李悰　許彥鑫　何宏平

【摘 要】進(jìn)口塑封集成電路在軍用電子設(shè)備中普遍使用，但由于采購(gòu)渠道的限制，產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，如何甄別有潛在風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)品尤為重要。在本文中，我們報(bào)道了一起案例：通過補(bǔ)充篩選試驗(yàn)無法鑒別產(chǎn)品的潛在缺陷，但在進(jìn)行破壞性物理分析時(shí)，通過X射線檢查、金相顯微和掃描電子顯微檢查發(fā)現(xiàn)引腳處鍵合點(diǎn)存在分層，分為上、下兩層。進(jìn)一步的我們通過電子能譜對(duì)分層的鍵合點(diǎn)和鍵合絲分別進(jìn)行了成分分析，發(fā)現(xiàn)下層鍵合點(diǎn)材料成分為Au，而上層鍵合點(diǎn)和鍵合絲均為Cu。該案例可為同類產(chǎn)品的鑒別工作提供參考。

【關(guān)鍵詞】篩選；破壞性物理分析；分層；鍵合點(diǎn)；鍵合絲

0 引言

電子元器件是電子設(shè)備最基本的組成單元，其可靠性水平直接影響到整機(jī)的可靠性水平[1-2]。當(dāng)前軍用電子設(shè)備中仍在不可避免地使用進(jìn)口元器件，尤其是集成電路。以塑封電路為例，盡管其氣密性不如陶瓷和金屬封裝，但其質(zhì)量輕、體積小，工序簡(jiǎn)單，成本低，加之封裝技術(shù)和材料的改進(jìn)，在商業(yè)中仍占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[2]。但由于采購(gòu)渠道的限制，當(dāng)前主要通過代理商訂購(gòu)工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，因而可能遇到以下情形：器件來歷不明、進(jìn)口滯銷品或殘次品、更難以察覺的是生產(chǎn)商在國(guó)外的子公司生產(chǎn)或封裝，部分產(chǎn)品工藝質(zhì)量較差、監(jiān)控不嚴(yán)[3-4]。因此，如何甄別出可用的元器件，對(duì)于保障產(chǎn)品的可靠性變得尤為重要。當(dāng)前主要的措施是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行補(bǔ)充篩選試驗(yàn)，剔除不合格產(chǎn)品。但僅通過篩選試驗(yàn)有時(shí)仍難以甄別出內(nèi)部缺陷，進(jìn)行破壞性物理分析（DPA）是另一重要的質(zhì)量保證措施。

在本文中，我們便遇到了這樣一起案例。我們首先對(duì)Micrel公司的塑封集成電路進(jìn)行了補(bǔ)充篩選，試驗(yàn)項(xiàng)目包括：常溫初測(cè)、溫度循環(huán)、常溫中測(cè)、老煉、常溫終測(cè)、低溫測(cè)試、高溫測(cè)試、外觀檢查，試驗(yàn)結(jié)果顯示均為合格。隨后我們按GJB4027A要求抽取樣品開展了DPA試驗(yàn)。在進(jìn)行X射線檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)引腳處鍵合點(diǎn)存在疑似分層現(xiàn)象。隨后又通過金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）確認(rèn)了這一結(jié)果，鍵合點(diǎn)分為上下兩層，兩層之間界面清晰，且上層鍵合點(diǎn)與鍵合絲圖像均勻、一致。進(jìn)一步地，借助電子能譜（EDS）對(duì)鍵合點(diǎn)、鍵合絲的成分進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)下層鍵合點(diǎn)材質(zhì)為Au，而上層鍵合點(diǎn)和鍵合絲則由Cu構(gòu)成。該案例可為同類電子產(chǎn)品的鑒別工作提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 補(bǔ)充篩選試驗(yàn)

對(duì)全部樣品開展了如下補(bǔ)充篩選試驗(yàn)項(xiàng)：常溫初測(cè)、溫度循環(huán)（-55℃～125℃）、常溫中測(cè)、老煉（125℃，48h，5V）、常溫終測(cè)、低溫測(cè)試（-40℃） 、高溫測(cè)試（125℃）、外觀檢查（10倍放大鏡）。

1.2 DPA試驗(yàn)

按照GJB4027A《軍用電子元器件破壞性物理分析》的要求，從該批次抽取2只樣品開展了以下項(xiàng)目的試驗(yàn)：外部目檢、X射線檢查、超聲掃描檢查，開封，內(nèi)部目檢，和掃描電子顯微鏡（SEM）檢查。

2 結(jié)果與分析

2.1 補(bǔ)充篩選試驗(yàn)結(jié)果與分析

樣品經(jīng)1.1中試驗(yàn)后，外觀及各項(xiàng)電訊指標(biāo)均滿足要求，試驗(yàn)結(jié)論為合格。

2.2 DPA試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.2.1 外部目檢

在立體顯微鏡下對(duì)樣品外觀進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)不符合要求的外觀及結(jié)構(gòu)缺陷。

2.2.2 X射線檢查

采用X光微焦點(diǎn)實(shí)時(shí)檢查系統(tǒng)XD7500VR對(duì)樣品進(jìn)行了檢查，圖1為樣品的俯視（Y方向）圖。由圖可見，器件各部分輪廓清晰，未見空洞、斷裂等缺陷。圖2為樣品的側(cè)視（Z方向）圖，由圖可以清晰的分辨出引腳處的鍵合絲a和鍵合點(diǎn)區(qū)域（如圖中紅色虛線框所示）。但仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)焊接點(diǎn)區(qū)域圖像襯度不同，出現(xiàn)明顯分層（圖中標(biāo)為b、c），且界面清晰。由于不同材料對(duì)X射線的穿透能力不一樣，因而形成的圖像的襯度也不同。圖2中b、c處的分層說明鍵合點(diǎn)區(qū)域可能由不同材料構(gòu)成。

2.2.3 超聲掃描

利用SAM300系列聲掃設(shè)備對(duì)樣品進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)無明顯空洞、裂紋等不符合要求的缺陷。

2.2.4 內(nèi)部目檢

樣品研磨制樣后，采用SZX系列立體顯微鏡和BX51金相顯微鏡對(duì)樣品內(nèi)部進(jìn)行檢查。圖3為樣品焊接區(qū)域的顯微圖像。其中白色虛線框?yàn)殒I合區(qū)，可以看出鍵合區(qū)出現(xiàn)明顯的分層，分為上鍵合點(diǎn)b和下鍵合點(diǎn)c，且界面清晰，這與X射線觀察得到的結(jié)果一致。但上層鍵合點(diǎn)b與鍵合絲a圖像均勻，且無明顯界面，說明鍵合絲和上層鍵合點(diǎn)可能為同種材料。

2.2.5 SEM與電子色散能譜（EDS）分析

為進(jìn)一步對(duì)鍵合絲和上層鍵合點(diǎn)進(jìn)行檢查，并驗(yàn)證上面的猜測(cè)，我們利用SEM對(duì)該區(qū)域的斷面進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖可以看出，上鍵合點(diǎn)b與下鍵合點(diǎn)c界面清晰，而與鍵合絲a之間無分層界面，且二者圖像均勻。這與前面X光檢查和內(nèi)部顯微圖像結(jié)果相吻合。進(jìn)一步地利用EDS對(duì)鍵合絲和鍵合點(diǎn)區(qū)域（圖4種虛線所圍成的區(qū)域）材料進(jìn)行成分分析，結(jié)果見圖5。其中圖5（a）為鍵合絲a的結(jié)果，由圖可以清晰的觀測(cè)到大量Cu的特征峰（圖中的主峰），其質(zhì)量百分比為94.06%。另外還觀測(cè)到了鍵合絲表面吸附的少量的C（質(zhì)量百分比5.94%），這表明了鍵合絲為Cu絲。對(duì)應(yīng)的Cu和C的元素質(zhì)量比例見表1。圖5（b）為對(duì)上層鍵合點(diǎn)b分析的圖像，其結(jié)果與圖5（a）類似，含92.29%的Cu，這表明上層鍵合點(diǎn)和鍵合絲的主要成分均是Cu。圖5（c）對(duì)應(yīng)下層鍵合點(diǎn)的成分分析結(jié)果。由圖可以看出，除了觀察到C、Cu外，還觀察到了大量的Au的特征峰，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)占到了89.27%。這表明下層鍵合點(diǎn)與上層鍵合點(diǎn)不同，其主要成分是Au而不是Cu。Cu的存在可能是從上層鍵合點(diǎn)中的Cu擴(kuò)散到了下層鍵合點(diǎn)，亦可能是Au中摻雜的Cu。另外還觀測(cè)到了少量的N（3.17%）和W（0.18%），前者為樣品吸附的N，W則來源于Au中摻雜的雜質(zhì)元素。表1列出了a、b、c各區(qū)域的成分分析結(jié)果。前面X射線檢查、金相顯微圖像和SEM圖片均證明了鍵合點(diǎn)出現(xiàn)分層，結(jié)合EDS結(jié)果可以得出上、下層鍵合點(diǎn)分別為Cu、Au。本批次產(chǎn)品與該公司長(zhǎng)期以來提供的產(chǎn)品不同——鍵合點(diǎn)不存在分層，鍵合絲與鍵合點(diǎn)均為同種材質(zhì)。

3 結(jié)論

本文對(duì)進(jìn)口塑封電路進(jìn)行了補(bǔ)充篩選和DPA試驗(yàn)。篩選結(jié)果未發(fā)現(xiàn)存在不合格的電路。但在進(jìn)行DPA試驗(yàn)時(shí)，X射線檢查發(fā)現(xiàn)引腳處鍵合區(qū)域存在分層，進(jìn)一步地通過金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡確認(rèn)了焊點(diǎn)分為上下兩層，兩層之間界面清晰，且上層鍵合點(diǎn)與鍵合絲圖像均勻、一致。借助電子能譜儀對(duì)成分進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)下層鍵合點(diǎn)材質(zhì)為Au，而上層鍵合點(diǎn)和鍵合絲則由Cu構(gòu)成。該案例可為同類電子產(chǎn)品的識(shí)別提供參考和借鑒。

【參考文獻(xiàn)】

[1]王守國(guó).電子元器件可靠性[M].北京：機(jī)械電子工業(yè)出版社，2014：1-9.

[2]付桂翠，陳穎，張素娟，高成，孫宇鋒.電子元器件可靠性技術(shù)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010：43-45，126.

[3]單聰，田寶杰，張甲林.淺議裝備元器件采購(gòu)的管理工作[J].中國(guó)軍轉(zhuǎn)民，2015，2：59-60.

[4]聶國(guó)健，周軍連，任艷.進(jìn)口偽劣電子元器件的防范及應(yīng)對(duì)措施[J].質(zhì)量與可靠性，2011，4：44-48.

[責(zé)任編輯：田吉捷]