中國航天科工集團(tuán)第三研究院第三〇三研究所 李 智 侯鐵忠

1.引言

電子元器件是武器裝備的重要基礎(chǔ)，如何在保證質(zhì)量與可靠性的前提下，從元器件選用控制方面降低產(chǎn)品的研制成本，是武器裝備發(fā)展的迫切需求。基于武器裝備低成本和小型化的要求，以及國外高等級器件可獲得性差等現(xiàn)狀，我國軍工武器系統(tǒng)各型號不可避免使用進(jìn)口工業(yè)級器件。國內(nèi)軍工用戶一般只能通過代理商或貿(mào)易商進(jìn)行采購，無法要求代理商或貿(mào)易商提供可靠性試驗報告或數(shù)據(jù)，也很難在有限的樣品里進(jìn)行真實可信可靠性驗證試驗和質(zhì)量評價；同時工業(yè)級器件更新?lián)Q代較快，也給型號帶來比較大的風(fēng)險。

相比之下，汽車級元器件有與軍品級類似的環(huán)境要求、產(chǎn)品規(guī)范和質(zhì)量保證，同時又有與工業(yè)級接近的供貨價格，在國防工業(yè)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。近年來，無論是美國宇航局NASA的飛行任務(wù)，還是我國的武器裝備，均在開展汽車級元器件高可靠領(lǐng)域應(yīng)用的相關(guān)研究[1]。

2.進(jìn)口工業(yè)級元器件的質(zhì)量風(fēng)險及控制

從全球電子元器件制造生產(chǎn)領(lǐng)域來看，根據(jù)應(yīng)用條件的不同和可靠性指標(biāo)的差異，可供選擇的元器件主要包括軍用電子元器件（經(jīng)美國國防部MIL規(guī)范生產(chǎn)認(rèn)證）、汽車級元器件（經(jīng)汽車電子協(xié)會AEC認(rèn)證）、商用元器件（包括工業(yè)級和商業(yè)級元器件）和醫(yī)用元器件幾大類。

隨著我國型號研制更新?lián)Q代周期加快和內(nèi)在成本化需求不斷加強(qiáng)，傳統(tǒng)的元器件選用已經(jīng)不能滿足日新月異的武器裝備需求[2]。在這種環(huán)境下，由于進(jìn)口工業(yè)級器件具有價格低廉、相對穩(wěn)定的可靠性及可獲得性好等優(yōu)勢，從而越來越多地被使用。目前，多數(shù)武器裝備采用的進(jìn)口工業(yè)級器件主要以塑封器件為主。與傳統(tǒng)意義上的氣密封裝器件相比，塑封器件屬于非密封器件，內(nèi)部結(jié)構(gòu)沒有與外界環(huán)境完全隔離，易受外部環(huán)境影響，產(chǎn)生了新的質(zhì)量風(fēng)險。

2.1 進(jìn)口工業(yè)級器件質(zhì)量風(fēng)險

2.1.1 環(huán)境應(yīng)力耐受性風(fēng)險

進(jìn)口工業(yè)級塑封器件是以樹脂類聚合物為封裝材料的非密封半導(dǎo)體器件。外界環(huán)境中的水汽可通過樹脂本身的微孔或者從樹脂與引線框架的界面處侵入而到達(dá)管芯，而這些水汽中同時存在著超過百余種可以影響模塑材料的氣態(tài)污染物。塑封器件暴露在普通環(huán)境下24個小時左右就會達(dá)到內(nèi)外水汽的“平衡”，在使用過程中，如果內(nèi)部有較多水汽，當(dāng)器件突遇高溫（如焊接過程）或受到大的過電應(yīng)力沖擊時，塑封器件在短時間內(nèi)會出現(xiàn)塑封體爆裂的情況，即所謂的“爆米花”效應(yīng)。另外，滲透至管芯處的水汽，在特定條件下會導(dǎo)致鋁金屬化層腐蝕，隨著水汽入侵到器件內(nèi)部的空氣污染物會加快金屬表面的離子電遷移，導(dǎo)致金屬腐蝕，或者催化引發(fā)柯肯德爾（KirKendall）效應(yīng)，造成鍵合失效，進(jìn)而使器件參數(shù)退化或失效。如果塑封器件內(nèi)部存在材料、界面的分層，上述失效風(fēng)險將大大增加，并可能影響器件的使用壽命。

2.1.2 假冒翻新風(fēng)險

目前國內(nèi)軍工產(chǎn)品采購進(jìn)口器件主要依賴代理商渠道，沒有統(tǒng)一穩(wěn)定的供貨來源。由于進(jìn)口工業(yè)級器件自身質(zhì)量等級較低，供貨渠道復(fù)雜，因此假冒翻新比例較高。從2007年開始，美國議會和國防部（DOD）的報告數(shù)次明確指出假冒翻新電子元器件被大量用在了關(guān)鍵的航天器和武器系統(tǒng)中[3]。國內(nèi)方面的情況同樣不容樂觀，某些重點(diǎn)工程的產(chǎn)品使用的塑封器件假冒翻新比例高達(dá)30%。假冒翻新元器件質(zhì)量難以保證，使用可靠性難以滿足嚴(yán)苛的環(huán)境要求，其應(yīng)用會帶來諸多方面的可靠性問題。如何有效規(guī)避和防控假冒翻新元器件成為當(dāng)前元器件可靠性領(lǐng)域關(guān)注的問題。

2.2 國內(nèi)外工業(yè)級器件質(zhì)量控制現(xiàn)狀

對于進(jìn)口工業(yè)級器件，國外已經(jīng)逐漸建立起相對完善的質(zhì)量控制體系。如美國的航空航天局NASA公布的《塑封微電路的選擇篩選和鑒定》（PEMINST-001），對塑封微電路的篩選（Screening）和鑒定（Qualification）流程進(jìn)行了明確的規(guī)定。針對塑封器件對潮氣敏感的特性，工業(yè)電子聯(lián)合會（IPC）發(fā)布了《非密封固態(tài)表面貼裝器件潮氣/回流敏感度分級》（J-STD-020D.1），對非密封器件的潮氣敏感等級（MSL）和回流焊操作流程進(jìn)行了規(guī)定。針對塑封器件易出現(xiàn)分層缺陷的特點(diǎn)，IPC又發(fā)布了《非密封電子器件聲學(xué)顯微檢測》（J-STD-035），對工業(yè)級器件的聲學(xué)掃描顯微鏡檢測方法進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。針對應(yīng)用在高可靠性領(lǐng)域的工業(yè)級器件，美國機(jī)動車工程師協(xié)會（SAE）發(fā)布了航空標(biāo)準(zhǔn)《假冒翻新電子器件的規(guī)避、檢測、防控和處理》（AS5553）。

和國外相比，我國雖然建立了一套國軍標(biāo)電子元器件體系，但是在進(jìn)口工業(yè)級器件，尤其是塑封器件的的質(zhì)量控制方面標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還不夠完善?，F(xiàn)行的軍用標(biāo)準(zhǔn)中，GJB7400-2011規(guī)定了N級塑封器件的質(zhì)量保證要求，但是實際可供選購的N級器件十分有限。GJB4027A-2006規(guī)定了塑封半導(dǎo)體集成電路的DPA流程。我國缺少塑封器件的潮氣敏感度鑒定和使用規(guī)范，工業(yè)級器件的表面物理特征分析標(biāo)準(zhǔn)，以及聲學(xué)掃描顯微鏡篩選試驗的具體流程和后處理參數(shù)規(guī)定。目前，涉及到塑封器件相關(guān)篩選或鑒定試驗時，國內(nèi)各可靠性結(jié)構(gòu)大多采取參考PEM-INST-001和JEDEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，許多設(shè)計師甚至忽視了塑封器件的MSL等級。

3.工業(yè)、汽車、軍品電子元器件體系對比

3.1 元器件質(zhì)量保證體系

3.1.1 工業(yè)級元器件

工業(yè)級元器件是制造商按照自己的方法生產(chǎn)，滿足一般工業(yè)使用環(huán)境或特定行業(yè)要求的產(chǎn)品，包括汽車工業(yè)級器件、電信工業(yè)級器件、機(jī)車工業(yè)級器件等，其使用的技術(shù)規(guī)范較多，但沒有相對公認(rèn)的統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。另外，商用器件更新?lián)Q代速度快，產(chǎn)品周期短，難以適應(yīng)軍用/航天領(lǐng)域長期供貨、周期性采購的特點(diǎn)。

3.1.2 軍品級元器件

軍品級元器件指制造商在軍用部門認(rèn)證的生產(chǎn)線上嚴(yán)格按照相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范生產(chǎn)制造、選擇、測試和鑒定，滿足軍用環(huán)境使用要求的產(chǎn)品。

軍品生產(chǎn)一般在通過認(rèn)證的軍標(biāo)生產(chǎn)線進(jìn)行，如美國國防后勤局（DLA）認(rèn)證的QML生產(chǎn)線，中國軍用電子元器件質(zhì)量認(rèn)證委員會認(rèn)證的QPL生產(chǎn)線?？煽啃詷?biāo)準(zhǔn)多按照美軍標(biāo)執(zhí)行，主要以MIL-STD-883為主，根據(jù)軍品級別不同分別開展不同的篩選試驗、測試、破壞性物理分析、例行試驗等。

軍品級元器件種類繁多，但由于軍品量少、要求高、認(rèn)證困難，導(dǎo)致很多電子元器件生產(chǎn)廠家不再生產(chǎn)軍用器件或逐步退出軍品生產(chǎn)，如飛思卡爾（前摩托羅拉）已不再生產(chǎn)軍品。根據(jù)2016年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，美國DLA認(rèn)證的QML制造廠有74家（41家符合MIL-PRF-38534規(guī)范，33家符合MILPRF-38535規(guī)范），但是封裝機(jī)構(gòu)（Assembly Facilities）只有7家。

3.1.3 汽車級元器件

汽車級元器件是制造商在經(jīng)過汽車行業(yè)質(zhì)量認(rèn)證的生產(chǎn)線上按照自己的方法生產(chǎn)，并經(jīng)過相應(yīng)汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)篩選、測試和鑒定的，滿足汽車使用環(huán)境要求的產(chǎn)品。

汽車級元器件質(zhì)量體系一般為ISO/TS16949質(zhì)量體系。可靠性標(biāo)準(zhǔn)主要為兩個，一是美國汽車電子協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)即AEC系列標(biāo)準(zhǔn)，一是國際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)即ISO16750系列標(biāo)準(zhǔn)，其中AEC系列標(biāo)準(zhǔn)被廣泛采用。AEC系列標(biāo)準(zhǔn)中，AEC-Q100《基于集成電路應(yīng)力測試認(rèn)證的失效機(jī)理》包括了邦定線應(yīng)力試驗、人體模式ESD試驗、機(jī)械模式ESD試驗、集成電路閂鎖試驗等12個試驗方法，AEC-Q101《半導(dǎo)體分立器件應(yīng)力測試的認(rèn)證規(guī)范》包括了6個試驗方法，AEC-Q200《無源器件應(yīng)力測試認(rèn)證規(guī)范》包括了7個試驗方法，此外還有AEC-Q001《零件平均測試指導(dǎo)原則》、AEC-Q002《統(tǒng)計式良品率分析指導(dǎo)原則》、AEC-Q003《芯片產(chǎn)品的電性能表現(xiàn)特性指導(dǎo)原則》、AEC-Q004《零缺陷指導(dǎo)原則》等。AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)中指出：本標(biāo)準(zhǔn)目的是確定一種器件在應(yīng)用中能夠通過應(yīng)力測試以及被認(rèn)為能夠提供某種級別的品質(zhì)和可靠性，如果成功完成根據(jù)本文件各要點(diǎn)需要的測試結(jié)果，那么允許供應(yīng)商聲稱他們的零件通過了AEC-Q100認(rèn)證。

表1 不同等級元器件對比情況列表

與工業(yè)級器件和軍品級器件相比，汽車電子元器件具備可觀的出貨量，優(yōu)于商用器件的產(chǎn)品周期，具有獨(dú)特的質(zhì)量和成本優(yōu)勢。

3.2 軍品級、工業(yè)級和汽車級元器件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對比情況

工業(yè)級元器件無明確可靠性標(biāo)準(zhǔn)支持，一般只進(jìn)行常規(guī)測試或三溫測試；工業(yè)級元器件一般只保證較長的生命周期，但一般沒有具體數(shù)據(jù)。

汽車級元器件有明確的可靠性標(biāo)準(zhǔn)支持，要求進(jìn)行100%測試和篩選、抽樣鑒定（其內(nèi)容相當(dāng)于軍品級產(chǎn)品的例行試驗內(nèi)容、DPA內(nèi)容）、失效分析和快速歸零，一般不提供報告，但可在網(wǎng)上查詢其質(zhì)量情況。

軍品級元器件按標(biāo)準(zhǔn)要求的方法組織生產(chǎn)，并按可靠性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行100%測試、100%篩選、例行試驗、DPA和失效分析、歸零，提供標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各類報告。

不同等級元器件對比情況見表1所示。

4.汽車電子元器件的品種覆蓋、質(zhì)量控制和成本

4.1 汽車級元器件品種覆蓋情況

汽車級元器件品種主要集中在傳感器、微控制器、微處理器、驅(qū)動器、通信元件、電源供應(yīng)器、被動電子組件、顯示器等。按武器裝備應(yīng)用需求來說，F(xiàn)PGA、CPLD、DSP、存儲器、各類電源器件、電阻器、電容器、電感、二三極管、光電耦合器、電連接器、繼電器、功率器件、電池、總線等都有汽車級元器件，并且隨著電動汽車逐步推廣，汽車級元器件種類會越來越多，汽車級元器件的生產(chǎn)廠家包括NXP、Altera、Analog Devices、Xilinx、Texas Instruments、Cypress等國際知名大公司。

4.2 汽車級元器件質(zhì)量控制方法

汽車級元器件可靠性標(biāo)準(zhǔn)一般都規(guī)定進(jìn)行一系列測試或篩選，測試一般從芯片制造開始到產(chǎn)品出廠，含加速應(yīng)力測試、加速壽命模擬測試、封裝組裝整合測試、芯片晶圓可靠度測試、電氣特性確認(rèn)測試、瑕疵篩選監(jiān)控測試、封裝凹陷整合測試等，試驗項目一般包括高低溫工作、高低溫儲存、溫度循環(huán)、溫度步進(jìn)、冰水沖擊、鹽霧、交變濕熱、恒定濕熱、防塵防水等。其測試和試驗項目直接引用了美軍標(biāo)的相關(guān)條款，如水汽含量檢測、恒定加速度等就直接引用MIL-STD-883標(biāo)準(zhǔn)的部分條款。測試和鑒定試驗的核心就是為了應(yīng)用，因此汽車級元器件的測試一般為Fail/Pass，即通過設(shè)置使用中遇到的各種故障觸發(fā)條件進(jìn)行測試，保證出廠的產(chǎn)品能可靠使用。

汽車級元器件一般具有較高的可靠性，壽命保證一般至少15年。

表2 部分片式瓷介電容器成本對比（歸一價格）

表3 部分分立器件成本對比（歸一價格）

表4 部分集成電路成本對比（歸一價格）

4.3 典型軍品級、工業(yè)級、汽車級的成本對比

汽車級元器件在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和質(zhì)量保證體系都要優(yōu)于工業(yè)級元器件，同時由于出貨量大，均攤成本低，實際采購價格僅略高于工業(yè)級器件。根據(jù)美國NASA在2014年公開的資料顯示[4]，美國本土部分典型的元器件種類成本如表2～表4所示。

5.結(jié)束語

汽車級元器件有完備的質(zhì)量控制體系和產(chǎn)品檢驗規(guī)范，有滿足軍工產(chǎn)品要求的可靠性指標(biāo)，有與工業(yè)級器件接近的價格，而且品種多樣、供貨有保證。深入研究汽車級電子元器件在高可靠領(lǐng)域的應(yīng)用，對降低武器裝備研制成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量都會產(chǎn)生積極的推動作用。