典型集成電路可靠性評價方案研究*

武榮榮 高會壯 王長鑫 陳 波

（航天科工防御技術研究試驗中心 北京 100039）

1 引言

大規模集成電路的缺陷或安全隱患可能發生在原材料、制造工藝、結構設計、組裝及應用的任何階段，應用環境中的機械、熱、化學或電氣等作用可能導致器件缺陷加速暴露，若器件的性能參數或特征超出了可接受范圍，則認為器件發生了失效［1～2］。可靠性評價方案是為了了解、分析、評價和提高元器件可靠性而進行的試驗方案，試驗的設置是為了分析元器件能否滿足可靠性指標的要求，排除結構設計、原材料、工藝過程中的缺陷，評估器件典型應用環境的適應性。本文基于元器件的失效模式及機理，分析器件的薄弱環節，在此基礎上利用故障樹分析器件的可靠性風險要素，制定典型電路的可靠性評價方案，對器件的可靠性進行評估，為裝備應用提供技術支撐。

2 典型集成電路失效模式及失效機理分析

Glb2490 是一款總線引腳具有±8KV ESD 保護的隔離式數據收發器，適用于高速、全雙工的多點傳輸總線通信，器件采用磁隔離技術，將雙通道隔離器，三態差分線路驅動器和差分數據接收器集成與單封裝中。對其主要的失效模式及失效機理列表分析如表1所示［3］，利用故障樹分析分析器件的敏感因子［4］，如圖1所示。

圖1 隔離器故障樹分析

表1 隔離式收發器的主要失效模式及失效機理

基于故障樹分析，器件的物理特性、溫度、力學及輻照環境、過電應力、焊接不當等是導致隔離器失效的主要原因，在可靠性評價過程中需要對其進行考核［5］。

3 可靠性風險分析

3.1 物理特性風險分析

結構設計不合理、材料性能不匹配或工藝控制不穩定等均有可能導致元器件的固有可靠性下降，帶來安全隱患。待評價器件的物理特性會影響器件的固有可靠性、使用可靠性及使用壽命，需要對其進行考核，分析結構設計、材料及工藝是否滿足裝備特殊性應用環境等方面的需求。通過結構分析［6］，可以在型號應用前發現并排除存在可靠性隱患的物理特性并及時改進，避免后期使用時出現質量問題，導致重大失效事件。

3.2 溫度環境風險分析

裝備用元器件要承受貯存、運輸、發射、上升以及運行等階段的溫度環境應力，對元器件影響較大的溫度因素有高溫、低溫、溫度交變等。高溫可能導致功率因數、介電常數等參數改變［7］，涂層起泡脫落造成可動多余物，機電元件由于膨脹而卡住等問題，甚至可能引起諸如焊縫熔化、器件燒毀等致命失效現象。溫度交變可能引起密封性能下降、接縫開裂等問題，其中溫度梯度的最大位置容易發生因質量遷移導致的失效問題。

溫度相關的評價試驗包括溫度循環、熱沖擊、高溫儲存試驗、功率溫度循環試驗等試驗［8］，依據元器件經歷的溫度環境確認評價試驗項目及條件，考核元器件在實際應用的熱環境適應性。

3.3 力學環境風險分析

裝備用元器件從運輸、發射、到運行再返回等階段都要經歷沖擊、振動和加速度等各種力學環境應力［9～10］。元器件在振動環境下可能會產生電噪聲、電參數漂移或者其他參數異常現象，力學環境下大體積封裝的元器件極容易破裂，在引腳焊接處發生最大的彎矩作用，可能出現焊點開裂或破壞。有活動部件的元器件容易在復雜力學環境下產生誤動作或結構件損壞等失效問題。

力學相關試驗包括掃頻振動、機械沖擊、離心試驗、振動疲勞等。依據元器件經歷的力學環境環境確認評價試驗項目及條件，考核元器件在實際應用的力學環境適應性。

3.4 污染物風險分析

污染物為元器件失效機理的萌生和擴展提供了場所，污染源可能來自大氣污染、濕氣、助焊劑殘留、熱退化產生的腐蝕性元素以及芯片黏結劑中排出的副產物等。污染物遷移路徑是多變的，主要取決于集成電路封裝組裝工藝。封裝表面的外部污染物也可能進入封裝體內部。

3.5 特殊應用環境風險分析

真空環境下元器件容易產生真空釋氣，表面涂覆可能不斷發生氣化，降低元器件本身的保護作用，并對周邊元器件產生影響。空間環境中的銀河宇宙線、太陽宇宙線和地球輻射帶等均會對器件有一定的影響，根據裝備所處的環境，評估器件對單粒子、總劑量等效應的敏感水平，為系統防護設計提供參考依據。

4 典型器件可靠性評價方案

基于故障樹及可靠性風險要素分析［11～12］，制定待評價元器件的可靠性評價方案如表2所示。

表2 典型器件可靠性評價方案

4.1 結構分析

GLb2490C 型RS-485 收發器為金屬陶瓷（CSOP16）型封裝，屬于典型密封多芯片封裝形式，外形如圖2所示。

圖2 器件外形尺寸圖

器件采用平行縫焊工藝，焊料成分為銀銅合金，密封區域未見明顯二次涂覆現象；器件蓋板粘接成分分析如圖3所示。器件引出端通過Ag-Cu合金燒結再陶瓷基體的焊盤上，引出端主要成分為鐵鎳合金，表面鍍金，次表面鍍鎳。

圖3 器件蓋板粘接成分分析

器件鍵合采用金絲球形鍵合工藝，鍵合工藝良好，鍵合拉力滿足合格判據要求。

器件芯片劃片質量良好，未見芯片破損、裂紋等現象，安裝位置符合規范要求；芯片鈍化層完整性檢查合格，表面玻璃鈍化層、金屬、層間介質等未見起泡、脫皮、分層和侵蝕等缺陷；芯片與底座之間采用環氧樹脂粘接，粘接良好，滿足剪切力合格判據。

經過對GLb2490C 型RS-485 收發器進行結構分析，從結構、原材料和工藝設計方面發現：該器件封裝結構設計合理，未見禁限用工藝及材料。

4.2 功能性能分析

按照Q/GL 50014-2020 規范對GLb2490C 器件的功能、性能進行常溫、高溫及低溫測試。功能測試覆蓋真值表，性能測試覆蓋詳規電特性表。結果合格。

4.3 環境適應性試驗

按照制定的方案實施環境適應性試驗，結果如表3所示。

表3 典型器件環境適應性結果

按照可靠性評價方案完成對隔離式收發器的可靠性評估，從結構設計、原材料和工藝設計等方面分析，器件封裝結構設計合理，未見禁限用工藝及材料；從功能、性能方面分析，器件功能性能符合詳細規范要求；通過環境適應性試驗，器件通過了溫度、力學、壽命、極限試驗的摸底評估，ESD 試驗結果顯示器件總線端對GND2 靜電放電電壓為±8KV（HBM），其余端口為±2KV（HBM）。設計師使用過程中可根據試驗結果評估器件是否適用于裝備的應用環境，針對薄弱點提前采取防護加固措施。

5 結語

隨著裝備數量的不斷增加及對可靠性要求的提高，對國產元器件提出了更加苛刻的需求。本文提出在對集成電路常見失效模式及失效機理進行分析的基礎上，確認器件薄弱點，利用故障樹方法分析器件應用的可靠性風險。基于可靠性風險分析的要素，完成對器件物理特性、功能性能及典型應用環境適應性評估的元器件可靠性評價方案。經過實踐證明，GLb2490C 型隔離式RS-485收發器器件封裝結構設計合理，未見禁限用工藝及材料。三溫條件下功能、性能及參數指標符合詳細規范要求。電源電壓工作電壓極限、工作溫度極限均符合詳細規范要求。GLb2490C 型隔離式RS-485 收發器通過了評價試驗，在實際應用中，可根據特殊環境因素設置專門試驗進行評估驗證。