淺析軍用器件外殼通用規范

彭博 安琪 李麗霞 范世超 崔波 劉林杰

關鍵詞：軍用，封裝外殼，通用，規范

0 引言

自20世紀60年代的摩爾定律時代開始，封裝外殼被定義為用于器件的互連、供電、散熱和防護[1]。電子系統封裝涉及兩個主要功能：一個在IC級或器件級，另一個在系統板級。IC級或器件級采用封裝外殼將裸芯片（晶圓）安裝固定在外殼腔體內，實現對芯片的機械支撐、電氣互連、散熱、環境保護以及電磁屏蔽等功能，以保證芯片正常、穩定和可靠工作。

外殼屬電子行業產業鏈中的通用基礎產品，廣泛應用于航空、航天、兵器、船舶等領域，起著至關重要的作用[2]。封裝外殼主要有陶瓷、塑料和金屬封裝3種，在軍用高可靠封裝領域絕大多數采用陶瓷和金屬封裝。按所封裝器件的類型，封裝外殼采用對應軍用通用規范進行考核，通用規范規定了外殼的一般要求、質量保證規定等。

隨著芯片及器件的發展，封裝技術也在不斷發展，其總的發展趨勢是使封裝密度更高、集成度更好，融合性更好。因此有必要對外殼通用系列規范進行深入研究分析，為外殼規范的適用性和未來軍用規范發展提供參考依據。

1 通用規范及其適用范圍

軍用外殼通用規范依據所封裝器件類型，分別為GJB 923B-2021《半導體分立器件外殼通用規范》、GJB 1420B-2011《半導體集成電路外殼通用規范》、GJB 2440A-2006《混合集成電路外殼通用規范》、GJB 5438-2005《半導體光電子器件外殼通用規范》、GJB 10191-2021《微波器件外殼通用規范》。

GJB 923B-2021適用于半導體分立器件外殼；GJB 1420B-2011適用于半導體集成電路用的多層陶瓷外殼；GJB 2440A-2006適用于軍用混合集成電路、固體繼電器、聲表面波及帶光纖器件的金屬外殼，也適用于這類器件的陶瓷外殼；GJB 5438-2005適用于軍用半導體發光二極管、激光二極管和光電探測器用帶光窗的金屬外殼；GJB 10191-2021適用于微波單片和混合集成電路外殼。為了正確運用規范并貫徹規范，對以上規范進行分析比較，進一步明確各規范的要求與方法的具體差異，便于快速理解和正確使用。

2 軍用器件外殼通用規范比對分析

封裝外殼通用規范的結構均按照GJB 0.2-2001的規定，采用固定6章格式：范圍、引用文件、要求、質量保證規定、交貨準備和說明事項。對于封裝外殼，其材料和鍍覆、篩選和鑒定檢驗、外觀檢驗為關鍵規范內容，以下針對這3方面內容進行分析比較。

2.1 材料和鍍覆

2.1.1 材料

根據適用外殼類型的不同，對構成封裝外殼的各部件材料要求不同。除GJB 1420B-2011規定外殼是金屬、陶瓷或這些材料的組合，其他規范允許外殼是金屬、陶瓷、玻璃或這些材料的組合，不同之處主要為玻璃材料，玻璃材料主要用于金屬外殼。外引線和引出端材料對比見表1，材料基本一致，均包含有鐵-鎳-鈷合金、鐵鎳合金、銅芯鐵-鎳合金、鎳、無氧銅。共燒金屬和銅芯鐵-鎳-鈷合金僅GJB 5438-2005未要求，GJB 923B-2021包含有鋯銅。

不同規范中，根據器件類型不同，有增加外殼各部件要求，其中GJB 5438-2005有玻璃光窗，GJB923B-2021和GJB 10191-2021中有熱沉、絕緣子和蓋板材料。此外，同一材料不同規范執行的內容也略有不同，2006年以后發布的通用規范中，鐵-鎳-鈷合金和鐵鎳合金均執行YB/T 5231-2005和YB/T 5235-2005，2006年之前執行GBn 97-1987和GBn103-1987，在使用時應注意，建議使用新發布的材料執行標準。

2.1.2 鍍覆

鍍覆是封裝外殼的關鍵工藝之一，直接影響產品的使用和可靠性。對比分析不同規范，其鍍鎳、鍍金、多層金-鎳鍍覆結構、鍍層厚度測量均一致，可以看出，對于不同器件封裝外殼的鍍覆要求均一致。GJB 1420B-2011增加了采用錫基焊料焊接的CLGA鍍覆要求，GJB 10191-2021增加了采用橫斷面顯微鏡法進行鍍層測量仲裁，該增加要求和方法在執行其他規范中也可以借鑒采用。

2.2 篩選和鑒定檢驗

2.2.1 篩選

篩選是外殼在鑒定檢驗和質量一致性檢驗之前，需要100%進行的試驗項目，不同通用規范間篩選試驗項目存在差異（見表2）。從表中可以看出，密封和外觀檢驗均為各規范的篩選試驗項目，絕緣電阻、溫度循環和外形尺寸為不同規范增加項目。

2.2.2 鑒定檢驗

鑒定檢驗是新產品的首次全項目試驗，是評價產品的關鍵驗證檢驗。不同通用規范的鑒定檢驗通用試驗項目基本一致，均包括外殼外觀和性能類試驗項目：外觀檢驗、外形尺寸、鍍層厚度、電性能；鍍層質量試驗項目：鍍金質量和鍍鎳質量；引線或引出端質量試驗項目：引線牢固性、引線涂覆粘附強度；溫度應力試驗項目：熱沖擊、溫度循環、耐濕；環境試驗：鹽霧；封裝工藝試驗項目：鍵合強度、芯片剪切/拉力、可焊性；機械應力試驗項目：恒定加速度。

不同通用規范中部分鑒定試驗項目不一致，同一項目不同規范的試驗條件也略有不同（見表3）。各通用規范中均含有引線牢固性、熱沖擊、溫度循環、恒定加速度試驗項目，但由于器件外殼類型不同，其試驗條件存在不同。

引線牢固性試驗條件根據器件外殼封裝形式的不同而確定；對于GJB 2440A-2006混合集成電路外殼，由于其器件電路使用溫度范圍較高，因此該類器件外殼的熱沖擊和溫度循環試驗條件均較其他規范上限溫度更高。功率類、電源類器件外殼一般均采用GJB 10191-2021和GJB 923B-2021，該類器件工作溫度較高，且要求在較高工作溫度下穩定工作，因此該類器件外殼的溫度循環試驗條件上限溫度為175℃，GJB 923B-2021中循環次數達500次。恒定加速度試驗條件主要根據器件外殼的密封尺寸和重量以及器件應用領域而確定。

根據不同類型器件的使用和應用領域，GJB2440A-2006在機械應力試驗項目中增加了機械沖擊。GJB 5438-2005和GJB 923B-2021在機械應力試驗項目中增加了機械沖擊和掃頻振動。GJB 10191-2021和GJB 923B-2021增加了微波性能試驗。

2.3 外觀檢驗

外殼通用規范的外觀檢驗通常采用規范性附錄形式表述，通用規范的外觀檢驗主要分成兩類，一類為陶瓷外殼外觀檢驗，GJB 1420B-2011中規定了多層陶瓷外殼底座的外觀目檢要求；一類為金屬外殼外觀檢驗要求，GJB 2440A-2006和GJB 5438-2005規定了金屬外殼（包括底座和蓋板）的外觀目檢要求，兩項規范的要求均一致，GJB 923B-2021和GJB 10191-2021外部目檢要求也是針對金屬外殼。由于陶瓷外殼外觀檢驗僅GJB 1420B-2011涉及，因此本文主要針對不同通用規范中金屬外殼外觀檢驗要求進行對比分析。

不同通用規范中結構術語和缺陷術語的定義基本一致，金屬外殼外觀檢驗要求主要包括絕緣子、引線、框架、底板、印制線、鍵合區、密封區、芯片粘接區、焊縫、蓋板和鍍層。

不同通用規范對陶瓷絕緣子的要求基本一致，GJB 2440A-2006、GJB 10191-2021對玻璃絕緣子的要求較為接近，GJB 923B-2021中對玻璃絕緣子徑向裂紋、彎月區裂紋、玻璃缺損，與其他兩項通用規范差距較大；對于玻璃飛濺物的要求，三者要求有明顯差異。GJB 923B-2021、GJB 10191-2021對毛刺、缺損、釬焊，對金屬底板凸起、凹坑、缺口的尺寸要求，對鍵合區凸起、凹坑、毛刺的尺寸要求均略有差異，在采用不同規范時需關注檢驗要求的區別。

3 要點及面臨的挑戰

同一外殼產品由于其所封裝的電路類型不同，存在同一產品使用不同外殼通用規范的情況，因此需要在外殼產品生產前明確其所封裝的電路類型，選用相對應的外殼通用規范來指導生產、檢驗和驗收等工作。

在后摩爾定律時代，器件及系統的小型化、高集成度、高性能需要通過封裝技術來實現，因此，封裝技術不斷發展，封裝外殼材料技術、加工工藝技術、散熱技術也得到了相應的發展。新型的銅基復合材料、金剛石基復合材料等均已應用于器件外殼，共燒金屬-銅也應用于電源和高速類器件外殼中，因此規范中材料部分需補充。鎳鈀金鍍覆技術已應用于低成本及多類型封裝工藝需求的器件外殼中，鋁絲鍵合、阻容元件焊接以及板級安裝均需求小于1.3μm的薄金鍍層，因此規范中鍍覆部分也亟待修訂。

高速數字電路用倒裝芯片外殼是小型化、高速器件發展趨勢，已開始批量應用于工程中，但規范中試驗項目并未涵蓋倒裝焊盤及焊球/焊柱焊盤的可靠性試驗項目，還需增加器件外殼的高速信號傳輸性能測試方法評價。異質異構集成技術也開始應用于滿足2D、2.5D、3D封裝和多功能集成器件外殼需求，不同界面的結合強度和可靠性現有規范中沒有相應的試驗項目。嵌入式微通道結構產品、3D乃至4D結構產品的可靠性，也是后續需要研究補充的規范內容。

近年來，金屬外殼與陶瓷外殼在研制和使用上趨向跨界融合，即金屬陶瓷混合結構、陶瓷外殼用于混合電路和光電器件封裝等，因此在后續器件外殼標準體系設計和維護方便性方面，需要考慮融合性、集成性和封裝發展趨勢，促進不同通用規范技術要求的協調性。

4 結語

軍用器件外殼通用規范用于評估陶瓷外殼和金屬外殼的質量和可靠性，是保證器件可靠應用的重要方法之一。要正確深入地理解規范，明確生產和交付的一般要求，針對不同器件類型的封裝外殼選取合適的規范開展工作，進而實現科學有效地考核評估封裝外殼的目標。本文針對軍用器件外殼產品的通用規范，從材料和鍍覆、篩選和鑒定檢驗、外觀檢驗這3個方面進行了對比分析，總結了規范使用的要求和面臨的挑戰，對快速理解與評估規范使用方法具有一定的工程指導意義。