淺談汽車級電子元器件裝備應用的可靠性

中國航天科工集團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，如何在保證質量與可靠性的前提下，從元器件選用控制方面降低產品的研制成本，是武器裝備發展的迫切需求。基于武器裝備低成本和小型化的要求，以及國外高等級器件可獲得性差等現狀，我國軍工武器系統各型號不可避免使用進口工業級器件。國內軍工用戶一般只能通過代理商或貿易商進行采購，無法要求代理商或貿易商提供可靠性試驗報告或數據，也很難在有限的樣品里進行真實可信可靠性驗證試驗和質量評價；同時工業級器件更新換代較快，也給型號帶來比較大的風險。

相比之下，汽車級元器件有與軍品級類似的環境要求、產品規范和質量保證，同時又有與工業級接近的供貨價格，在國防工業領域具有巨大的應用前景。近年來，無論是美國宇航局NASA的飛行任務，還是我國的武器裝備，均在開展汽車級元器件高可靠領域應用的相關研究[1]。

2.進口工業級元器件的質量風險及控制

從全球電子元器件制造生產領域來看，根據應用條件的不同和可靠性指標的差異，可供選擇的元器件主要包括軍用電子元器件（經美國國防部MIL規范生產認證）、汽車級元器件（經汽車電子協會AEC認證）、商用元器件（包括工業級和商業級元器件）和醫用元器件幾大類。

隨著我國型號研制更新換代周期加快和內在成本化需求不斷加強，傳統的元器件選用已經不能滿足日新月異的武器裝備需求[2]。在這種環境下，由于進口工業級器件具有價格低廉、相對穩定的可靠性及可獲得性好等優勢，從而越來越多地被使用。目前，多數武器裝備采用的進口工業級器件主要以塑封器件為主。與傳統意義上的氣密封裝器件相比，塑封器件屬于非密封器件，內部結構沒有與外界環境完全隔離，易受外部環境影響，產生了新的質量風險。

2.1 進口工業級器件質量風險

2.1.1 環境應力耐受性風險

進口工業級塑封器件是以樹脂類聚合物為封裝材料的非密封半導體器件。外界環境中的水汽可通過樹脂本身的微孔或者從樹脂與引線框架的界面處侵入而到達管芯，而這些水汽中同時存在著超過百余種可以影響模塑材料的氣態污染物。塑封器件暴露在普通環境下24個小時左右就會達到內外水汽的“平衡”，在使用過程中，如果內部有較多水汽，當器件突遇高溫（如焊接過程）或受到大的過電應力沖擊時，塑封器件在短時間內會出現塑封體爆裂的情況，即所謂的“爆米花”效應。另外，滲透至管芯處的水汽，在特定條件下會導致鋁金屬化層腐蝕，隨著水汽入侵到器件內部的空氣污染物會加快金屬表面的離子電遷移，導致金屬腐蝕，或者催化引發柯肯德爾（KirKendall）效應，造成鍵合失效，進而使器件參數退化或失效。如果塑封器件內部存在材料、界面的分層，上述失效風險將大大增加，并可能影響器件的使用壽命。

2.1.2 假冒翻新風險

目前國內軍工產品采購進口器件主要依賴代理商渠道，沒有統一穩定的供貨來源。由于進口工業級器件自身質量等級較低，供貨渠道復雜，因此假冒翻新比例較高。從2007年開始，美國議會和國防部（DOD）的報告數次明確指出假冒翻新電子元器件被大量用在了關鍵的航天器和武器系統中[3]。國內方面的情況同樣不容樂觀，某些重點工程的產品使用的塑封器件假冒翻新比例高達30%。假冒翻新元器件質量難以保證，使用可靠性難以滿足嚴苛的環境要求，其應用會帶來諸多方面的可靠性問題。如何有效規避和防控假冒翻新元器件成為當前元器件可靠性領域關注的問題。

2.2 國內外工業級器件質量控制現狀

對于進口工業級器件，國外已經逐漸建立起相對完善的質量控制體系。如美國的航空航天局NASA公布的《塑封微電路的選擇篩選和鑒定》（PEMINST-001），對塑封微電路的篩選（Screening）和鑒定（Qualification）流程進行了明確的規定。針對塑封器件對潮氣敏感的特性，工業電子聯合會（IPC）發布了《非密封固態表面貼裝器件潮氣/回流敏感度分級》（J-STD-020D.1），對非密封器件的潮氣敏感等級（MSL）和回流焊操作流程進行了規定。針對塑封器件易出現分層缺陷的特點，IPC又發布了《非密封電子器件聲學顯微檢測》（J-STD-035），對工業級器件的聲學掃描顯微鏡檢測方法進行了詳細規定。針對應用在高可靠性領域的工業級器件，美國機動車工程師協會（SAE）發布了航空標準《假冒翻新電子器件的規避、檢測、防控和處理》（AS5553）。

和國外相比，我國雖然建立了一套國軍標電子元器件體系，但是在進口工業級器件，尤其是塑封器件的的質量控制方面標準規范還不夠完善。現行的軍用標準中，GJB7400-2011規定了N級塑封器件的質量保證要求，但是實際可供選購的N級器件十分有限。GJB4027A-2006規定了塑封半導體集成電路的DPA流程。我國缺少塑封器件的潮氣敏感度鑒定和使用規范，工業級器件的表面物理特征分析標準，以及聲學掃描顯微鏡篩選試驗的具體流程和后處理參數規定。目前，涉及到塑封器件相關篩選或鑒定試驗時，國內各可靠性結構大多采取參考PEM-INST-001和JEDEC相關標準執行，許多設計師甚至忽視了塑封器件的MSL等級。

3.工業、汽車、軍品電子元器件體系對比

3.1 元器件質量保證體系

3.1.1 工業級元器件

工業級元器件是制造商按照自己的方法生產，滿足一般工業使用環境或特定行業要求的產品，包括汽車工業級器件、電信工業級器件、機車工業級器件等，其使用的技術規范較多，但沒有相對公認的統一技術規范或標準。另外，商用器件更新換代速度快，產品周期短，難以適應軍用/航天領域長期供貨、周期性采購的特點。

3.1.2 軍品級元器件

軍品級元器件指制造商在軍用部門認證的生產線上嚴格按照相關軍用標準規范生產制造、選擇、測試和鑒定，滿足軍用環境使用要求的產品。

軍品生產一般在通過認證的軍標生產線進行，如美國國防后勤局（DLA）認證的QML生產線，中國軍用電子元器件質量認證委員會認證的QPL生產線。可靠性標準多按照美軍標執行，主要以MIL-STD-883為主，根據軍品級別不同分別開展不同的篩選試驗、測試、破壞性物理分析、例行試驗等。

軍品級元器件種類繁多，但由于軍品量少、要求高、認證困難，導致很多電子元器件生產廠家不再生產軍用器件或逐步退出軍品生產，如飛思卡爾（前摩托羅拉）已不再生產軍品。根據2016年的統計數據，美國DLA認證的QML制造廠有74家（41家符合MIL-PRF-38534規范，33家符合MILPRF-38535規范），但是封裝機構（Assembly Facilities）只有7家。

3.1.3 汽車級元器件

汽車級元器件是制造商在經過汽車行業質量認證的生產線上按照自己的方法生產，并經過相應汽車行業標準篩選、測試和鑒定的，滿足汽車使用環境要求的產品。

汽車級元器件質量體系一般為ISO/TS16949質量體系。可靠性標準主要為兩個，一是美國汽車電子協會標準即AEC系列標準，一是國際標準化組織標準即ISO16750系列標準，其中AEC系列標準被廣泛采用。AEC系列標準中，AEC-Q100《基于集成電路應力測試認證的失效機理》包括了邦定線應力試驗、人體模式ESD試驗、機械模式ESD試驗、集成電路閂鎖試驗等12個試驗方法，AEC-Q101《半導體分立器件應力測試的認證規范》包括了6個試驗方法，AEC-Q200《無源器件應力測試認證規范》包括了7個試驗方法，此外還有AEC-Q001《零件平均測試指導原則》、AEC-Q002《統計式良品率分析指導原則》、AEC-Q003《芯片產品的電性能表現特性指導原則》、AEC-Q004《零缺陷指導原則》等。AEC-Q100標準中指出：本標準目的是確定一種器件在應用中能夠通過應力測試以及被認為能夠提供某種級別的品質和可靠性，如果成功完成根據本文件各要點需要的測試結果，那么允許供應商聲稱他們的零件通過了AEC-Q100認證。

表1 不同等級元器件對比情況列表

與工業級器件和軍品級器件相比，汽車電子元器件具備可觀的出貨量，優于商用器件的產品周期，具有獨特的質量和成本優勢。

3.2 軍品級、工業級和汽車級元器件標準規范對比情況

工業級元器件無明確可靠性標準支持，一般只進行常規測試或三溫測試；工業級元器件一般只保證較長的生命周期，但一般沒有具體數據。

汽車級元器件有明確的可靠性標準支持，要求進行100%測試和篩選、抽樣鑒定（其內容相當于軍品級產品的例行試驗內容、DPA內容）、失效分析和快速歸零，一般不提供報告，但可在網上查詢其質量情況。

軍品級元器件按標準要求的方法組織生產，并按可靠性標準規定進行100%測試、100%篩選、例行試驗、DPA和失效分析、歸零，提供標準規定的各類報告。

不同等級元器件對比情況見表1所示。

4.汽車電子元器件的品種覆蓋、質量控制和成本

4.1 汽車級元器件品種覆蓋情況

汽車級元器件品種主要集中在傳感器、微控制器、微處理器、驅動器、通信元件、電源供應器、被動電子組件、顯示器等。按武器裝備應用需求來說，FPGA、CPLD、DSP、存儲器、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、總線等都有汽車級元器件，并且隨著電動汽車逐步推廣，汽車級元器件種類會越來越多，汽車級元器件的生產廠家包括NXP、Altera、Analog Devices、Xilinx、Texas Instruments、Cypress等國際知名大公司。

4.2 汽車級元器件質量控制方法

汽車級元器件可靠性標準一般都規定進行一系列測試或篩選，測試一般從芯片制造開始到產品出廠，含加速應力測試、加速壽命模擬測試、封裝組裝整合測試、芯片晶圓可靠度測試、電氣特性確認測試、瑕疵篩選監控測試、封裝凹陷整合測試等，試驗項目一般包括高低溫工作、高低溫儲存、溫度循環、溫度步進、冰水沖擊、鹽霧、交變濕熱、恒定濕熱、防塵防水等。其測試和試驗項目直接引用了美軍標的相關條款，如水汽含量檢測、恒定加速度等就直接引用MIL-STD-883標準的部分條款。測試和鑒定試驗的核心就是為了應用，因此汽車級元器件的測試一般為Fail/Pass，即通過設置使用中遇到的各種故障觸發條件進行測試，保證出廠的產品能可靠使用。

汽車級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比（歸一價格）

表3 部分分立器件成本對比（歸一價格）

表4 部分集成電路成本對比（歸一價格）

4.3 典型軍品級、工業級、汽車級的成本對比

汽車級元器件在標準規范和質量保證體系都要優于工業級元器件，同時由于出貨量大，均攤成本低，實際采購價格僅略高于工業級器件。根據美國NASA在2014年公開的資料顯示[4]，美國本土部分典型的元器件種類成本如表2～表4所示。

5.結束語

汽車級元器件有完備的質量控制體系和產品檢驗規范，有滿足軍工產品要求的可靠性指標，有與工業級器件接近的價格，而且品種多樣、供貨有保證。深入研究汽車級電子元器件在高可靠領域的應用，對降低武器裝備研制成本，提高產品質量都會產生積極的推動作用。