寧瑋，張素娟，高成，韓灝然，雷喻，楊軒

（北京航空航天大學可靠性工程研究所元器件質量工程研究中心，北京 100191）

0 引言

隨著我國電子元器件整體設計制造水平的不斷提升，以及裝備制造單位對各類電子元器件性能、質量、可靠性、自主可控能力等方面的要求的提高，科學、系統(tǒng)地開展國產(chǎn)電子元器件應用驗證成為行業(yè)當前亟待完成的工作。

通過應用驗證，完成對國產(chǎn)電子元器件設計、生產(chǎn)、鑒定等相關文件資料的核驗，從實際裝備應用環(huán)境出發(fā)對器件結構工藝、功能性能、可靠性及環(huán)境適應性等方面進行檢測驗證，并與相應進口器件進行比對分析，最終得到保障國產(chǎn)化電子元器件可控性、可用性、可靠性的應用指南。

對全品類電子元器件開展的應用驗證工作能為現(xiàn)有武器裝備所使用的進口元器件提供國產(chǎn)化替代產(chǎn)品目錄，并明確不同種類不同型號國產(chǎn)化替代產(chǎn)品的性能指標及替代方式。因此，應用驗證對于促進我國電子元器件自主研制生產(chǎn)及裝備自主保障能力具有重要的戰(zhàn)略意義[1-3]。

結構分析作為應用驗證流程中重要的一環(huán)，針對器件結構、材料和工藝從設計、制造、過程控制等方面進行檢查分析，驗證器件自主可控性、設計合理性和工藝、結構可靠性。結構分析為應用驗證工作全面深入地開展及驗證結論的輸出提供了不可或缺的支撐，也為未來國產(chǎn)電子元器件生產(chǎn)制造水平進一步改進提高提供了科學的參考。

1 結構分析的思路及方法

元器件結構分析分為3個關鍵環(huán)節(jié)：結構單元分解、結構要素識別和結構判別與評價[4-8]。結構單元指的是具有完整封裝結構的最小單元。裝備用元器件常見陶瓷管殼，封裝形式包括DIP、QFP、LCC、SOP、BGA等。陶瓷封裝的元器件，通過結構單元分解，可將其結構分為封裝管殼、芯片結構、引線鍵合、芯片黏接四個部分。根據(jù)每部分結構的特征分別確定結構要素。

（1）封裝殼體：檢查器件封裝殼體類型、標識信息，檢查器件封裝殼體的密封性，對影響器件封裝工藝可靠性因素進行分析；檢查器件的引出方式和引出結構是否存在可靠性風險；檢查金屬蓋板及其鍍層，外引線及其鍍層，是否滿足可靠性的要求。

（2）芯片結構：檢查芯片版圖及主要工藝結構；檢查鈍化層工藝和可觀察到的各層金屬化工藝是否存在缺陷；檢查芯片鈍化層、金屬化、襯底材質；分析芯片工藝及材料是否存在可靠性隱患。

（3）引線鍵合：需檢查鍵合絲形貌是否存在影響結構可靠性的現(xiàn)象；檢查內、外鍵合點形貌及尺寸；檢查尾絲長度、鍵合絲弧度、鍵合絲間距、鍵合絲直徑、鍵合拉力；檢查鍵合區(qū)焊盤材料、鍵合絲材質、引線框架及其鍍層；判斷引線鍵合工藝、材質是否存在可靠性風險。

（4）芯片黏接：需檢查芯片尺寸、安裝方向、位置是否存在結構可靠性風險；需檢查芯片黏接工藝是否存在影響可靠性的因素；檢查芯片黏接料的材質是否滿足電傳導、熱傳導等設計要求及可靠性的要求。

結構分析的最終評判則是綜合所有分析要素和各項檢查及試驗結果來獲得。

陶瓷封裝的元器件具有密封腔體，在進行結構分析檢測試驗時，需充分利用各種儀器設備及手段，按照圖1所示流程開展工作。所用設備包括：立體顯微鏡、金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡、平面度儀、X射線檢測系統(tǒng)、聚焦離子束分析系統(tǒng)、氦質譜檢漏儀、氟油檢漏儀、拉力和剪切力機、磨拋機等。通過逐項分析檢測試驗，對元器件結構進行逐層拆解、制取切片，以獲得詳細的圖片、影像和數(shù)據(jù)資料。

圖1 結構分析流程

2 結構分析的應用

現(xiàn)階段工作中，通過對上述各種試驗方法及檢測設備的綜合運用，已完成對20余類近百種型號元器件的結構分析，從封裝結構、互連方式到芯片工藝進行逐項剖析，結合樣品設計定型及鑒定、篩選等相應文件資料，從樣品的設計、生產(chǎn)、使用幾個方面出發(fā)，分析其自主可控性、設計合理性和工藝可靠性。

2.1 評估國產(chǎn)元器件自主可控性

通過芯片檢查，了解不同類型國產(chǎn)元器件主要設計制造方的芯片工藝水平及芯片版圖設計風格。對其人員、生產(chǎn)線、原材料采購途徑等進行調研，評估該型號器件自主可控性。

典型國產(chǎn)集成電路芯片版圖及標識見圖2。

圖2 不同生產(chǎn)方芯片局部照片

2.2 分析元器件設計合理性

元器件種類繁多，不同類型器件的結構設計和選材各不相同。同類型元器件由于生產(chǎn)方不同，產(chǎn)品結構設計和原材料選用亦有所區(qū)別。對同類型元器件進行對比，分析其不同結構元素之間的差異設計是否具有合理性，為元器件研制生產(chǎn)、工藝改進及成本降低提供參考。對不同類型元器件相似結構要素的多種設計形式進行合理性分析，為工藝細節(jié)設計改進提供更多的思路。

案例1：

圖3所示為兩款不同型號光電耦合器的X射線檢查照片[9]。兩款器件均為發(fā)光二極管與下方光敏三極管相對安裝的結構。

圖3 X 射線照片 (a) *4 型光電耦合器YI 方向；(b) *4 型光電耦合器XI 方向；(c) *7 型光電耦合器YI 方向；(d) *7 型光電耦合器XI 方向

其中，*7型為單一發(fā)光二極管結構，*4型為雙發(fā)光二極管結構。通過開封以后對器件發(fā)光二極管及光敏三極管進行顯微鏡檢查和EDS能譜分析，發(fā)現(xiàn)兩款器件發(fā)光二極管和光敏三極管尺寸及材料不盡相同。為保證器件性能，發(fā)光二極管的出射光通量應盡可能被三極管光敏面全部接收并轉化為盡可能大的光電流。*4型采用兩只小發(fā)光管設計來增加出射光通量，但匹配了光敏面積更小的三極管，這樣一來該設計對三極管光敏材料的吸收效率提出了更高要求，勢必增加三極管制造成本。此外，雙發(fā)光管設計還會增加發(fā)光二極管襯底材料和貴金屬的用量，延長黏接及鍵合工序的作業(yè)時間。若兼顧器件性能和生產(chǎn)成本，該結構設計可能仍具備優(yōu)化空間。

案例2：

某些元器件內部不同位置流經(jīng)的電流密度差異較大，對互連結構局部最大電流載荷提出了不同要求[10]。在兼顧鍵合絲用料成本的前提下，設計方通常采用兩種解決方式。一種方式是在不同電流密度位置選用不同線徑鍵合絲，另一種方式是在大電流途經(jīng)位置采用多絲鍵合并聯(lián)分流的方式。

圖4所示為兩種不同型號低壓差線性穩(wěn)壓器的內部結構。圖中可見兩款器件采用了不同的鍵合絲設計選型方式，其中圖4（a）器件選取了25μm和47μm兩種線徑的金鍵合絲，在小電流位置采用細絲以降低成本，圖4（b）器件在輸入端和輸出端分別采用雙硅鋁絲鍵合來滿足局部輸入輸出大電流的要求。

圖4 兩款低壓差線性穩(wěn)壓器

2.3 評價元器件制備工藝可靠性

元器件制備工藝復雜，加之材料特性、界面狀態(tài)的影響，使得部分制造工序的某些工藝項存在可靠性風險，易造成元器件早期失效[11-12]。如金鋁鍵合因金屬間化合物的產(chǎn)生而導致可靠性降低，銅絲鍵合易產(chǎn)生彈坑而導致失效等。在進行結構分析時，需要對元器件常見失效模式和可靠性風險有充分了解，并對器件結構相應環(huán)節(jié)予以重點關注。圖5為芯片上金鋁鍵合不良案例。圖6和表1為金鋁鍵合缺陷能譜分析結果。圖中可見，芯片內鍵合點金絲熔球與鍵合區(qū)鋁層接觸面產(chǎn)生了脆性金屬間化合物。該鍵合狀態(tài)在器件經(jīng)歷嚴苛使用環(huán)境時較易發(fā)生開路失效。

圖5 某型號32 位微控制器金鋁鍵合

圖6 能譜采集圖

表1 鍵合區(qū)異常位置能譜分析數(shù)據(jù)

3 結語

全面開展國產(chǎn)電子元器件應用驗證結構分析工作，利用多種試驗手段及設備，對全品類元器件的結構、材料和工藝進行檢查，從設計、制造、過程控制等角度分析驗證器件設計生產(chǎn)的自主可控性、結構及功能設計的合理性以及制備工藝、器件結構的可靠性。

通過本階段的結構分析工作，我們對當前裝備用國產(chǎn)電子元器件的主要研制單位、工藝制造水平、產(chǎn)品結構特征有了較全面的了解，為各裝備應用需求單位盡快實現(xiàn)進口器件國產(chǎn)化替代的設計選型工作提供了可靠的技術參考。

目前已完成的結構分析工作為后續(xù)結合元器件電性能測試和模擬實用環(huán)境的功能測試結果編制應用驗證分析報告及元器件應用指南提供了素材，豐富了應用驗證工作的成果。而隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展，必將有越來越多的研制單位不斷設計制造出更多性能更優(yōu)越的新器件?，F(xiàn)階段的結構分析工作也能為今后持續(xù)深入地開展新研元器件鑒定檢驗、工藝改進等提供思路。