微電子器件試驗方法分析及對宇航元器件保證工作的啟示

徐吉吉 董巖磊 李艷波 李佳 李姍姍 梁宵

（中國航天標準化與產品保證研究院，北京，100071）

MIL-STD-883 《微電路試驗方法標準》 作為美軍標體系中重要的試驗方法標準，廣泛應用于各類微電子器件產品的試驗、測試及質量保證過程中。MIL-STD-883 從第一版到最新版（MIL-STD-883K），一共發布了11 個版本，最新版本MILSTD-883K 于2016 年4 月正式發布實施，在發布后，又陸續進行了3 次修訂工作，最后一個版本MIL-STD-883K CHANGE 3 于2018 年5 月發布。

“制信息權”是美軍近年來重要的戰略思想，對于“信息權”的爭奪，導致了新一輪元器件的開發高潮，反映在電子元器件開發上是尋求更高性能、更高工作溫度和更高可靠性的要求[1]，并主要體現在元器件先進封裝、更復雜的系統集成、SiC、GaN 和SOI 等新材料及新工藝應用、抗輻照能力不斷增強，納米級集成電路、大容量存儲器、高性能處理器、SiP 的需求持續增長等方面。對于不斷涌現的新型元器件，在質量保證要求上與傳統元器件也有著較大的區別，美國軍方也在尋求新的突破，并致力于如何實現新型元器件的質量控制。MIL-STD-883 也是在此背景下，隨著美國軍用電子元器件的發展推進，在不斷地更新和修訂。

MIL-STD-883K 主要修訂內容可分為試驗條件或判據更改、試驗方法重新編寫、編輯性錯誤3 種類別。對于編輯性錯誤的修訂本文不作過多介紹，MIL-STD-883K 中對于密封、可焊性、外部目檢等試驗的條件或判據作出了調整，重新編寫了內部氣氛含量、X 射線照相等試驗方法。

GJB 548B—2005 《微電子器件試驗方法和程序》 作為我國宇航元器件質量保證的重要依據，已經多年沒有換版。近年來，隨著宇航元器件向著小型化、集成化、結構功能復雜化衍變，GJB 548B—2005 中部分試驗方法中規定的設備、流程、判據等要求已經無法滿足當前對宇航元器件質量保證的要求。而與之對應的美軍標MILSTD-883K，相比于GJB 548B—2005 在許多試驗方法上已經有了較大的改變。筆者通過對MILSTD-883K 和GJB 548B—2005 的差異進行比對分析，希望為宇航元器件質量保證工作提供新的方法和思路。

1 主要試驗方法對比

1.1 密封

MIL-STD-883K 主要變化在于試驗設備和失效判據的調整。在試驗設備方面，明確了示蹤氣體氦細檢漏、光學檢漏試驗條件中質譜儀的靈敏度。針對目前美國軍用電子元器件產品能夠達到的能力及特點，對密封的失效判據進行優化調整，使其能夠滿足當下武器裝備對軍用電子元器件密封性能的需求。MIL-STD-883K 中密封試驗已經進行了15 次修訂。在MIL-STD-883K 增加了放射熱檢漏試驗和累計氦檢漏試驗。

目前我國宇航元器件采用GJB 548B—2005進行密封試驗時，細檢漏一般采用試驗條件A1或A2（示蹤氣體氦），粗檢漏一般采用試驗條件C1（碳氟化合物）。

針對宇航元器件采用的密封試驗條件，MILSTD-883K 細檢漏的失效判據和GJB 548B—2005相比有了較大的改變。首先在封裝體積的劃分上，MIL-STD-883K 以0.05cm3和0.4cm3為界限分為了3檔，詳見表1。而GJB 548B—2005 是 以0.01cm3和0.4cm3為界限分為了3 檔。此外MILSTD-883K 的漏率判據是按質量等級進行劃分的，且漏率要求遠高于GJB 548B—2005 的要求。對于粗檢漏的判據，MIL-STD-883K 和GJB 548B—2005 仍是保持一致的。

表1 MIL-STD-883K 中細檢漏失效判據

MIL-STD-883K 中增加了檢驗精度更高的累計氦檢漏試驗，并優化了試驗條件，使其更加科學化[2]。體現了美軍標對產品密封指標要求的不斷提升。

1.2 可焊性

MIL-STD-883K 對試驗程序進行了修訂。試驗程序分為浸入觀察法、球柵陣列（BGA）表面安裝法、柱柵陣列（CGA）表面安裝法等3 種。浸入觀察法主要適用于引線通孔安裝（DIP、TO、PGA 等類型封裝）、引線表面安裝（QFP等）、無引線表面安裝（LCC、LGA、QFN 等類型封裝）的封裝產品，球柵陣列/柱柵陣列表面安裝法適用于CGA/BGA 封裝類型的產品。

MIL-STD-883K 中可焊性試驗已經進行了12次修訂。MIL-STD-883K 中針對BGA／CGA 封裝提出了新的可焊性試驗方法，GJB 548B—2005 中沒有相關的規定。目前，我國宇航元器件產品中對BGA/CGA 封裝的可焊性試驗考核均按GJB 7677—2012 《球柵陣列（BGA）試驗方法》 執行。

對于BGA 封裝的可焊性試驗方法，MILSTD-883K 中的規定和GJB 7677—2012 基本保持一致。而對于CGA封裝，MIL-STD-883K 中對于失效判據的規定有著明顯的差異，BGA 封裝規定“焊球浸潤部分表面連續覆蓋新焊料涂層面積小于95%”，CGA 封裝中則規定“每個焊柱表面連續覆蓋新焊料涂層面積小于50%，浸潤角度應小于等于90°”。

1.3 內部氣氛含量

MIL-STD-883K 重新編寫了試驗方法。試驗目的中補充了一系列術語和定義；試驗設備上對于質譜儀可以讀取到最小譜范圍由1AMUs～100AMUs 提升至1AMUs～140AMUs，并增加了檢測設備極限的相關要求；失效判據中增加“任何器件的壓力差大于15%應視為失效”的要求。

MIL-STD-883K 中內部氣氛含量試驗已經進行了9 次修訂。該試驗方法相比于GJB 548B—2005中的試驗方法在試驗程序和判據上有較大差異。MIL-STD-883K 的試驗方法對應GJB 548B—2005中程序1，對于GJB 548B—2005 中程序2、程序3 的要求，MIL-STD-883K 中刪除了相關內容。

MIL-STD-883K 中試驗方法叫做內部氣氛含量，GJB 548B—2005 中試驗方法叫做內部水汽含量。顯而易見，MIL-STD-883K 中對于元器件內部除水汽要求外，對于其他氣體的含量要求也作出了相關規定。

在試驗程序上，MIL-STD-883K 中規定“其他氣體的比例（按體積）：N2，He，Mass 69，O2，Ar，H2，CO2，CH4，NH3和其他氣體，所有氣體都應被計算”，而在GJB 548B—2005 中規定了這些氣體含量大于1%才應被計算。在失效判據上，MIL-STD-883K 中規定“水汽含量≥5000ppm，氧氣含量≥10000ppm（除非氧氣是指定的成份），氟碳化合物（檢漏液）≥50ppm”均算作失效，在GJB 548B—2005 中沒有給出具體的失效判據。在各類宇航元器件產品總規范及詳細規范中，一般也只規定了水汽含量的相關要求。

1.4 X 射線檢查

MIL-STD-883K 重新編寫了試驗方法。補充了一系列術語和定義；修訂了試驗設備的要求，將試驗設備分為膠片射線照相和數字射線照相，增加了數字射線照相的相關設備要求；試驗程序中，在X射線照片質量、底片和標志、試驗計劃、操作、X射線照片分析等內容中增加了數字照相的相關要求。MIL-STD-883K 中X 射線照相試驗已經進行了10 次修訂。MIL-STD-883K 中涉及的數字照相相關內容在GJB 548B—2005 中沒有相關規定。

1.5 耐焊接熱

MIL-STD-883K 中規定了耐焊接熱試驗，GJB 548B—2005 中沒有相關要求。目前我國宇航元器件在進行耐焊接熱試驗時主要采用GJB 360B—2009 中的規定。MIL-STD-883K 中的耐焊接熱試驗方法與GJB 360B—2009 的“方法210”基本一致，均規定了烙焊、浸焊、波峰焊、再流焊等試驗條件，試驗流程與判據的規定也基本一致。

1.6 焊柱拉脫試驗

MIL-STD-883K 中規定了焊柱拉脫試驗，GJB 548B—2005 中沒有相關要求。目前我國宇航元器件產品中焊柱拉脫試驗均參考GJB 7677—2012 《球柵陣列（BGA）試驗方法》 進行。MIL-STD-883K 中的焊柱拉脫試驗設備、程序與GJB 7677—2012 要求相差不大，但是在失效判據上，GJB 7677—2012 僅規定了焊球的失效判據，對于焊柱沒有做出相應規定，MIL-STD-883K 中針對焊柱的直徑給出了不同的最小拉脫力范圍以及相應的失效模式，見表2。

2 GJB 548B—2005 修訂建議

隨著航天型號的發展，型號對元器件的功能性能、質量可靠性、環境適應性等要求不斷提高，新型結構、新型材料、新型封裝的元器件產品不斷涌現，元器件不斷向小型化、輕量化、高度集成化的方向發展。現有的國軍標試驗方法標準對新型宇航元器件的適用性也成為了元器件質量保證過程中的焦點問題。例如非制冷紅外探測器的漏率判據、反熔絲FPGA 的編程老煉、倒裝焊結構內部目檢、柱柵陣列試驗方法等，現有試驗方法標準中的流程和判據已經不能滿足對產品的要求。可參考MILSTD-883K 中的規定對現有試驗方法進行修訂，解決新型宇航元器件在質量保證過程中無標準可依的難題。同時，也可以參考MIL-STD-883K 中的最新規定，并結合宇航元器件產品現有水平和特點，適當提高質量保證環節中相關檢驗要求。

表2 MIL-STD-883K 中典型的焊柱直徑對應的最小可接受拉脫力

根據目前我國宇航元器件發展現狀，并結合元器件質量保證對標準的需求，建議對GJB 548B—2005 中的密封、可焊性、內部氣氛含量、X 射線照相及柱柵陣列相關試驗方法進行修訂補充，從而改變目前標準中相關試驗方法規定的設備、流程、判據不滿足宇航元器件發展需要的現狀。