國產化元器件替代可靠性評價與驗證技術研究

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

實現國產化元器件全面自主可控，提高自主研發能力，在關鍵領域突破前沿技術，實現國產化元器件的平穩替代，是每個相關產業鏈與企業肩負的“特殊使命”。而截至目前多個領域的元器件整體國產化率低于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域，國產率甚至還未實現零的突破。因此，在元器件領域想要徹底走通國產化之路，全面實現自主可控任重而道遠[1]。

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

因此，如何解決國產化元器件在生產階段和應用階段面臨的問題與挑戰，就需要我們探索與建立一套系統的國產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化進程。本文通過對國產化元器件選型標準與供應商管理，國內外元器件性能與結構比對分析，板級應用層面的可靠性驗證與評價等相關技術內容的研究，構建了一套系統的國產化元器件替代可靠性評價與驗證體系，為國產化元器件導入與應用評價提供指導。

1 可靠性評價與驗證體系概述

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

圖1 國產化元器件替代可靠性評價與驗證體系技術路線圖

2 元器件選型標準制定與供應商管理

元器件選型標準的制定是國產化元器件導入質量與可靠性控制的第一道保障，國產化元器件導入時，應優先進行相關選型標準的調研比對，確定元器件選型的一般要求與關鍵點，了解特定國產化替代元器件的核心的參數指標。基于提取的關鍵參數，引入小批量產品進行極限摸底測試，主要包括電測試、結構表征以及特殊應力極限測試等[5]。最后，結合產品的實際應用需求和極限測試標準結果，重新制定國產化元器件關鍵參數指標和預警界限，以保障國產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MCU 進行某個關鍵參數指標和預警界限的制定方法，通過步進式寬溫區電測試的方式，進行極限摸底測試與關鍵參數提取。結果顯示，該款國產MCU 在低溫電測試階段LIRC 參數出現較大偏離，且在-10 ℃時參數偏離度達20 %以上，同比進口的MCU 在-10 ℃條件下LIRC 參數＜5 %。鑒于此，針對國產MCU 的選型標準關鍵參數指標和預警界限在低溫階段的制定，可定義為關鍵參數為LIRC參數，在-10 ℃情況下LIRC 參數偏移率不應超過5 %為預警界限，其他關鍵參數提取和預警界限的制定，都可以參照執行。

圖2 MCU 低溫下LIRC 參數偏離率隨溫度變化曲線圖

供應商管理可通過設定關鍵的考核指標，定期進行針對性質量審核，指導技術人員考核供應商生產過程中的產品質量管理能力，以保障國產化元器件設計、生產制造以及測試過程中各個環節的質量保障與一致性。如表1 所示，是針對某款國產MCU 各階段供應商的部分管理審核要點與相關指標要求規范，可分為必選考核項與可選考核項，通過對各階段的審核結果進行分析，對設計、生產制造以及測試各個階段風險進行綜合評估，制定相應的改善措施，全面保障國產化元器件的多環節質量可靠性保障[7]。

表1 供應商管理部分審核要點與相關指標

3 國內外元器件性能與結構的比對分析

國產化元器件生產過程中，同進口元器件生產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，應對國產元器件與進口元器件的性能與微觀結構進行比對分析，主要可以通過基本的電性能參數比對（電測試實現）、DPA 微觀結構比對、結構分析比對以及老煉篩選等技術手段，明確國產化元器件的潛在缺陷，優化系統級設計保障，提升國產化元器件應用可靠性[8]。如圖3 所示，是某款原位替代的國產MCU 與進口MCU的微觀結構的比對結果，結果顯示，國產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，而國產元器件的Ag 漿的厚度H=13.40 μm，從而造成國產元器件的散熱與穩定性較差。鑒于此，在后期國產MCU 進行原位替代時，應對水汽、應力防護以及散熱方面做設計優化，提升整個系統的應用可靠性。

圖3 進口與國產元器件縱切微觀表征圖

4 板級應用的驗證與故障激發

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

圖4 國產化元器件板級應用的驗證與評價典型測試項目

5 總結

本文通過對國產化元器件選型標準的制定、供應商管理與審核辦法的優化、國內外元器件性能與結構的差異性分析、板級應用可靠性驗證與評價等部分的技術研究，建立了系統性國產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化元器件引入帶來的風險，提升各層級、各階段的國產化元器件的可靠性控制水平，對國產化元器件的導入與應用評價起到了極大的指導與支撐作用。