電子元器件生產廠家質量工藝控制存在的問題

牛姜楓

（北京京瀚禹電子工程技術有限公司，北京 100000）

0 引言

在過去十幾年，中國半導體發展突飛猛進，在國防、國民經濟領域中廣泛使用電子元器件，隨著電子元器件國產化的比重越來越大，越來越多的“中國芯”被用在民用、軍工領域。從民用的電子產品，到軍用的武器裝備，其性能主要依賴半導體電子元器件的質量，國產元器件的質量直接關系到國防和國民經濟的安全，由于高速的發展帶來質量的良莠不齊，給可靠性工作帶來巨大挑戰，也因為質量問題造成重大質量事故。通過可靠性篩選和DPA 工作，可以把一些問題提前暴露出來，剔除有缺陷的產品，減少上機之后的質量隱患，極大地提高了電子元器件的使用可靠性，同時也解決生產廠家質量工藝控制存在的問題。

1 篩選檢測和DPA 概述

篩選是是一種通過試驗和檢測剔除有缺陷的或不合格元器的方法，一般包括一次篩選和二次篩選，是一種可以增加產品使用穩定性的方法。通常因為生產工藝失控，或者制造原材料的缺陷，在制造過程中，使有些產品存在問題或缺陷，如果經過篩選及早清除這些問題或缺陷的產品，能夠使產品的使用可靠性大大地提高[1]。電子元器件的可靠性包括固有可靠性和使用可靠性。電子元器件的固有可靠性是產品固有屬性，在設計、制造過程中所帶來的，不能通過后期試驗和檢測來提高。但是元器件的使用可靠性可以通過相應的手段來提高，經過一系列的試驗和檢測手段來提高電子元器件的使用可靠性。

常見的篩選檢測項目包括：外觀檢查、常溫初測、高溫貯存、溫度循環、恒定加速度、PIND、常溫中測、老煉、常溫中測、低溫測試、高溫測試、細檢漏、粗檢漏、常溫終測、外觀復查。

破壞性物理分析，即DPA，是一種對電子元器件的潛在問題加以發現，并研究其成因和危害的方法。該方法由美國最先開始使用。它是在元器件制造過程中、上機前，在產品批中隨機選擇相應數量的電子元器件，并通過各種非破壞和破壞性試驗的方式，檢驗元器件構造、材質、設計、制作工序的產品質量，能否達到所規定的可靠性條件。刨析元器件內部的材質、工藝等問題后，對元器件樣品加以解剖，刨析其內在元素以及前后所進行一系列檢驗的全過程，用于判定是否存在批次產品質量問題，奠定工藝改進基礎，以提高元器件質量，保障整個電子系統的可靠性。

2 篩選檢測發現的問題

篩選檢測中發現的問題還是比較多的。以某電子元器件二次篩選知名可靠性檢測機構數據為例，近三年（2019—2021 年），不合格數量為49.5 萬只，不合格批次為2.4 萬批。表1 為失效批次對比，從表1 可以看出，不合格數量和不合格批次較多。

表1 2019—2021 失效批次對比

外觀檢查發現的問題有：管腳彎曲、標示不清、劃痕、尺寸超差、銹蝕、沾污、鍍層缺陷、殼體缺損裂紋、絕緣子裂紋、焊料缺損、標志錯誤等。這些問題可能存在于生產廠家人員、原材料、生產方法、檢驗方法等環節[2]。

高溫貯存、溫度循環發現的問題有：塑封器件變形、塑封器件殼體裂紋缺損、金屬表面變色、金屬表面腐蝕等。可能存在于生產廠家設計、原材料、生產方法、檢驗方法等環節。

恒定加速度發現的問題：封裝結構達不到要求。可能存在于生產廠家設計、原材料等環節。

PIND 發現的問題：氣密封器件內部存在微小顆粒。可能存在于生產廠家人員、環境等環節。

老煉發現的問題：器件相當數量的早期失效情況、個別器件存在老煉后失效的情況。可能存在于生產廠家設計、人員、設備、環境等環節。

常溫測試發現的問題：測試參數比較少，性能指標偏差大，和國外器件性能差距較大。可能存在于生產廠家設計、人員、原材料、生產方法、設備等環節。

高低溫測試發現的問題：低溫條件下器件不能工作，高低溫條件下性能變差。可能存在于生產廠家設計、人員、原材料、生產方法、設備等環節。

檢漏試驗發現的問題：氣密封器件存在密封不良，有漏率超差的情況出現。可能存在于生產廠家設計、原材料等環節。

3 DPA 發現的問題

DPA 失效數據也逐年增高，2019 年到2021 年不合格批次占比分別為6.97%、8.23%、7.93%，國產不合格批次占比分別為3.29%、3.26%、4.21%，主要集中在密封、內檢、外檢、X 射線、聲掃、水汽。國產電子元器件翻新、假冒、以次充好的情況大量存在，塑封器件應用越來越多，但是塑封器件分層情況嚴重。

在70 余項通用國產元器件分析中，發現9 項器件存在問題，比例還是很大。主要為國產偽空包器件、外觀結構問題等。國產元器件質量不穩定，批次一致性差，且生產單位的檢測條件良莠不齊，檢驗標準各不相同，障覆蓋率達不到100%。

（1）國產偽空包器件：與國產廠家確認，自主設計產品，且經過了鑒定。但是，存在供貨周期長，生產成本高，產品批次質量一致性差的問題，故會使用國外晶片生產。從內部結構中能看到器件有美國半導體廠家標志，非國產器件。

（2）外觀結構問題：器件焊盤變形，導致絕緣間距減小，導致絕緣性能下降；焊盤腐蝕，導致焊接不良；器件側面塑封料存在空洞，存在吸潮導致參數漂移、爆米花效應等風險；玻璃絕緣子存在裂紋，存在密封性隱患。

4 生產廠家存在的問題及措施

4.1 人員方面

隨著半導體行業的發展，我國新增半導體企業越來越多。根據企查查數據的分析，2022 年中國共有半導體公司7 萬多個。《中國集成電路產業人才白皮書（2019—2022 年版）》中表示，根據當前行業發展狀態，至2022 年，全產業的人才需求將近80 萬人，但是從現在行業內從業人數來看，只能滿足40 萬的人員，還缺少30 萬人，只是集成電路一類的人才，如果加上功率器件、光電子器件等領域，缺口可達60 萬左右，這一數量還會繼續擴大。我國在半導體領域人才匱乏嚴重，嚴重影響了半導體行業的質量水平，沒有充足和經驗豐富的人員，影響到半導體產品的質量水平[3]。

操作人員應參加培訓，通過考核持證上崗，掌握相關標準、規范和檢驗的基本原理，能熟練使用相關儀器設備，能對試驗結果做出分析和判斷。

4.2 設備方面

半導體分為設計、制造和封測三大核心產業，以及對應的原材料，以及制造、封裝、測試環節所需的專業設備。

芯片設計軟件都集中在歐美國家，國內廠家需要花費昂貴的費用，才可以使用國外軟件的精簡版本。沒有好的設計，談何質量。

晶圓的成分是硅，晶圓越薄，成本越低，但是工藝的要求就越高。晶圓生產過程中，使用的比較普遍的有光刻設備、刻蝕裝置、離子注入機、電子擴散裝置、氧化爐、拋光裝置、清洗機等。國內不具備核心設備生產能力，只具備一部分設備生產能力，但是在質量方面和國外設備廠家相差巨大，自然而然的影響質量。

封測方面使用的設備大多為國外設備，半導體測試設備基本集中在國外，半導體測試設備技術難度大，主要由愛德萬和泰瑞達兩家壟斷，價格昂貴，國產廠家配置的數量有限，不足以滿足大規模生產測試需要。測試設備方面存在差距，設備能力、測試精度、頻率范圍和國外設備差距較大。

儀器設備有相應的管理方法，關鍵設備由專人操作和檢查；設備按計量計劃進行計量檢定，計量合格后粘貼合格標識并注明及有效期，需在設備有效期內使用，使用時做好使用臺賬，無法檢定時由相應的比對報告等。儀器設備應符合生產和檢驗的要求。設備管理辦法有效執行，有對應的設備檔案、設備臺賬、儀器設備計量檢定計劃，設備維修記錄，能清晰準確查詢到設備的運行情況[4]。

4.3 原材料方面

半導體行業主材料為硅晶圓，硅晶圓的好壞直接決定了芯片的好壞。硅晶圓是制造技術門檻極高，高科技尖端產品，大多集中在國外。我國電子元器件生產廠家大多依賴進口，自主生產的很少。

由于國產廠家大部分從國外采購，供貨渠道是否正規，有沒有斷供的風險，會不會出現混料等問題，國產廠家可以識別一些信息，但是無法識別的就有可能會發生問題。

對原材料生產實施一系列的質量控制，從原材料的選擇與采買到進場儲存，還包括原材料的周轉輸送，和進場的篩選與檢測，并根據國家規范的要求執行，把控生產質量。對于生產過程中每步操作的原料或半成品，必須進行檢測，確保符合相關規定，并設置有流轉卡，對原材料做一定的識別與跟蹤，對重要工藝可配備監測設備，監測制造過程。能夠有效識別合格品與不合格品，不合格品有專用的容器儲存，并有相應的不合格品標識，對不合格品登記、查詢、處理。企業物料管理全面有效，可以溯源從入庫到產品的全流程，質量問題可追溯。

4.4 試驗方法方面

國內質量管理標準不統一，特別是軍用器件，有企業標準、企軍標、七專標準、GJB 標準、普軍標準、軍品標準等，相應的軍用試驗標準是沿用美軍標的，項目和內容很多年沒有更新過，對于一些新類型器件、新型號器件不能很好起到質量管控作用。產品詳細規范也不一致，同樣的器件，國外產品手冊有直流參數、時間參數、動態參數等，國產手冊要么只有直流參數，要么只有部分參數，參數數量比國外要少很多，性能指標比國外的低，參數數量和指標與國外的一致，但使用性能和穩定性不如國外器件。

建立統一的試驗方法和管理方法，對每一類器件都有相同的試驗方法和管理方法，并能很好的指導相應工作，無論生產廠家或者是配套單位，都能明確的知道怎么做如何做。每個作業都有作業指導書，每個操作都有操作規程，具體怎么作業、怎么操作，絕對不能出現操作標準不一的情況。工序技術參數的更改，需要進行專家論證審核批準后，才能變更內容。工藝文件的編制、評定和審批都有相應的流程和規定，保證所使用文件的正確性和統一性。技術文件和管理文件的撰寫，評定和審核要有一定的制度和要求，確保所使用文檔的正確性和統一性，工藝文件都應嚴格管理，發布、修改、執行都應受控并能追溯，現場能取得的文件都是效的，生產過程中的記錄能及時填寫并匯總上交[5]。

4.5 環境方面

擁有相應資質的生產廠家，環境方面都是達標的，通過相關機構審核和認可，滿足生產的相關環境要求。對于沒有相應資質的生產廠家，其生產環境存在不達標的情況，無法滿足生產的環境要求。

生產現場環境方面的要求：溫度、濕度、光線、防靜電等符合相關要求；有安全環保設備和措施，符合職工健康安全法律法規要求；現場執行6S 要求，物品擺放合理，布局科學，無與生產無關的雜物；有相應的溫度、濕度、光線、防靜電監測設施及方法，對應的措施能及時糾正偏差。

4.6 檢驗方面

生產廠家的檢驗方案是經過內部評審通過的，但是評審委員會的專業程度是否滿足要求，評審方案是否合適，是否滿足要求，不同廠家的方案可能不一樣，則會導致不同廠家的產品存在不同。

選擇使用能滿足準確度和精度的測量設備；定期對設備進行確認、校準，規定相應的確認和校準方法規程，保存相關記錄；發現設備處于非標準狀態時，立即排查，對之前測量和試驗結果的有效性進行分析評定，并記入相關文件；檢驗有相應的檢驗規程和作業指導書，相應的檢驗方案經過評審固化，通過后發布執行。

5 建議

一方面需要生產廠家方面加強工藝和質量控制，從人員、設備、原材料、方法、環境、檢驗方法6 個方面加強管控，通過一系列方法和手段，通過控制工藝，提高元器件的固有質量；另一方面需要篩選方面做把關，把元器件的使用可靠性提高，把使用質量不過關的器件篩選出去；通過雙方共同努力，為元器件的可靠性做保障工作。

6 結語

國產電子元器件應用越來越多，產業鏈也逐步完善，在工業和國防應用中，比重越來越重，自然而然的對質量要求也越來越高，就需要相關生產廠家和配套單位共同努力做好質量保障工作。隨著技術的不斷提高，人員能力的提高，生產廠家的質量控制越來越好，國產電子元器件質量會越來越好。