江徽，虞勇堅，王鵬飛，王倩倩，宋國棟

（中國電子科技集團公司第五十八研究所，無錫 214035）

前言

實現(xiàn)國產(chǎn)化元器件全面自主可控，提高自主研發(fā)能力，在關(guān)鍵領(lǐng)域突破前沿技術(shù)，實現(xiàn)國產(chǎn)化元器件的平穩(wěn)替代，是每個相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈與企業(yè)肩負的“特殊使命”。而截至目前多個領(lǐng)域的元器件整體國產(chǎn)化率低于10 %，在高端智能器件、大容量存儲器件、新型傳感通信器件等領(lǐng)域，國產(chǎn)率甚至還未實現(xiàn)零的突破。因此，在元器件領(lǐng)域想要徹底走通國產(chǎn)化之路，全面實現(xiàn)自主可控任重而道遠[1]。

造成目前各領(lǐng)域國產(chǎn)化元器件國產(chǎn)率低原因，主要包括生產(chǎn)階段面臨的質(zhì)量問題以及應(yīng)用階段面臨的可靠性問題[2]。在生產(chǎn)階段主要涉及材料、設(shè)計、制造、封裝等方面的諸多差異性，如工藝穩(wěn)定性差，過程管理不完善，核心技術(shù)能力缺失等原因引發(fā)，使得在國產(chǎn)化元器件替代過程中面臨多重阻礙[3]。除了生產(chǎn)階段面臨的問題，國產(chǎn)化元器件后端導(dǎo)入與應(yīng)用過程中也面臨諸多挑戰(zhàn)，如可靠性保障、環(huán)境適應(yīng)性水平、長期壽命能力等。導(dǎo)致終端應(yīng)用企業(yè)不敢直接導(dǎo)入與使用[4]。

因此，如何解決國產(chǎn)化元器件在生產(chǎn)階段和應(yīng)用階段面臨的問題與挑戰(zhàn)，就需要我們探索與建立一套系統(tǒng)的國產(chǎn)化元器件替代可靠性評價與驗證體系，促進與保障元器件國產(chǎn)化進程。本文通過對國產(chǎn)化元器件選型標準與供應(yīng)商管理，國內(nèi)外元器件性能與結(jié)構(gòu)比對分析，板級應(yīng)用層面的可靠性驗證與評價等相關(guān)技術(shù)內(nèi)容的研究，構(gòu)建了一套系統(tǒng)的國產(chǎn)化元器件替代可靠性評價與驗證體系，為國產(chǎn)化元器件導(dǎo)入與應(yīng)用評價提供指導(dǎo)。

1 可靠性評價與驗證體系概述

為了全面的保障國產(chǎn)化元器件的設(shè)計、生產(chǎn)、測試、應(yīng)用等各個環(huán)節(jié)的可靠性，構(gòu)建了一種新型的國產(chǎn)化元器件可靠性與評價體系，如圖1 所示，通過不斷的凝練、優(yōu)化與延伸已經(jīng)實現(xiàn)軍民通用，可以全方位的保障國產(chǎn)化元器件的安全應(yīng)用。國產(chǎn)化元器件替代可靠性評價與驗證體系的設(shè)計思路與研究路線，主要是基于預(yù)先制定合理的國產(chǎn)化元器件的選型指引標準，從選型起始就對國產(chǎn)化元器件進行標準化的質(zhì)量控制。同時針對設(shè)計廠、生產(chǎn)廠以及測試廠等供應(yīng)商，構(gòu)建特定的質(zhì)量保障能力審核體系，以保障元器件在生產(chǎn)過程中的質(zhì)量一致性與穩(wěn)定性。其次，通過元器件性能與結(jié)構(gòu)的比對分析，全面了解和評估原位替代的國產(chǎn)元器件與進口元器件在性能參數(shù)、微觀結(jié)構(gòu)等之間的差異性。為國產(chǎn)化元器件在應(yīng)用時，進行PCBA 板卡或相關(guān)子系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化提供支撐。最后，基于產(chǎn)品特定的應(yīng)用場景，結(jié)合環(huán)境應(yīng)力、電應(yīng)力以及綜合應(yīng)力等加速故障激發(fā)試驗，建立完整的板級應(yīng)用評價方法。綜合的分析國產(chǎn)化元器件引入的風(fēng)險，以保障用戶對國產(chǎn)化元器件的放心使用。

圖1 國產(chǎn)化元器件替代可靠性評價與驗證體系技術(shù)路線圖

2 元器件選型標準制定與供應(yīng)商管理

元器件選型標準的制定是國產(chǎn)化元器件導(dǎo)入質(zhì)量與可靠性控制的第一道保障，國產(chǎn)化元器件導(dǎo)入時，應(yīng)優(yōu)先進行相關(guān)選型標準的調(diào)研比對，確定元器件選型的一般要求與關(guān)鍵點，了解特定國產(chǎn)化替代元器件的核心的參數(shù)指標?；谔崛〉年P(guān)鍵參數(shù)，引入小批量產(chǎn)品進行極限摸底測試，主要包括電測試、結(jié)構(gòu)表征以及特殊應(yīng)力極限測試等[5]。最后，結(jié)合產(chǎn)品的實際應(yīng)用需求和極限測試標準結(jié)果，重新制定國產(chǎn)化元器件關(guān)鍵參數(shù)指標和預(yù)警界限，以保障國產(chǎn)化元器件引入初期的可靠性[6]。

如圖2 所示，是針對某款國產(chǎn)MCU 進行某個關(guān)鍵參數(shù)指標和預(yù)警界限的制定方法，通過步進式寬溫區(qū)電測試的方式，進行極限摸底測試與關(guān)鍵參數(shù)提取。結(jié)果顯示，該款國產(chǎn)MCU 在低溫電測試階段LIRC 參數(shù)出現(xiàn)較大偏離，且在-10 ℃時參數(shù)偏離度達20 %以上，同比進口的MCU 在-10 ℃條件下LIRC 參數(shù)＜5 %。鑒于此，針對國產(chǎn)MCU 的選型標準關(guān)鍵參數(shù)指標和預(yù)警界限在低溫階段的制定，可定義為關(guān)鍵參數(shù)為LIRC參數(shù)，在-10 ℃情況下LIRC 參數(shù)偏移率不應(yīng)超過5 %為預(yù)警界限，其他關(guān)鍵參數(shù)提取和預(yù)警界限的制定，都可以參照執(zhí)行。

圖2 MCU 低溫下LIRC 參數(shù)偏離率隨溫度變化曲線圖

供應(yīng)商管理可通過設(shè)定關(guān)鍵的考核指標，定期進行針對性質(zhì)量審核，指導(dǎo)技術(shù)人員考核供應(yīng)商生產(chǎn)過程中的產(chǎn)品質(zhì)量管理能力，以保障國產(chǎn)化元器件設(shè)計、生產(chǎn)制造以及測試過程中各個環(huán)節(jié)的質(zhì)量保障與一致性。如表1 所示，是針對某款國產(chǎn)MCU 各階段供應(yīng)商的部分管理審核要點與相關(guān)指標要求規(guī)范，可分為必選考核項與可選考核項，通過對各階段的審核結(jié)果進行分析，對設(shè)計、生產(chǎn)制造以及測試各個階段風(fēng)險進行綜合評估，制定相應(yīng)的改善措施，全面保障國產(chǎn)化元器件的多環(huán)節(jié)質(zhì)量可靠性保障[7]。

表1 供應(yīng)商管理部分審核要點與相關(guān)指標

3 國內(nèi)外元器件性能與結(jié)構(gòu)的比對分析

國產(chǎn)化元器件生產(chǎn)過程中，同進口元器件生產(chǎn)工藝相比存在著巨大差異性。因此，在進行原位替代的過程中，應(yīng)對國產(chǎn)元器件與進口元器件的性能與微觀結(jié)構(gòu)進行比對分析，主要可以通過基本的電性能參數(shù)比對（電測試實現(xiàn)）、DPA 微觀結(jié)構(gòu)比對、結(jié)構(gòu)分析比對以及老煉篩選等技術(shù)手段，明確國產(chǎn)化元器件的潛在缺陷，優(yōu)化系統(tǒng)級設(shè)計保障，提升國產(chǎn)化元器件應(yīng)用可靠性[8]。如圖3 所示，是某款原位替代的國產(chǎn)MCU 與進口MCU的微觀結(jié)構(gòu)的比對結(jié)果，結(jié)果顯示，國產(chǎn)MCU 的鈍化層相比于進口MCU 少一層PI 膠保護層，通常而言PI 膠保護，對水汽防護、應(yīng)力防護效果更好。同時芯片粘接層進口元器件Ag 漿的厚度H=23.45 μm，而國產(chǎn)元器件的Ag 漿的厚度H=13.40 μm，從而造成國產(chǎn)元器件的散熱與穩(wěn)定性較差。鑒于此，在后期國產(chǎn)MCU 進行原位替代時，應(yīng)對水汽、應(yīng)力防護以及散熱方面做設(shè)計優(yōu)化，提升整個系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性。

圖3 進口與國產(chǎn)元器件縱切微觀表征圖

4 板級應(yīng)用的驗證與故障激發(fā)

國產(chǎn)化元器件的可靠性水平最直觀的體現(xiàn)在于板級應(yīng)用過程中的質(zhì)量穩(wěn)定性，如圖4 所示，明確了一些典型的國產(chǎn)化元器件板級應(yīng)用可靠性測試項目，可以針對國產(chǎn)化替代元器件在應(yīng)用過程中可能出現(xiàn)的環(huán)境應(yīng)力（電應(yīng)力、機械應(yīng)力、熱應(yīng)力等）進行調(diào)研分析，基于電應(yīng)力試驗、熱應(yīng)力試驗、綜合應(yīng)力試驗以及其它應(yīng)力試驗四個驗證方向，依托調(diào)研結(jié)果合理選擇測試項目，繼而設(shè)計特定的評估方案以及相關(guān)試驗剖面，對國產(chǎn)化元器件板級應(yīng)用的環(huán)境適應(yīng)性與電裝特性進行評估，來綜合評價國產(chǎn)化關(guān)鍵芯片在板級上的應(yīng)用可靠性，同時可通過調(diào)節(jié)應(yīng)力上下限要求進行板級可靠性篩選，提前發(fā)現(xiàn)和剔除早期的故障，以保障國產(chǎn)化元器件應(yīng)用過程中的長期可靠性與穩(wěn)定性。

圖4 國產(chǎn)化元器件板級應(yīng)用的驗證與評價典型測試項目

5 總結(jié)

本文通過對國產(chǎn)化元器件選型標準的制定、供應(yīng)商管理與審核辦法的優(yōu)化、國內(nèi)外元器件性能與結(jié)構(gòu)的差異性分析、板級應(yīng)用可靠性驗證與評價等部分的技術(shù)研究，建立了系統(tǒng)性國產(chǎn)化元器件替代可靠性評價與驗證體系，可以全面地評估國產(chǎn)化元器件引入帶來的風(fēng)險，提升各層級、各階段的國產(chǎn)化元器件的可靠性控制水平，對國產(chǎn)化元器件的導(dǎo)入與應(yīng)用評價起到了極大的指導(dǎo)與支撐作用。