電子元器件破壞性物理分析方法國內外發展趨勢

Domestic and International Development Trends of Destructive Physical Analysis (DPA) Methods for Electronic Components

WANG Shuang ZHOU Qinyuan (China Electronics Standardization Institute)

Abstract:With thesignificantadvances inmanufacturing technology，therapid increaseinmarketdemand，and the application of new materialsand processs，electroniccomponents are developing towards diversification，integrationand systematization.This paper aims to summarize the evolutionofDestructive Physical Analysis (DPA)methods for electronic components based on the research on revision of standards for DPA methods at home and abroad.

Keywords:DestructivePhysical Analysis; electronic components; development trends

0 引言

量與可靠性水平，確保其使用中的可靠性[

在元器件質量檢測和可靠性評價的研究中，破壞性物理分析是一種常用的技術手段，對于提升產品可靠性水平具有其他試驗和檢驗手段無法替代的作用。近年來，幾乎所有的軍用電子元器件和部分民用電子元器件都會選擇DPA方法來評價器件的質

1國外電子元器件破壞性物理分析方法標準更新變化情況

1.1美軍標中電子元器件破壞性物理分析方法標準更新變化情況

為提升電子元器件的綜合品質和應用的可靠性，美國軍方在20世紀60\\~70年代開展DPA相關工作，隨后，美國國防部于1980年10月10日發布首個破壞性物理分析方法標準，MIL-STD-1580《Destructive Physical Analysis for EEE parts》，其后的修訂是以“更改單（Notice）”和“修訂版（Change）”的形式進行的。更改單的內容主要為標準替換頁，修訂版為包括更改單的完整標準，以方便標準使用。MIL-STD-1580發布后的歷次版本情況如表1所示。

從表1可以看出，早年間MIL-STD-1580的變更次數較少，進入2010年后，變更較為頻繁。而重大的變更，例如，增加新的電子元器件門類等都在版本號發生變化的時候進行。MIL-STD-1580A后歷次版本新增電子元器件門類情況詳見表2。

MIL-STD-1580A中包含12大類、34小類的電子元器件。

MIL-STD-1580B相較于A版增加了3大類（射頻元件、熔斷器、加熱器），14小類的電子元器件，共包含15大類、48小類。

MIL-STD-1580C相較于B版增加了9小類電子元器件，包含15大類、57小類的電子元器件

MIL-STD-1580D相較于C版增加了6小類電子元器件，包含15大類、63小類的電子元器件。

從表2可見：MIL-STD-1580D相較于C版，新增電子元器件涉及大門類有二極管、微電路、電阻器；MIL-STD-1580C相較于B版，新增電子元器件涉及大門類有電容器、電連接器、磁性元件、熱敏電阻、射頻元件，涉及產品門類較多，由此可見，近年來，各類元器件都朝著多元化、集成化的趨勢發展，新型元器件和新型封裝元器件不斷涌現。

此外，MIL-STD-1580C在每個門類電子元器件的DPA檢測程序中增加外部/內部禁用材料分析的要求，外部禁用材料分析是在2010年11月發布的MIL-STD-1580BChange2中新增的方法，在2019年10月發布的MIL-STD-1580C中又在每個門類電子元器件的DPA檢測程序中增加外部/內部禁用材料分析要求，進一步強調了禁用材料分析的重要性。標準中對于外部禁用材料分析給出了詳細的檢測要求和掃描位置；對于內部禁用材料分析，要求對混合電路、集成電路、晶體管、金屬封裝二級管、晶體元件、開關、繼電器和有腔體的電阻器和電容器以及其他內部空腔元器件中除芯片金屬化區、鍵合絲及明顯鍍金表面外的所有內部暴露的金屬表面都需進行禁用材料分析。由此可見，美軍標對禁用材料控制管理的力度在不斷加強。

通過研究標準歷次版本更新變化，初步分析MIL-STD-1580的發展思路和方向主要有以下幾個方面。

（1）針對不斷出現的器件新種類、新工藝，增加新內容。近年來，電子元器件工藝發展迅速、集成度高，更加多元化，因此各類新型電子元器件、新型封裝電子元器件不斷出現，在每次MIL-STD-1580標準換版時，都能夠看到電子元器件新工藝、新結構的出現。這些針對新型電子元器件、新型封裝電子元器件的內容，不僅為研制單位和用戶單位提供了一個可靠性評價的技術手段，也促進了新材料、新工藝的推廣與創新。

據了解，MIL-STD-1580仍在持續修訂中，而由于涉及器件種類較多，新增的外部/內部禁用材料分析也在不斷調整適用范圍和具體要求。

（2）與其他標準或試驗方法的兼容性。MIL-STD-1580引用了MIL-STD-883、MIL-STD-750、MIL-STD-202等相關試驗方法標準，和MIL-PRF-38535等產品通用規范，通過不斷更新，使得MIL-STD-1580的標準與其他標準在技術內容和管理上保持兼容性。

（3）吸收新的檢測和試驗技術、刪除不適用的

試驗方法。（4）根據標準使用意見優化標準可讀性，消除

歧義。(5)對原有的試驗方法和程序的修改。

1.2歐空局（ESA）標準中電子元器件破壞性物理分析方法標準更新變化情況

1988年11月，歐空局（ESA）標準“ESA-RSS-01-60歐空局空間系統的元器件選擇、采購和控制”中首次列入破壞性物理分析方法。其后，ESA于2015年12月發布了ESCC21001《電子、電磁和機電器件破壞性物理分析》第一版本，包括17大類，44小類電子元器件。于2016年12月發布兩個更改單，僅對部分條款進行勘誤。

第二版本于2017年11月發布，包括17大類，45小類，新增1小類電子元器件。隨后于2018年12月和2019年3月發布兩個更改單，更改單變化內容較小。

最新版本的ESCC21001為2019年6月發布的第三版，包括17大類，45小類電子元器件。具體詳見表3。

其中，電連接器的“射頻電纜組件”為ESCC21001第二版中較第一版新增電子元器件門類。對比ESCC21001的歷次版本，在電子元器件門類數量方面變化較小。

2國內電子元器件破壞性物理分析方法發展情況

我國在20世紀90年代開始進行破壞性物理分析方法研究。2000年4月，GJB 4027-2000《軍用電子元器件破壞性物理分析方法》正式發布，該標準包括13大類，37小類電子元器件。該標準為參考MIL-STD-1580A和國內相關產品的通用規范，結合我國國情進行制定。

其后，2004年對該標準進行了修訂，并于2006年發布，GJB4027A變化為16大類，49小類。主要變化有以下幾項。

(1)增加了專用射頻元件，熔斷器，加熱器等3

個大項。

(2)在相關門類增加子門類：

1)光電器件中增加了半導體光電模塊；

2)電連接器中增加了電連接器接觸件；

3)線圈和變壓器中增加了片式印刷電感器;

4)石英晶體和壓電元件中增加了晶體振蕩器；

5）結合目前國內使用塑封器件的實際情況，將塑封半導體集成電路DPA納人了集成電路項目中，并將集成電路分為密封半導體集成電路，混合集成電路（含多芯片組件）和塑封半導體集成電路3個小類。

(3）將半導體分立器件的“無鍵合引線二極管”“晶體管和有鍵合引線二極管”兩類改為“無鍵合引線軸向引線玻璃外殼和玻璃鈍化封裝二極管”“無鍵合引線螺栓安裝和軸向引線金屬外殼二極管”“表面安裝和外引線同向引出晶體管、二極管”共3類。

GJB4027B于2021年發布，在2015年已經完成該標準的修訂。主要的變化如下。

（1)新增了3個工作項目，分別為工作項目1004有鍵合絲塑封半導體分立器件、1104倒裝焊半導體集成電路和1503膜式表面貼裝型熔斷器。涉及的產品門類從16大類、49小類調整為16大類、52小類。

(2)增加了封裝表面鍍涂材料分析。

（3)原有的16大類、49小類工作項目，其中20小類無變化；有21小類工作項目有內容翻譯和編輯的修改，結合美軍標和其他行業標準對8小類工作項目進行了技術內容修改。

3電子元器件破壞性物理分析方法國內外發展趨勢

(1)與工程應用實際需求緊密結合

由于無鉛焊料在高溫高濕、外界機械應力或者大電流的作用下會生長錫須，錫須會導致電路斷路。電子元器件表面鍍層鎘超標會降低鍍層耐腐蝕性和機械強度，導致機械部件失效；鎘超標鍍層與非金屬材料（如：塑料、涂料)接觸時，可能引發“白霜”腐蝕，影響電子元器件的可靠性，而鍍層鋅超標在摩擦或精密部件中易磨損，且高溫下氧化加速，可能引發短路或接觸不良。這些情況都不能滿足電子元器件的高可靠性應用的需求。無鉛焊料和鋅、鎘鍍層超標都應該作為禁用材料被禁止使用。

因此，在2010年11月發布的MIL-STD-1580BChange2中新增了外部禁用材料分析方法，而在2019年10月發布的MIL-STD-1580C中又在每個門類電子元器件的DPA檢測程序中增加外部/內部禁用材料分析要求，進一步強調了禁用材料分析的重要性。2021年發布的GJB4027B中也增加了外部禁用材料分析方法。

(2)關注并積極推廣新檢測技術手段

隨著科技水平的不斷提升，各種新的檢測技術手段不斷出現，在發展DPA技術的同時也對這些新興的檢測技術手段持續關注并積極推廣。

例如，以往的濕法X射線檢查手段不僅分辨率低而且效率低，對于大批次的產品檢測耗時耗力，數字化X射線檢查方法不僅能實時成像，還可以實現無級的放大和縮小，CT技術更是可以在非破壞的情況下，對內部缺陷進行三維立體的診斷，某種程度上可以代替剖面檢查，省時省力。因此，在新發布的方法標準中就引人了數字化X射線檢查手段和CT技術。

而激光刻蝕技術也比傳統的手工濕法刻蝕和等離子刻蝕準確度更高，速度更快，適用于尺寸更小的集成電路，在新發布的方法中也將激光刻蝕技術納入塑封微電路的開封方法中。

(3)關注新工藝、新技術的發展，不斷擴充標準中覆蓋的元器件類型

持續關注電子元器件行業中各種新工藝、新技術、新材料的發展情況，持續性補充各類新型的電子元器件，不斷擴充相關標準的覆蓋面。

例如，MIL-STD-1580C相較于B版，新增電子元器件包括：固定型多陽極固體鈕片式電容器、固定式片式固體電容器、開關模式電源用固定陶瓷電容器、固定可擴展陶瓷片式電容器、單層固定陶瓷片式電容器、濾波連接器、鐵氧體芯片、片式熱敏電阻、聲表面波器件共9類產品。涉及大門類有電容器、電連接器、磁性元件、熱敏電阻、射頻元件，涉及產品門類較多。

而在MIL-STD-1580D中增加了4項有關倒裝焊器件DPA的試驗程序，包括：倒裝芯片微電路（氣密封裝型）、倒裝芯片微電路（基板裸片型）、倒裝芯片微電路（帶蓋板型）、倒裝芯片微電路（塑封型)。

(4)關注成熟產品的工藝水平提升和質量一致 性水平提升情況

對于已經比較成熟產品的DPA試驗方法，電子元器件破壞性物理分析方法標準也保持不斷更新的狀態，結合產品工藝水平和質量水平提升情況，對相關產品缺陷的檢查判據和試驗抽樣數進行修改。

4結語

通過對國內外電子元器件破壞性物理分析方法相關標準變更情況研究，可以發現針對新型電子元器件、新型封裝電子元器件的DPA方法內容不斷增加，這不僅為研制單位和用戶單位提供了一個可靠性評價的技術手段，也促進了新材料、新工藝的推廣與創新。然而，隨著工程應用的不斷增加，裸芯片疊層封裝、晶圓級封裝和PoP封裝集成電路等新型封裝集成電路以及MEMS傳感器、光電探測器等新型電子元器件的DPA試驗方法需求也不斷增加，這將成為未來電子元器件破壞性物理分析方法研究和發展的方向。

參考文獻

[1] 張延偉.破壞性物理分析技術所面臨的挑戰和對策[J].電子產品可靠性與環境試驗，2005(4):48-50.

[2] MIL-STD-158oD:Destructive Physical Analysis ForElectronic，Electromagnetic，And Electromechanical

Parts[S].

[3]張延偉.電子元器件破壞性物理分析中幾個難點問題的分析[J].電子產品可靠性與環境試驗，2002(1):30-33.