张哲瑞刘郡：电子元器件可靠性评估的分析方法评估方法

作者：张哲睿、刘军、袁晓、陆昊天（中国航空综合技术研究院，北京）

结构分析技术是一种新颖有效的电子元器件可靠性评估方法。通过对电子元器件内部结构、工艺和材料的分析，确定了集成电路的版图设计能力、制造工艺控制水平和选用材料的性能，为判断电子元器件的内在可靠性提供了重要依据。成分。介绍了结构分析的一般流程，并将其应用于半导体器件类型的6通道逆变器的结构分析。最后对结构分析进行了综合评价和建议。

简介

随着全球信息化、物联网化的不断深入发展，电子元器件作为信息产业的重要基石，日益成为国家战略资源。 1990年代，我国电子元器件制造业增速高于GDP增速20个百分点，电子元器件外贸呈现“大进大出”趋势[1]。虽然我国对电子元器件的需求量巨大，但国内自主品牌的电子元器件在设计、工艺、材料等方面的技术还比较落后。是元器件制造行业的重要组成部分，掌握核心芯片设计IP和光刻技术。

目前，我国航天事业正处于高速发展阶段，新机型不断推出。在模型工程研发高速、高水平、高要求的背景下，不仅促进了电子元器件生产能力的提高，而且影响着电子元器件的功能、电性能、极限能力、结构可靠性、环境适应性等。和电子元件的组装。提出了更高的要求[2][3]。众所周知，电子元器件对航空设备的性能、寿命和可靠性起着决定性的作用。它们不仅是机载设备实现功能性能的关键部件，也是机载设备发生故障的薄弱环节。任何电子元器件的潜在隐患都可能造成不可估量的损失。由于集成电路的版图设计和生产控制直接决定了电子元件的固有可靠性，因此国际航天界在 1990 年代提出了结构分析 ( , CA) 的概念，作为电子元件可靠性评估的分析方法 [4] ] 在应用背景下的电子元器件验证中，结构分析通过无损和破坏性检测方法对电子元器件的内部结构、工艺和材料进行分析，判断电子元器件本身是否存在潜在的失效风险因素、可靠性问题、工艺缺陷和信息安全风险等。结构分析不仅直接锁定了电子元器件“不好用”的原因，而且指导电子元器件的生产和开发单位进行技术改进[5]6]。此外，促进电子元器件用户单位对新型电子元器件有更深入的了解，打消“敢用”顾虑。通过分析，用户可以了解电子元件的运行机制，并说明电子元件是如何在结构上实现预定功能的芯片粘结的三种方法?集成电路封装的基本工艺流程?，从而指导用户解决“使用不当”的问题[7]。

结构分析技术流程介绍

与破坏性物理分析 ( , DPA) 相比，结构分析更为广泛。破坏性物理分析侧重于成熟的电子元器件，检查其内部电路结构设计和工艺的一致性和一致性[8]；而结构分析是一种探索性分析，其目的是发现电子元件。元器件的潜在薄弱环节和实际应用中可能导致失效的因素，具体关注电子元器件的设计、结构、工艺、材料、固有可靠性状况、工艺质量和潜在危害等方面，获取电子元器件在测试中的应用。利用器件的特性满足对电子元器件的进一步认知，避免将不合适的电子元器件结构应用到可靠性要求高的设备上，为后续的应用铺平道路[9][10]。

应用背景下电子元器件结构分析的具体实现过程并不是一个固定的、单一的测试过程。结构分析的测试项目流程设置依赖于结构单元的分解，对每个分解后的结构单元进行分析识别，然后结合用户的使用环境从结构单元的分析中提取出测试项目电子元器件结构分析的一般流程如图1所示。

图1 电子元器件结构分析总流程图

目前，我国航天领域国家标准计划《航​​天电子元件结构分析通用导则》已通过TC425（全国航天技术标准化技术委员会应用）。本标准是目前除各种特殊标准外唯一的结构分析指导文件。同时，欧美国家的实验室和研究机构还没有建立相关的标准和指南文件来指导结构分析[11]。

由于没有统一的测试方法标准，所以在进行结构分析前需要确定结构分析的样品信息，按要求确认和调查待测样品，掌握电子元器件的发展背景，明确电子元器件。开发状况，明确电子元器件的种类，确定分析依据和样品数量等。其次，要调查分析电子元器件车载设备的使用环境和提出的使用条件。用户。这是为了了解外部环境和施加电子元件的应力类型，以及用户的期望。电子元件达到的内在可靠性指标。在掌握了以上所有应用状态后，为保证结构分析能够涵盖所有设计、工艺和材料要素，应从器件的物理和功能方面对结构要素进行分解得到结构要素，如图图 2.

图2电子元件结构单元分析示意图

在细化各结构单元要素的过程中，应根据试验装置的功能进行分类，对结构失效案例进行充分分析总结。达尔效应（ ），封装管和封装中玻璃材料的脆性会引起应力开裂，芯片结构上的悬浮结构对振动应力敏感易疲劳，在封装上使用有机物键合芯片会引起高温退化等。这些失效机制用于提取每个结构单元的元素，并根据电子元件的敏感应力确定结构对应的结构分析元素，从而选择测试方法结构分析，电子元件结构元素的组成和分析测试。方法见表1。

表1 电子元器件结构元素组成及分析测试方法

航空航天产品电子元件结构分析测试

2.1 设备信息确认

结构分析验证装置为德州公司生产的6通道逆变器。这种设备用于某类航空项目。该类设备为项目QPL目录之外的产品，必须根据项目要求进行结构分析验证。经对设备提供商和用户单位的调查，过去没有发现该设备出现故障的情况。该类型器件具有2至6V的宽工作电压范围，包含6个独立逆变器，一个最大额定电流仅为20µA的低驱动CMOS器件，在5V输出时可提供±4mA驱动电流，环境温度（TA ) 为-55℃~125℃。这种结构分析侧重于封装、芯片贴装和键合系统的材料和工艺。

2.2 封装及案例分析

逆变器的封装为陶瓷双扁平封装（DUAL），符合美国军用标准MIL-STD-1835。该陶瓷封装共有 14 个引脚。陶瓷盖和底座采用低温玻璃密封。器件外观外观参照-2005方法2009.1，器件封装如图3、4所示。该型号器件本体全尺寸8.6mm ×6.1mm×1.9mm，表面丝印符号为纯色字符，符号文字清晰明显，公司标识易于区分，无冗余。保持。标志的内容包括设备型号： ;包装标识：W；产地：THA等，无水乙醇和丙酮擦拭后无褪色、脱落、模糊等现象，标识清晰易辨。打印不是用单组分墨水打印的。

封装整体材质为陶瓷。这种封装具有良好的防潮性，热冲击和温度循环能力强，热膨胀系数小，绝缘密封性好，不易受环境影响。材料脆性高，易受机械应力破坏。销钉的基材为铁镍钴合金，表面镀锡。 Ref-2005 方法 2015.1、方法 2020.1、方法 2003.1、方法 2004.2、@ > 1014.2和 2024依次进行耐溶剂性测试、粒子冲击噪声检测测试、可焊性测试、铅牢度测试、密封测试和玻璃粉盖板扭矩测试，测试结果均合格。

图 3 外部前视图

图 4 外部侧视图

2.3 互连绑定分析

按照-2005方法2012.1进行X-ray检测，器件内部在键合过程中没有产生焊接飞溅等多余物，键合线结构为清晰可见，无交叉和断线，弧度无异常。该设备的X照片如图5所示。

图 5 模型 X 射线照片

进行键合区金属化层和键合点的键合线的能谱分析，键合区金属化层基板的能谱分析如图6所示。从图中可以看出，键合区金属化层的基材为铝金属。该芯片使用的键合线也是铝材，同种材质的键合匹配性能好。

图6 键合区金属化层基板的能谱分析

按照-2005法2018.1，进行扫描电镜检查。该设备采用Φ32µm铝线超声波楔形键合工艺。如图7所示，芯片键合采用反焊方式，键合点的键合尾线长度小于键合线直径的2倍，键合点的键合区宽度略大于1.线径的2倍，长度略大于1.线径的5倍，符合焊点形状要求。键合点焊接位置落在焊盘中心，没有明显的铆钉滑动现象，芯片上没有重新焊接的键合点，键合下无灰尘颗粒、纤维等异物观点。键合毛细管压痕向焊盘边缘扩散，对焊盘边缘结构造成轻微损伤，但该缺陷不影响芯片的功能性能。键合点键合区的铝线与焊盘的金属化层完全贴合，在金属化层上没有出现凸起颗粒或铝线与焊盘部分分离的现象，键合工艺满足规定要求。键合区铝线无缝隙、无撕裂，键合线电弧正常，满足互连键合要求。

图7 键合点扫描电镜照片

参考-2005方法2011.1进行键合强度测试，键合线数13根，最小键合张力4.92gf，平均值5. 76gf，均大于合格标准规定的边界值，检测结果为合格。粘合张力的标准偏差值为0.61gf，张力值一致。粘接拉伸试验数据见表2。

表2 粘接拉伸试验数据表

2.4 贴片与结构分析

请参考 -2005 方法 2012.1 进行 X 射线检测，如图 5 所示。芯片连接区域没有不可接受的结构，接触区域也没有空隙。半导体芯片结构无裂纹、裂纹或碎片，底部无凹陷，芯片结构正常。

按照-2005法2019.2进行切屑剪切试验，试验结果合格。

打开封装，器件内部形貌如图8所示。该类器件内部有芯片，芯片位于封装中心，芯片与封装底座键合用导电胶粘在基材上。根据-2005方法2010.1，芯片表面局部形貌如图9所示。芯片版图清晰可见，没有不可接受的崩边和裂纹，无明显缺陷表面金属化和钝化层。金属化层通道无划痕损伤或探针损伤，少量空洞小于原金属条宽度的50%，下一层钝化层不外露，无腐蚀、烧损表面变色。焊盘和通孔周围无腐蚀、裂纹、错位或金属化覆盖等不可接受的现象，焊盘表面无鼓包、剥落或起泡等附着力不良的现象。版图结构清晰，无桥接扩散缺陷和不连续的孤立扩散区。

图8器件内部形态

图9 芯片表面局部形貌

2.5条综合评价与建议

德州公司生产的6通道逆变器，采用R-GDFP-F14陶瓷双排扁平封装形式。由于该类器件紧凑的布局结构、键合方法和材料以及键合材料保证了器件在振动和温度应力下能够保证良好的性能，因此从电子元件结构的角度考虑该器件适合应用用于航空设备。

在组装此器件之前，需要对器件引脚进行整形，引脚成型工艺对器件的可靠性和电气性能起着非常重要的作用。应用本装置时，建议参照QJ 3171-2003《航空航天电子电气产品成型技术要求》进行插针成型。此器件的引脚形状是扁平的，焊盘上的引脚长度应在1.44mm～2.4mm之间，引线的切割端应至少离边缘垫的长度为 0.25mm。当引脚端重叠时，引脚凸起或距焊盘表面的高度不应超过0.25mm。管脚折弯过程中，器件两侧尽量对称，管脚不要在器件根部弯曲，与本体侧面保持0.96mm 上下弯曲部的直线部分与电路板的夹角，上弯曲部应小于95︒，下弯曲部应大于45︒。器件本体与电路板表面基本平行，器件本体下表面的电路板间隙应在0.5mm～1mm之间。

总结

本文通过对6通道逆变器的封装封装、互连键合、芯片结构和芯片键合四个结构单元的深入分析，并根据功能单元对结构单元进行分类和物理单位。分解，以结构分析要素为分析依据，制定验证测试项目并实施。各结构分析要素的分析评价基本涵盖器件的设计、工艺和材料要素，挖掘器件的可靠性隐患，避开物理结构。或因使用不当造成的风险，并给出合理的建议，基本符合本研究的目的。

产品推荐-组件集成管理系统

系统根据企业元器件的管理需求，建立标准化的基础元器件信息资源库和EDA库，提供标准化、完整、系统的一、设计、采购、工艺、制造、可解决元器件数据资源分散、复用性差、选材不当、成本控制难等核心痛点，为电子设备的集成化设计提供强有力的数据和信息支持。

一、产品价值

1.设备管理，降低设备采购成本

根据用户需求扩展数据资源信息，为企业提供标准化、标准化的零部件数据处理服务，打通零部件从设计、采购、工艺、制造、质量控制等环节的信息集成和采集，快速实现数据资源按需获取，提高设计师选择效率，降低设备采购成本。

2.优化系统类型，提升设备保障性能

基于多年国产兼容替代和系统优化的专业经验积累，提供国产兼容产品推荐和进口元器件优化的一站式服务，提高元器件保护效率。

3.资源共享降低企业管理难度

打通企业各信息系统之间的信息壁垒，实现企业构件数据与构件信息库的统一存储源，使企业形成统一的一、准确、完整、一致的组件产品数据源，实现企业数据从单一的管理系统向互联互通的集成平台转变。

二、核心功能

1.智能精准检索

构建系统的一、准确、完整、一致的组件数据库，确保数据同源性。采用精细化检索方法，保证数据的准确检索。

2.设备优化系统

依托百万级元器件资源库，支持企业自建设备选型优化系统，快速解决设计端数据资源短缺问题，提升选型效率。

3. 设备替换图

在组件自主可控的背景下，进口组件本地化替代一站式管理，做到知足常乐。

4. 支持智能决策

利用可视化模块，从器械国产化率、器械类别、质量等级、安全等级、超级目录等维度进行多维度统计分析，支持企业智能决策。

三、我们的客户

1.航空工业哈尔滨工业集团有限公司

我们完成了哈尔滨某工业集团有限责任公司航空工业零部件综合管理系统的基础设施建设，包括：零部件类型与分类、零部件信息数据管理、流程管理、系统管理等，并基于以元器件为基础，形成zbxh优化数据库，元器件库共3500余项，协助企业确认本地化更换xh和元器件选型管控，实现元器件选型管理、元器件选型管理、超级目录审批、统计分析本地化等功能。

2.中国电子科技集团公司某研究所

协助某中电院实施电子元件选型控制项目。主要内容包括承接近8万条历史元器件数据，在院内搭建新的元器件管理平台，建立元器件选型和优化控制流程。系统包括：单/批建库流程和变更流程，用于管理设计人员获取图书馆信息的方式；同时还包括元件的选择过程和优化过程，用于控制超目录元件和设计过程中不存在的元件。批准优选组件的选择，以提高组件选择的质量。

“航空301所是我所xh零部件选型和管控的技术支持单位。我们的工作得到了301所的大力支持和专业合作。零部件的综合管理体系帮助我们解决了元器件选型问题，衷心感谢传统机型和国产替代的困难，希望我们能够继往开来，砥砺前行，共同为发展做出更加突出和重大的贡献。我国的航空业。” - 航空工业哈尔滨XX工业集团有限公司

如果您对此产品感兴趣，欢迎加客服微信，我们会与您详细沟通。

加好友请注意“name-unit”

参考文献

[1]赵玉川。我国电子元件制造业发展的战略选择[J].国家行政学院学报,2005(04):57-60.

[2]傅婉月，姜立东，王景贤，景连天。模型电子元器件应用验证概念及关键问题研究[J].质量与可靠性，2019(06):31- 35.

[3] 姜立东，郭鹏，张艳伟，孙铭。航空电子元器件应用验证系统工程研究[J].航天器工程, 2012, 21(03):124-129.

[4] 刘平，徐百生。结构分析（CA）在电子装配中的应用[J]．电子工艺技术, 2011, 32(05):258-261.

[5]唐章东、张凯、宁永成、王政、张海明、濮瑞敏。航天电子元件应用验证方法及应用实例[J].航天器环境工程,2013,30(03):296-301.

[6]张艳伟，姜立东，陈志强。一种新的电子元器件可靠性评估方法——结构分析（CA）[J]．电子产品可靠性与环境测试，2003(05) :1-3.

[7] 姜立东，郭鹏，张彦伟，孙铭。航空电子元器件应用验证系统工程研究[J].航天器工程, 2012, 21(03):124-129.

[8]孙家坤,姚丁.军用集成电路质量控制方法分析与探讨[J].环境技术,2016,34(06):22-25.

[9] 陶帅，肖凤娟，朱美光。结构分析在航空航天可靠性技术中的应用与实践[J].质量与可靠性，2014(03):53-55.

[10]张磊芯片粘结的三种方法?集成电路封装的基本工艺流程?，夏红，龚鑫。航空电子元器件结构分析技术研究[J].电子产品可靠性与环境测试, 2012, 30(01):53-57.

[11]。国际航空快运[J]．航天器环境工程, 2017, 34(06):692.

结束