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集成电路可靠性升级试验 |
1． 集成电路质量等级介绍
半导体集成电路的固有可靠性主要取决于制造时的设计和生产过程，按制造时的设计和生产过程执行的标准，质量等级从高到低可以分为3类：军用标准级、军用标准筛选级和企业标准级。
1．1 QPL体系中的S级和B级
按照MIL－M－38510的规定，电路的质量等级从高到低分为S级和B级，不同等级的电路在其生产工艺控制中有相关的要求，等级高的电路其要求也越高。同时在电路的工艺筛选中其要求也不一样，在MIL－STD－883方法5004筛选程序的表1中可以看出S级和B级在筛选中的差别。
1．2 QML体系中的Q级、V级等质量等级
在QML体系中，按照MIL－PRF－38535的规定，质量等级从高到低有Q级和V级。由于实行生产线认证，只要生产线被确认为Q级，则在此生产线上按MIL－PRF－38535标准要求生产的电路即被称为Q级，V级也是如此。
1．3 883级
所谓883级电路是指有资格打上“883”标识的电路，这种资格的要求比较复杂，简而言之，就是能够满足MIL－STD
－883中1.2.1和 1.2.2条要求的电路［1］。这种电路在生产工艺控制上比较严格，但是在筛选试验方面比较简单，有些重要的筛选项目多数未进行，如功率老化、高低温测试等。
1．4 其它
电路的等级还有工业级等较低的质量等级，用户和独立试验室往往将升级后的电路命名为新的质量等级，如883级电路按B级筛选条件附加一定的B组检验和DPA，被某些独立试验室称为Vender
B级(即用户B级)。此外还有S+ B+、883＋和Vender S等等质量等级。
2． 可靠性升级试验
这里的所谓升级就是指把原来处于一定质量等级的一批电路，通过一系列的试验、分析使它高于原来的质量等级。实际上，集成电路的个体质量等级在设计、生产中已经确定，个体的质量等级从它形成产品时就已经固定下来。对于上述各种等级的一批电路，如用户对其批次的固有质量等级不满意，就可以采取一定的技术手段，使之“升级”。
国内外许多高可靠工程在选用电路时均遇到电路等级较低，不能满足需要的情况，在质量、价格、进度等多种因素的综合影响下，升级已得到大家的共识。但是升级的程度以及如何升级则各有其不同的确切要求和做法。
所谓“升级”，有三层含义：其一，升级本身并不能提高电路个体的等级，不能改变个体的固有可靠性；其二，通过可靠性升级将会对一批电路按一定等级要求进行某些方面的验证，会按使用要求针对性地发现问题，会产生部分早期失效阶段的信息；其三，升级试验本身也是一种“放心运动”，将起到增强使用者信心的作用。
3． 可靠性升级试验设计的
关键项目
电路的可靠性升级试验一般需要对100 %的电路进行筛选试验，并且对整批的质量和可靠性进行评价和验证。调研国外主要的专业试验室，如美国的TRWCI、GTL、IGG、BELL等，其可靠性升级试验主要包括以下3个方面的工作：
3．1 升级筛选试验(Upgrade－Screening
Test)
升级筛选试验是按照MIL－STD－883 方法5004的规定对100
%的电路进行的，以剔除早期失效的电路。对于从883级电路升级用于空间项目，由于883级电路在生产厂的生产中，许多项目的筛选试验未进行，所以在升级时至少要将883级的电路筛选情况和将升级等同的质量等级的筛选情况进行比较，补充其不足。升级筛选一般包括电参数测试、动态和静态老化、PIND、X光检查、检漏等项目。国内许多用户进口883等级的电路计划用于高可靠项目上，也采取了补充筛选的办法进行升级。
3．2 鉴定和质量一致性检验(Qualification
and Quality ConformanceProcedures)
鉴定和质量一致性检验的目的是保证电路和批的质量符合有关采购文件的要求。MIL－STD－883方法5005给出了具体的分组、抽样和试验项目等要求［1］，根据MIL－STD－883方法5005的分组性质，常采用B组检验作为升级的主要内容，一般地选择第6分组。如果用户试验特殊要求，也可以增加其它分组内容，如第1分组(b)的内部水汽含量分析。
3．3 破坏性物理分析(Destructive Physical
Analysis－DPA)
破坏性物理分析(DPA)的目的是对适用的电路的等级按照一定的抽样方案按特点的程序进行一系列的分析，以确定批次电路的符合性。在MIL－STD－883方法5009中给出了具体的程序和方法。一般情况下，DPA
选择在升级筛选试验以后抽样进行，作为工程化处理，可以在筛选试验前抽样1只进行，合格后进行筛选试验，试验后再抽样进行第二次DPA，由此可以提前发现一部分DPA不合格的批次，及时补充新的批次进行升级工作，保证升级的进度，并可以减小升级的成本。美国的GTL公司、英国的IGG公司均采用这种办法。
4． 可靠性升级试验的设计
方案设计是可靠性升级试验工作的关键，设计必须考虑以下几个方面：
4．1 升级要结合集成电路的原始质量等级
电路原始质量等级决定了电路的经历和状况。如883级的电路，其筛选项目和应力是确定的，生产厂在供货时应提供证明文件，证明其经历的筛选。但是883级电路无质量一致性检验的证明文件，一般也未进行破坏性物理分析。这些情况是电路的重要原始信息，是设计升级方案设计的重要基础。
4．2 升级要考虑用户工程特点及特殊要求
用户工程要求是升级设计的依据，如对于高可靠长寿命的卫星工程，升级设计要考虑到B组检验中增加内部水汽含量的要求，筛选中考虑颗粒碰撞噪声检测(PIND)试验的要求。
4．3 升级设计要利用生产厂产品质量信息
这项工作取决于升级设计者对生产厂工艺水平、质量保证以及以往产品质量状况的了解，在筛选、B组检验和DPA中采取针对性的措施。
5． 可靠性升级试验方式
电路的可靠性升级试验工作常常由独立试验室实施；如果用户有条件，也可以自己进行升级试验；还可以由用户委托生产厂按要求对所采购的产品进行升级。但是目前较多的是由独立试验室负责实施。独立试验室按照用户的要求和电路的原始等级情况编制可靠性升级试验工作计划，由用户确认后实施。也可以由用户提出计划交一个或者几个独立试验室实施。国外有许多这种独立试验室为用户服务。国内也有类似单位可以进行方案设计和实施。
6． 可靠性升级方法的工程应用
如何进行一种需要升级的电路工程化的实际升级操作，这就需要按照上述的要求进行工作，制定可操作的具体程序。一般地说，电路的可靠性升级试验至少应按照以下程序进行：
6．1 集成电路原始质量等级调研
到货的电路是B级还是883级，这是对项目进行具体设计的基础。可以根据到货文件来确定。
6．2 生产厂产品质量信息分析
6．3 可靠性升级试验项目的确定
一般分为升级筛选试验、B组检验和DPA。也可以取中间的一项或者两项作为实施的项目。可靠性升级试验的承担者向委托用户提出具体的方案。表1是国外某公司对用于美国宇航工程的OP
37 AZ／883升级工作陈述表［2］，规定了升级试验的筛选试验和B组检验的程序和方法，其中设计的DPA将按用户的DPA标准进行，也可以按照MIL－STD
－883方法5009的规定进行。
表1 宇航应用OP 37 A／883升级试验工作陈述
| 升级筛选 |
试验方法 |
要 求 |
筛选前 DPA
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GTL
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从将进行筛选的批次中抽样1只 |
| PIND |
2020 A |
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编号
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X光照相检查
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2012 |
2方向
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| 老化前电参数测试、记录 |
－
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按MIL－M－38510/135，A组检验中第1分组
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240小时动态老化
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1015 D
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老化后电参数测试、记录
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－
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按MIL－M－38510/135，A组检验中第1分组
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| Δ的计算 |
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PDA计算
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5 %(仅对动态老化)
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75小时静态老化
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1015 A
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静态老化后电参数测试、记录
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－
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按MIL－M－38510/135，A组检验中第1分组
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Δ的计算
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PDA计算
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5 %(仅对静态老化) |
最终电测试
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按MIL－M－38510／135，A组检验中第2、3、4、5、6分组
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细检漏和粗检漏
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1014
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标检
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合格品打绿点
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外观检查
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2009 |
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批接收试验抽样
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抽15只进行B组检验 |
DPA样品抽样
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抽3只进行DPA |
| 包装 |
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批接收试验
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试验方法
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要 求 |
B组检验前的电参数测试、记录
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按MIL－M－38510／135，A组检验中第1、2、3分组
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温度冲击
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2001 E
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100次 |
细检漏和粗检漏
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1014 |
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| B组检验后的电参数测试、记录 |
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按MIL－M－38510／135，A组检验中第1、2、3分组 |
6．4 可靠性升级试验规范的编写
要将确定的升级项目具体化，升级筛选需要列出筛选程序、采用的试验方法、是100
%还是抽样(包括抽样方案)、试验前后电参数Δ值的规定、PDA的规定、接收/拒收判据等。这些可以采用表格化流程卡形式进行具体操作，规范还应规定数据如何记录和保存等要求。试验规范是可靠性升级试验的工作大纲和要求。
6．5 可靠性升级试验实施
这是可靠性升级试验的重点，需要有满足技术条件的硬件和软件条件，需要专门的工程管理和技术人员。试验的实施要满足工作陈述的规定。在美国，有一些专业试验室从事这项工作，专业程度较高，分工比较明确，有一定的工程经验。国内也有一些单位可以实施部分升级试验，也具备了一定工程经验，并开展了大量的可靠性升级试验的工作。
在实施中要注意杜绝操作不当对电路的损伤，注意防静电等操作。
6．6 失效电路的失效分析
如果在升级试验中出现电路失效，需要对失效电路进行失效分析，失效分析程序和方法按照MIL－STD－883方法5003的规定来实施。美国有几家较有实力的专业实验室开展失效分析工作，如SEAL、Hi－rel等；国内也有实力较强的失效分析单位有能力进行电路的失效分析。
失效分析的结果将对处理整批次电路起重要作用。
7． 电路可靠性升级的工程意义
7．1 有时用户选用的并非已拥有高质量等级的电路，通过可靠性升级试验，增加了用户设计和选用的范围，从而可以满足高可靠工程型号对高可靠集成电路的需要，保证了高可靠工程的质量和可靠性水平的实现。
7．2 可以加快采购进度并降低成本。为用户提高整机可靠性水平提供一种电路选用方式，已经在国内外许多重要的高可靠工程型号中应用，满足了工程型号对电路质量可靠性的要求，满足了工程进度要求。
7．3 在实际的可靠性升级试验中，发现一些批次电路存在质量问题，如某型号进口集成电路SNJ
54 HC 151 J，在DPA中发现键合拉力不合格，决定整批电路不能在型号中使用。可靠性升级试验起到了质量把关作用。
参考文献：
［1］ MIL－STD－883，微电子器件试验方法和程序［S］.
［2］ GTL.Statement Of Woke (SOW) for OP37A／883 Upgrade
Test［Z］。 |
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