和產品的最新信息。

QML制造基線是以文件的形式對生產QML產品時所必須的制造操作順序及控制進行的描述（可用流程圖的格式或隨工單的格式），從原材料采購和檢驗、生產過程、生產環境、生產控制相關的所有文件都采用名稱、編號在基線中予以標識或說明，包括引用的內、外部文獻。QML制造基線必須充分反映QML器件的全部制造過程，顯示所有制造、檢驗、測試控制點及所有原料、部件進入流程的位置。

4.2 QML體系的認證

QML體系認證，是鑒定機構對承制商QML制造基線能力的審查和確認。這里的“能力”是指承制方生產“S級水平”或“B級水平”器件的技術能力、過程控制能力和管理能力。認證由第三方權威機構對承制方進行文件審查及制造基線能力確認。文件審查包括QML質量保證大綱及與大綱相關聯的技術管理規定。

QML大綱的審查，主要審查QML質量保證大綱是否按MIL38535的要求，對失效機理的計算/評估、特性表征計劃、鑒定計劃和內審等一系列活動進行了規定，在認證前提交并通過鑒定機構的批準。管理能力審查，管理能力反映在與QML質量保證大綱相鏈接的過程管理程序和規定中，通過對管理程序的審查以確認承制方的質量管理能力。

基線能力是制造過程技術能力和控制能力的體現。技術能力包括（通過驗證樣品反映）制造流程、設計規則、電特性和工藝信息。過程控制能力指制造過程中所運用的控制手段，包括統計過程控制（SPC）和在線監控，在線監控包括可靠性表征結構（TCV，technology characterization vehicle）控制、標準評價電路（SEC）以及工藝監測圖形（PM，parametric monitor）控制。對于“S級水平”QML認證，先要向鑒定機構提供一份設計和工藝制造技術清單，其次，提供一份晶圓制造和封裝過程SPC或在線監控項目或參數清單。清單內容在MIL38538附錄H中有明確的規定。所以，在編制QML質量保證大綱時，要對整個制造過程的控制要求做出具體的規定和描述，哪些工藝和參數采用SPC控制，哪些采用在線監控以便作為鑒定機構審查的依據。對制造能力進行評估的測試結構，其用途見表2。

4.3 QML產品的鑒定

QML鑒定是對制造能力和符合性的證明。承制方在認證的生產線上采用標準評價電路（SEC）作為驗證樣品，按QML中S級水平或B級水平要求的流程完成相應的篩選和鑒定檢驗。標準評價電路（SEC）必須具有包含認證的技術和工藝，用以證明QML生產線技術制造工藝的可靠性。它可以是專門設計的質量與可靠性的監控樣品，也可以是系統中使用的實際產品。QML驗證樣品的設計、晶圓制備、組裝和鑒定檢驗應認證證書后的6個月內進行并及時完成鑒定，否則需重新認證。

表1 制造過程能力認證項目

表2 測試結構的用途

用于QML鑒定的驗證樣品為標準評價電路（SEC），SEC可以是專門設計的質量與可靠性的監控樣品，也可以是系統中使用的實際產品的代表品種，都應寫入鑒定檢驗大綱中。代表品種必須具有承制方所供貨器件的復雜度。每一種樣品的性能應與器件詳細規范相一致，并符合輻射加固工藝（應提交鑒定機構）的要求，所用外殼應檢驗合格。如果是專為QML鑒定設計的質量與可靠性的監控樣品，必須是包含準備認證的技術或工藝的SEC，可用于證明技術或制造工藝的可靠性。SEC應包含下述要求：

復雜度：數字器件SEC的復雜度應至少包括QML線上要制造的最大規模器件所含晶體管數目的一半。對于模擬器件，SEC應體現工藝技術流程的功能，具有典型的復雜度，并且電路單元由電路的主要類型組成。

功能性：SEC應該是包含全功能電路，其測試和篩選應采用與QML器件相同的方式。

設計：SEC的設計應重點突出設計能力，SEC的結構應有助于失效的判別。

制造：SEC應在申請或已經獲得QML認證的晶圓生產線上進行加工。

封裝：SEC應封裝在檢驗合格的外殼中。

5 結束語

QML體系是在產品鑒定的基礎上，在制造環境中引入質量管理（QM）大綱，其關鍵內容是建立統計過程控制（SPC）、現場失效反饋程序、糾正措施程序以及改進產品質量與可靠性所需要的方法，并要求各級管理部門和非管理部門都積極參與質量管理活動。

通過QML認證后，凡列入QML的承制方則不需要對每個器件進行大量的最終產品的鑒定試驗和質量一致性檢驗即可在生產的器件上使用QML認證標志。而離線試驗的減少將由在線監控和統計過程控制（SPC）所替代，工藝可靠性用替代器件（如SEC）來評估。SEC的引入，不僅節約了生產成本，而且把重點從對單一器件的鑒定（相對GJB597）轉移到對工藝技術、管理控制能力的認證和鑒定，這將加速器件邁向高質量和高可靠的步伐。

[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.