軍用單片集成電路QML質(zhì)量保證體系研究

顏 燕，帥 喆，潘美雄，林 霞

（中國電子科技集團公司第58研究所，江蘇 無錫，214035）

1 QML質(zhì)量保證體系的來歷

軍用單片集成電路質(zhì)量保證體系經(jīng)歷了由QPL（Qualified Product List，合格產(chǎn)品目錄）體系到QML（Qualified Manufactures List，合格制造商目錄）體系的轉(zhuǎn)變過程，前者側(cè)重通過產(chǎn)品最終檢驗來確保產(chǎn)品的質(zhì)量滿足軍用可靠性要求，后者側(cè)重通過規(guī)范產(chǎn)品承制商的設(shè)計制造過程使其具備生產(chǎn)滿足軍用可靠性產(chǎn)品的能力。二者在基本理念和實施方法上有很大差異。

MIL-M-38510是美國軍用半導(dǎo)體集成電路進行生產(chǎn)檢驗以及QPL認證的標(biāo)準。我國目前使用的GJB597A-1996《半導(dǎo)體集成電路總規(guī)范》就等效于MIL-M-38510。MIL-M-38510把器件的質(zhì)量保證等級分為B級（軍級）、S級（宇航級）。通常，根據(jù)鑒定的方式，MIL-M-38510產(chǎn)品有兩類，一類為“QPL-M -38510”產(chǎn)品，即完全按MIL-M-38510要求經(jīng)過第三方鑒定機構(gòu)對產(chǎn)品及產(chǎn)品生產(chǎn)過程進行認證鑒定合格的、打印軍用標(biāo)志“JAN”的產(chǎn)品，產(chǎn)品列入QPL（Qualified Products list，合格產(chǎn)品一覽表）。此類產(chǎn)品經(jīng)過篩選、質(zhì)量一致性檢驗等程序，經(jīng)過抽樣進行電性能測試、封裝可靠性試驗、壽命試驗、環(huán)境適應(yīng)性試驗，被認定為高質(zhì)量、高可靠性的軍用產(chǎn)品，推薦給軍隊和航天使用。另一類是按MIL-M-38510生產(chǎn)，且滿足MIL-STD-883《微電子器件試驗方法》規(guī)定，但沒經(jīng)過專門機構(gòu)認證鑒定的產(chǎn)品，俗稱“883級”產(chǎn)品，屬“準高可靠性產(chǎn)品”。兩者的差異僅在于前者經(jīng)過專門的機構(gòu)對產(chǎn)品及生產(chǎn)過程進行認證和鑒定，而883級產(chǎn)品的生產(chǎn)商不需經(jīng)過認證，其生產(chǎn)和檢驗過程由自己按MIL-M-38510和MIL-STD-883要求控制，不需專門權(quán)威機構(gòu)監(jiān)控認可。

QPL體系對確保軍品質(zhì)量可靠性發(fā)揮了巨大作用，但也存在局限性，主要表現(xiàn)在兩個方面：一是不太適用于軍用定制集成電路（ASICs）的認證。ASICs具有多品種、小批量的特點，對每個品種進行QPL認證要求抽樣檢驗，導(dǎo)致認證成本急劇增加，超出許多承制商的承受能力；二是QPL體系沒有覆蓋產(chǎn)品的設(shè)計過程，不能從源頭把好質(zhì)量關(guān)。

美國羅姆航空研發(fā)中心（Rome Air Development Center，簡稱RADC）被公認為QML活動的發(fā)起組織，在早期和GE、AT&T、Honeywell等公司簽訂了試點項目。隨后軍方頒布了MIL-I-38535標(biāo)準，后改為MIL-PRF-38535標(biāo)準，積極推行QML認證方式。考慮到標(biāo)準的延續(xù)性，MIL-M-38510中的部分內(nèi)容并入MIL-PRF-38535成為其附錄A。

MIL-PRF-338535將質(zhì)量等級劃分為七個：S級水平（含S級產(chǎn)品、V級產(chǎn)品）、B級水平（含B級產(chǎn)品、Q級產(chǎn)品）、T級、N級、M級。

V級、S級：完全滿足MIL-PRF-38535的S級水平要求，同時滿足附錄B《航天應(yīng)用》要求的產(chǎn)品，其中S級為MIL-M-38510的過渡。

Q級、B級：完全滿足MIL-PRF-38535的B級水平要求，B中S級為38510的過渡。

T級：按用戶要求確立的技術(shù)流程、在QML線上生產(chǎn)的產(chǎn)品，須經(jīng)相關(guān)部門批準才可應(yīng)用在航天衛(wèi)星等工程上。俗稱“合同級”。

N級：按MIL-PRF-38535要求生產(chǎn)的塑封器件。

M級：滿足MIL-PRF-38538附錄A《B級水平及S級水平規(guī)范要求》要求，生產(chǎn)檢驗不需專門機構(gòu)監(jiān)控，相當(dāng)于MIL-M-38510的“883級”。

MIL-PRF-38535規(guī)定了軍用半導(dǎo)體集成電路制造過程的通用要求及電路應(yīng)滿足相應(yīng)質(zhì)量和可靠性保證要求。承制方按其要求通過認證鑒定后將被列入QML，符合QML認證基線要求的產(chǎn)品稱為QML產(chǎn)品。

2 QML認證與QPL認證的差異

QML認證與QPL認證的差異主要體現(xiàn)在以下三方面：

（1）QPL認證的對象是產(chǎn)品，主要關(guān)注產(chǎn)品與制造基線的符合性，以及產(chǎn)品的鑒定檢驗，最終通過檢驗的產(chǎn)品列入QPL；QML認證的對象是產(chǎn)品及其承制商，更多關(guān)注的是對與產(chǎn)品實現(xiàn)相關(guān)的所有“模塊”（設(shè)計、掩模、晶圓、組裝/封裝、檢測）廠商進行能力認證，產(chǎn)品通過鑒定檢驗后，廠商、產(chǎn)品均列入QML。

（2）由于QPL認證是針對具體產(chǎn)品的認證，生產(chǎn)線的維持有賴于實際產(chǎn)品來進行。QML鑒定是針對廠商和產(chǎn)品的認證，生產(chǎn)線的維持可通過由工藝實現(xiàn)的標(biāo)準評價電路（SEC）來維持。

（3）QPL僅能覆蓋所鑒定的產(chǎn)品和符合擴展規(guī)定的有限產(chǎn)品，QML能覆蓋已鑒定工藝下所生產(chǎn)的所有產(chǎn)品。只要通過QML鑒定，則在認證有效期內(nèi)，凡采購這些已鑒定合格的工藝、材料、制造基線的其他型號產(chǎn)品，不再單獨進行鑒定檢驗，只需做質(zhì)量一致性檢驗即可成為QML產(chǎn)品。

總之，QML認證引導(dǎo)承制商更多關(guān)注產(chǎn)品的實現(xiàn)全過程，對電路制造商的工藝能力提出了更高要求（例如對晶圓制造商TCV、PM的要求），促進了單片集成電路的可靠性設(shè)計技術(shù)和失效分析技術(shù)的發(fā)展。如果說在QPL體系中，質(zhì)量是檢測出來的，那么在QML體系中，質(zhì)量是設(shè)計（芯片設(shè)計和工藝設(shè)計）出來的。

3 QML認證流程

MIL-PRF-38535為產(chǎn)品建立和實施質(zhì)量保證提供了應(yīng)遵循的基本要求。它以提高產(chǎn)品可靠性為目的，特別強調(diào)生產(chǎn)相應(yīng)質(zhì)量等級產(chǎn)品的綜合能力，包括設(shè)計制造能力、過程控制能力及系統(tǒng)管理能力，而能力的維持有賴于一個管理體系，即“OML體系”，通過第三方權(quán)威機構(gòu)對體系的審核及對驗證樣品的鑒定，完成對能力水平的確認并實施監(jiān)督。圖1給出產(chǎn)品承制方被列入QML的簡要流程。圖中可以看出，要成為生產(chǎn)“QML器件”的承制方必須具備以下基本條件：硬件具有符合38535標(biāo)準要求的生產(chǎn)設(shè)施、試驗設(shè)備；軟件具有符合38535標(biāo)準要求的“QML體系”，體系通過專門機構(gòu)的認證；驗證樣品通過38535標(biāo)準要鑒定檢驗。

圖1 承制方被列入QML的簡要流程

4 QML體系要求

QML體系認證是以制造基線的認證為依據(jù)，從設(shè)計、晶圓制備、封裝等各個工藝過程提出具體要求，強調(diào)工藝在線監(jiān)控、統(tǒng)計過程控制等，以保證電路的質(zhì)量和可靠性。

完整的QML認證程序分兩個階段：認證和鑒定。認證是鑒定機構(gòu)對生產(chǎn)線有能力生產(chǎn)高質(zhì)量和符合通用規(guī)范要求的器件進行證實和認可的過程；鑒定是對已認證合格生產(chǎn)線的能力進行實際證明，該過程由鑒定機構(gòu)對首批生產(chǎn)的驗證樣品（也可以是實際器件）進行鑒定檢驗來實現(xiàn)。按基線分別審查，對整個技術(shù)流程進行認證。在確立基線和基線產(chǎn)品時，要特別考慮技術(shù)范圍內(nèi)和能力的覆蓋性。

4.1 QML體系的建立

如圖1所示，QML體系由質(zhì)量保證大綱（或稱QM計劃，Quality management plan）、體系自我評價系統(tǒng)（依靠TRB來執(zhí)行）及評價程序、QML制造基線組成。

QML體系與ISO9000所述質(zhì)量體系不同，這里的QML體系是指為保障產(chǎn)品質(zhì)量可靠性水平，按MIL-PRF-38535標(biāo)準而建立的包含設(shè)計制造能力、過程控制能力及系統(tǒng)管理能力要素在內(nèi)的質(zhì)量管理系統(tǒng)，我們稱之為“OML體系”。它是以質(zhì)量等級實現(xiàn)為目的而建立的過程控制系統(tǒng)或質(zhì)量保證系統(tǒng)。“OML體系”必須通過驗證樣品（SEC或?qū)嶋H產(chǎn)品）的設(shè)計、掩模制備、晶圓制造、封裝及試驗等完整的制造流程來驗證，以確認體系與標(biāo)準的符合性及制造相應(yīng)質(zhì)量等級產(chǎn)品的能力。同時，將全過程中按MIL-PRF-38535要求所采用的控制管理手段、方法轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品的制造規(guī)范，我們稱之為制造基線。QML體系為使其基線內(nèi)產(chǎn)品生產(chǎn)能連續(xù)符合產(chǎn)品規(guī)范要求的質(zhì)量提供了保證系統(tǒng)。“OML體系”與ISO9000相同之處在于都要有一定組織機構(gòu)作支撐，建立體系運行管理制度，建立內(nèi)審機制對體系進行自我評價等等，其目的是為了保障體系正常有效地運行。而且都要取得第三方權(quán)威機構(gòu)的認證，合格后將頒發(fā)證書。通過MIL-PRF-38535的QML體系認證，驗證樣品通過QML鑒定后，承制方將被列入合格制造廠目錄（QML），在其體系和工藝基線內(nèi)的產(chǎn)品將被打印上QML產(chǎn)品的特別標(biāo)志。

質(zhì)量保證大綱是承制方建立和實施質(zhì)量保證體系所遵循的基本要求，用以系統(tǒng)說明承制方QML生產(chǎn)線的全部質(zhì)量管理活動，評價系統(tǒng)和程序則用來評價生產(chǎn)線的運行狀況的規(guī)定。它是文件化的QML體系。質(zhì)量保證大綱的內(nèi)容主要包括QML體系內(nèi)組織結(jié)構(gòu)圖、人員培訓(xùn)和考核程序、對用戶要求的轉(zhuǎn)化程序、質(zhì)量改進程序、失效分析程序、過程控制程序、糾正措施程序、更改控制程序、SEC和TCV評定程序、認證和鑒定試驗方案制定程序、數(shù)據(jù)保存程序、體系內(nèi)審程序、設(shè)備校準程序、環(huán)境控制程序、新技術(shù)確認程序、制造基線文件目錄等。認證時，質(zhì)量保證大綱應(yīng)提交鑒定機構(gòu)審查。

TRB（Technology Review Board，技術(shù)審查委員會)，是建立QML體系并對認證的技術(shù)流程實施監(jiān)測、評價和控制的組織機構(gòu)。其職能是負責(zé)質(zhì)量保證大綱的建立，所有認證和鑒定工藝的維持、更改控制、可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、失效分析、糾正措施、QML器件召回程序的制定以及工藝狀態(tài)的鑒定等等。TRB要定期向鑒定機構(gòu)通報QML生產(chǎn)線和產(chǎn)品的最新信息。

QML制造基線是以文件的形式對生產(chǎn)QML產(chǎn)品時所必須的制造操作順序及控制進行的描述（可用流程圖的格式或隨工單的格式），從原材料采購和檢驗、生產(chǎn)過程、生產(chǎn)環(huán)境、生產(chǎn)控制相關(guān)的所有文件都采用名稱、編號在基線中予以標(biāo)識或說明，包括引用的內(nèi)、外部文獻。QML制造基線必須充分反映QML器件的全部制造過程，顯示所有制造、檢驗、測試控制點及所有原料、部件進入流程的位置。

4.2 QML體系的認證

QML體系認證，是鑒定機構(gòu)對承制商QML制造基線能力的審查和確認。這里的“能力”是指承制方生產(chǎn)“S級水平”或“B級水平”器件的技術(shù)能力、過程控制能力和管理能力。認證由第三方權(quán)威機構(gòu)對承制方進行文件審查及制造基線能力確認。文件審查包括QML質(zhì)量保證大綱及與大綱相關(guān)聯(lián)的技術(shù)管理規(guī)定。

QML大綱的審查，主要審查QML質(zhì)量保證大綱是否按MIL38535的要求，對失效機理的計算/評估、特性表征計劃、鑒定計劃和內(nèi)審等一系列活動進行了規(guī)定，在認證前提交并通過鑒定機構(gòu)的批準。管理能力審查，管理能力反映在與QML質(zhì)量保證大綱相鏈接的過程管理程序和規(guī)定中，通過對管理程序的審查以確認承制方的質(zhì)量管理能力。

基線能力是制造過程技術(shù)能力和控制能力的體現(xiàn)。技術(shù)能力包括（通過驗證樣品反映）制造流程、設(shè)計規(guī)則、電特性和工藝信息。過程控制能力指制造過程中所運用的控制手段，包括統(tǒng)計過程控制（SPC）和在線監(jiān)控，在線監(jiān)控包括可靠性表征結(jié)構(gòu)（TCV，technology characterization vehicle）控制、標(biāo)準評價電路（SEC）以及工藝監(jiān)測圖形（PM，parametric monitor）控制。對于“S級水平”QML認證，先要向鑒定機構(gòu)提供一份設(shè)計和工藝制造技術(shù)清單，其次，提供一份晶圓制造和封裝過程SPC或在線監(jiān)控項目或參數(shù)清單。清單內(nèi)容在MIL38538附錄H中有明確的規(guī)定。所以，在編制QML質(zhì)量保證大綱時，要對整個制造過程的控制要求做出具體的規(guī)定和描述，哪些工藝和參數(shù)采用SPC控制，哪些采用在線監(jiān)控以便作為鑒定機構(gòu)審查的依據(jù)。對制造能力進行評估的測試結(jié)構(gòu)，其用途見表2。

4.3 QML產(chǎn)品的鑒定

QML鑒定是對制造能力和符合性的證明。承制方在認證的生產(chǎn)線上采用標(biāo)準評價電路（SEC）作為驗證樣品，按QML中S級水平或B級水平要求的流程完成相應(yīng)的篩選和鑒定檢驗。標(biāo)準評價電路（SEC）必須具有包含認證的技術(shù)和工藝，用以證明QML生產(chǎn)線技術(shù)制造工藝的可靠性。它可以是專門設(shè)計的質(zhì)量與可靠性的監(jiān)控樣品，也可以是系統(tǒng)中使用的實際產(chǎn)品。QML驗證樣品的設(shè)計、晶圓制備、組裝和鑒定檢驗應(yīng)認證證書后的6個月內(nèi)進行并及時完成鑒定，否則需重新認證。

表1 制造過程能力認證項目

表2 測試結(jié)構(gòu)的用途

用于QML鑒定的驗證樣品為標(biāo)準評價電路（SEC），SEC可以是專門設(shè)計的質(zhì)量與可靠性的監(jiān)控樣品，也可以是系統(tǒng)中使用的實際產(chǎn)品的代表品種，都應(yīng)寫入鑒定檢驗大綱中。代表品種必須具有承制方所供貨器件的復(fù)雜度。每一種樣品的性能應(yīng)與器件詳細規(guī)范相一致，并符合輻射加固工藝（應(yīng)提交鑒定機構(gòu)）的要求，所用外殼應(yīng)檢驗合格。如果是專為QML鑒定設(shè)計的質(zhì)量與可靠性的監(jiān)控樣品，必須是包含準備認證的技術(shù)或工藝的SEC，可用于證明技術(shù)或制造工藝的可靠性。SEC應(yīng)包含下述要求：

復(fù)雜度：數(shù)字器件SEC的復(fù)雜度應(yīng)至少包括QML線上要制造的最大規(guī)模器件所含晶體管數(shù)目的一半。對于模擬器件，SEC應(yīng)體現(xiàn)工藝技術(shù)流程的功能，具有典型的復(fù)雜度，并且電路單元由電路的主要類型組成。

功能性：SEC應(yīng)該是包含全功能電路，其測試和篩選應(yīng)采用與QML器件相同的方式。

設(shè)計：SEC的設(shè)計應(yīng)重點突出設(shè)計能力，SEC的結(jié)構(gòu)應(yīng)有助于失效的判別。

制造：SEC應(yīng)在申請或已經(jīng)獲得QML認證的晶圓生產(chǎn)線上進行加工。

封裝：SEC應(yīng)封裝在檢驗合格的外殼中。

5 結(jié)束語

QML體系是在產(chǎn)品鑒定的基礎(chǔ)上，在制造環(huán)境中引入質(zhì)量管理（QM）大綱，其關(guān)鍵內(nèi)容是建立統(tǒng)計過程控制（SPC）、現(xiàn)場失效反饋程序、糾正措施程序以及改進產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性所需要的方法，并要求各級管理部門和非管理部門都積極參與質(zhì)量管理活動。

通過QML認證后，凡列入QML的承制方則不需要對每個器件進行大量的最終產(chǎn)品的鑒定試驗和質(zhì)量一致性檢驗即可在生產(chǎn)的器件上使用QML認證標(biāo)志。而離線試驗的減少將由在線監(jiān)控和統(tǒng)計過程控制（SPC）所替代，工藝可靠性用替代器件（如SEC）來評估。SEC的引入，不僅節(jié)約了生產(chǎn)成本，而且把重點從對單一器件的鑒定（相對GJB597）轉(zhuǎn)移到對工藝技術(shù)、管理控制能力的認證和鑒定，這將加速器件邁向高質(zhì)量和高可靠的步伐。

[1] Charles G. Messenger. The QML System for Monolithic Microcircuits[J]. IEEE CIRCUITS AND DEVICES MAGAZINE,1990.

[2] DLA Land and Maritime. GENERAL SPECIFICATION FOR INTEGRATED CIRCUITS (MICROCIRCUITS)MANUFACTURING[J]. MIL-PRF-38535H,2007.