（电子科学与技术专业论文）厚膜混合集成电路可靠性分析与提高.pdf

t h er e l i a b i l i t y a n a l y s i sf o rh i ca n di t s i m p r o v e m e n t h o u c u iq u n a b s t r a c t 1 f h i sa r t i c l ei n t r o d u c e st h ee m e r g e n c eo fe l e c t r i cp r o d u c t sr e l i a b i l i t y a n di t sd e 、e e l o p m e n t ，i ta l s op o i n t so u tt h a tr e l i a b i l i t ya n a l y s i si st h e q u i c k e s td e v e l o p i n gs u b j e c tc o m p a r i n gw i t ho t h e rb r a n c hs u b j e c t s d e r i v e df r o mt h es u b j e c to fr e l i a b i l i t y h i ch a sb e e nt h ei m p o r t a n t t e c h n i c a lc h a n n e lf o rr e a l i z i n gt h es m a l l s c a l e ，m u l t i f u n c t i o n a l ，h i g h p e r f o r m a n c e ，h i g h l yr e l i a b l em i l i t a r ye l e c t r i ce q u i p m e n t ，f o rh i cm a k e g o o du s eo fh i g h i n t e g r a t i o n ，h i g h s p e e da n do t h e rc h a r a c t e r so fs i c ， a n df o r m e da n e w - g e n e r a t i o na d v a n c e dm i c r o e l e c t r o n i ca s s e m b l y t e c h n i q u e s os t a r t i n gt h eh i cr e l i a b i l i t ya n a l y s i s ，t a k i n ge f f e c t i v e a c t i o n s ，i m p r o v i n gt h ep r o d u c t s r e l i a b i l i t ya r ev e r yi n s t r u c t i v e t h i sa r t i c l et e l l st h et e c h n o l o g ya n dc h a n n e l sf o rr e l i a b i l i t ya n a l y s i s ， s u m su pt h em a i nf a i l u r em o d e so fh i cp r o d u c t s b a s e do nt h i s ，i t b r i n g sa b o u ta sw e l lt h er e a s o nw h yf a i l u r e sh a p p e nb ya n a l y z i n gt h e d e s i g n i n g ，r a w m a t e r i a l p u r c h a s i n g ，t e c h n o l o g y , s e r v i c ea n d o t h e r f a c t o r so fh i cm a n u f a c t u r e a tl a s t ，j u s ta i m e da tt h e p r o b l e m s h a p p e n e di np r o c e s s e sa n ds e r v i c e s ，s o m ep r a c t i c a li m p r o v i n gm e t h o d s a r ep u tf o r w a r d ，a n da p p l i e di np r a c t i c ew i t ht h ef i n a lv e r i f i c a t i o nt ob e r i g h t t h u s ，t h ea r t i c l e i so fh i g h l yr e f e r e n t i a lv a l u ef o r d e s i g n a n d m a n u f a c t u r eo fh i cp r o d u c t sw i t has t r i c td e m a n df o rh i g h - r e l i a b i l i t y 究生论文专用纸 f * ! i 学位沦义：厚膜混合集成i u 路u j 靠忡分析i 提高 k e v w o r d s， h y b r i di n t e g r a t e dc i r c u i t s ( h i c ) r e l i a b i l i t y r e l i a b i l i t yd e g r e e f a i l u r er a t i o f a i l u r em o d e f a i l u r em e c h a n i s m 葡翻瓦豇而f 一一 厚膜混合集成i u 路r 叮靠悱分析o 挺，矗 第一章绪论 1 1 可靠性问题的提出及发展现状 第二次叶界大战- i ，美国在远东的r 【l 子设箭柏y i ：多在运输和保 管中即已损坏，约有半数以卜不能使用，或者在使用t l 易故障。 系统地研究可靠性问题，可以认为足从此_ 丌始的。1 9 4 3 年至1 9 5 0 年问，美国对设备中失效频数最高、被视为故障“祸根”的 u 子管， 倾注了很大力量，寻求改善方法，制出了“高可靠性电子符”。然而 这类电子管设备仍不可靠，于是人们认识到，要提高设备可靠性， 仅改善其中部分元件或部件是不行的，为了确保设备或系统的可靠 性，除了可靠的元器件外，必须从研制初期就进行可靠性设计1 作。 在这一认识的基础之上，美国进行了许多研究工作，其中最有权威 性的研究机构是美国国防部“电子设备可靠性顾问团”( a g r e e ) 。 _ j 靠性问题是在社会实践中产生和发展的，在无线 毡工业发展 的早期，设备较为简单，使用环境也不太恶劣，因此可靠性问题就 不那么严重。随着科学技术的发展，电子设备更加复杂，使用环境 更加恶劣，而对电子设备性能的要求越来越高。这些高要求和产品 质量低劣的矛盾就显得越来越突出。 为了使系统可靠，简荦的方法是设计较大的安全系数。实际上， 由于近年来对系统、硬件性能的要求更高更复杂，把安全系数设计 得超出必要的限度是不允许的，必须从经济和技术要求 h 发作出合 理的设计。以电子没各为例，由二十多年前的收音机到现在的立体 碗卜学位论文： 厚膜混合集成f u 路町1 j ；c 住分析j 提高 声设备，由黑白电视机到彩色电视机，其使川的电子元件数量山1 0 2 增至1 0 3 数量级；而汽车、喷气式飞机、字宙飞船、电子计算机等 使川的元件数，分别跃升到1 0 1 至1 0 6 数嚣级；在环境条1 ，l ：力而，常 要求电子产，旨；在宇宙空间、火箭飞行等高温、低温、高真窄等极端 条f ，l i ；使川；对 乜子产品寿命的要求常是五年、十年或更长时川。 由于系统的故障数随元件数量、应力和使1 时问而增加，给町靠性 的提高带来了团难。因此，简单地提高安伞系数是不行的，必须根 据可靠性二 程的理论和方法做科学处理。 为了解决这个矛盾，许多国家从五十年代开始，先后开展了电 子设备和元器件可靠性问题的全面研究。如前所述，美国1 9 5 2 年成 立了电子设备可靠性顾问团，并于1 9 5 7 年写出了电子设备可靠性 报告，该报告比较完整地阐述了可靠性的理论与研究力法。e 后， 其它一砦国家如前苏联、加拿大、英国、日本等也成立j ，相应的机 构。1 9 6 5 年国际电二r ：技术委员会还、发赢了可靠性技术委员会，协调 各国间的可靠性工作。我国对可靠性问题的研究和实施，是自第一一 个五年计划开始的，从五十年代开始建立了电子产品环境适鹿性试 验基地，在六十年代初提出了可靠性问题，并开展了电子元器件的 寿命试验工作。 七十年代以后，人造l i 星、导弹、核武器等国家霞点t 程，都 对元器件提出高可靠、长寿命的迫切要求，使我困的高可靠一i ：程迅 速发展。1 9 7 4 年1 2 月专门计论了提高尖端产品使用的半导体器件 的可靠性问题。1 9 7 6 年召开会汉对尖端产品所需元器件作出高可靠 要求的规划定点工作。1 9 7 8 年1 2 月，在认真总结电子元器件可靠 厚膜混合囊成i u 路町禳巾i ：分析j 挺、岛 性上作经验的基础上，提出电子元器件j 靠性“七专”质量控制与 反馈的管理办法和技术协议，要求选择富有经验的专fj 人员，采川 高精度的专门设备，选取专用的原材料，按照规定的技术协汉进行 专批生产，并对产品按规定标准进行专门检验和筛选，并建立专j | j 的工艺流程记录一t - ：，即专人、专机、专料、专批、专柃、专筛、专 膏等“七专”。这 昔施对推动可靠性1 j 作起了很好的- t 1 - j i j 。仙随着 承点： 程和武器装备的发展与更新换代，对l l _ i 子元器件的u 1 种、质 量与可靠性都提出了更高的要求。为此，国防科一：委和当时的机械 电子工业部共同确定要加快“七专”向国军标的过渡，并做m 了军 用电子元器件贯彻国军标的重要决策。 军用电子元器件贯彻国军标，这是我国军用电子元器件发展史 上的一个里程碑，是使我国军用电子元器件的质量与可靠性跃升到 一个新台阶的重大举措，它标志着我国军用电子元器件步入j ，一个 新的发展时期。这也对电子元器件的可靠性工作提出了更高的要求。 电子工业可靠性工作的内容相当“泛，人致可分为可靠性理论 基础、可靠性应用技术、可靠性的组织管理、可靠性教育与交流四 个方面。可靠性理论基础包括可靠性理论、可靠性数学、可靠性设 计技术、预测技术、环境技术、数据处理技术、基础实验等。n j 靠 性应用技术包括对使用要求的调查，现场数据的收集与分析，失效 分析，可靠性设计与预测，钦件的可靠性，可靠性评价与验证，包 装、运输、保管、伎的可靠性规范，可靠性试验、可靠性标准等。 可靠件学7 汀分支的发展情况，各分支文献累积数，以美国文 献、例，划图1 1 1 所示。 硕士学位论文厚膜混合集成电路可靠性分析与提高 可靠性学科各分支发表文献累积数 1 9 7 0 年 图1 1 2 数据收排3 ： 6 x 集理沦1 = 攥3 ：i ：删收啦3x 各分支文献数在不同时期所占比重 塑! ：兰竺篁兰；：= ： ；星些堡垒塞些皇篁：! 童些丝堡：至堡垒： 。：= 由图可知，可靠性分析、管理、试验和评价、设计等分支比理 论和数据收集分支发表的文献多，其中分析分支发展最快。因为通 过分析可以搞清产晶出现故障或失效的原因，找出产品的薄弱环饥 为有针对性地改进产品，提高产品的固有可靠性提供依据。 由图1 1 i 还可看到，各分支发表的文献数在每个时期所i i 的 百分比不尽相同，可将其变化情况归纳为图2 。 由图1 i 2 可以看出，1 9 6 0 年研究的侧重点在管理和试验与评 价方面，两者的文献累积数占6 1 ，而分析与设计只占3 0 ；到1 9 6 5 年开始有所变化，前者降到5 2 ，后者提高到4 1 ；以后仍保持这种 变化的趋势一直到现在。这主要因为，在最初阶段，i 可靠性的某些 概念与产品的质量控制有着密切的联系，而质量控制的侧重点在于 管理：再者，初期还偏重对产品作可靠性试验与评价，山此汽接1 r 解其可靠性水平，找出薄弱环节，进而采取有针对性的措施米提高 其可靠度；随后，通过试验与现场调查，积累了大量的可靠性数据， 使系统和元器件的可靠性分析与设计得到了较伙的发展。另外，随 着现代分析仪器的大量涌现和投入使用，可靠性分析工作得到十分 迅速的发展，这也为可靠性设讨。工作提供了更坚实的基础。 1 2 可靠性、可靠度及失效率的概念 ( i ) 可靠性定义 产品在“规定条件”下和“规定时问”内，完成“规定功能” 的能力称为产品的可靠性。 ( a ) “规定时间”。刁i 谈时间就无可靠性i i f 言，而规定时问的长 短又因产品对象f i 同和使用目的4 i 同丽异。 l i j d e , 生论文专用纸 颂l 学位论文： 厚膜混合燕成i u 路可靠 ：分析1 i 挺，岛 ( b ) “规定条件”。通常包括产- 锚的使川条件、环境条t l ：、负 荷火小、工作方式、维护情况和操作技术等。这些条件可以再细分， 如l 环境条件包括气候环境和机械环境；上作儿试nj 分为迮续l ：作和 间断工作等。这些条件对不同产品的可靠性有直接的影响。因此讨 论可靠性必须指明：l ：作条件。 ( c ) “规定功能”。通常用产品的各种性能指标来刻划。经过 各种试验之后，如果产品能够达到各项规定性能指标，则称产，讯能 完成规定功能，否则称该产品丧失规定功能。把产：品丧失规定功能 的状态叫做“失效”或发z i “故障”，相应的各项性能指标就叫做“失 效判据”或“故障判据”。在讨论某产u i 的町靠性时，必须对判据 做出明确规定。 ( d ) “能力”。在可靠性：i 二作t h 对能力必须给r 定能椭述，以 便说明产品可靠的程度。度量产品可靠性的“能力”通常指各利一町 靠性指标。( 如：可靠度、失效率等) ( 2 ) 可靠嫂的定义 可靠度是对可靠性的定最捕述，它是时问函数，故义称可靠度 函数。定义如下： 产品在规定的时问 内和规定的条件下，完成规定功能的概率， 称为产品的可靠度，记为r ( t ) 。 ( 3 ) 失效率的定义 工作到某一州亥0 尚未失效的产品，在该时刻后单位时问内发牛 失效的概率。 1 3h i c 的应用情况及其可靠性的地位 研究生论文专j j 纸 厚膜混合集成i 担路町话性分析1 提i ：1 混合集成电路经过三十多年的发展，已成为微电子技术的承要 组成部分之。它不仅弥补了半导体集成电路的不足，而且已成为 充分发挥了半导体集成电路( s i c ) 高集成度、高速等特点，实现军 用电子装备小型化、多功能化、高性能化、高可靠性的煎要技术途 径，形成新一代高级的微电子组装技术。因此，混合微电子技术在 国内外受到高度重视，发展非常迅速，在宇航、雷达、通讯以及计 算机等领域的军事装备中得到越来越，泛的脏用。 电子元器件是武器装备的霞要组成部分。随着现代化武器装箭 的电子化程度越来越高，系统越来越复杂，f 乜子元器件的可靠性问 题也显得越来越突出，成为影响武器装备性能和质量提高的重要i 大| 素。h i c 作为电子元器件的一种类型，其可靠性问题也彳i 例外。l i 前在军事技术上，可靠性指标己被提到与性能指标同等重要的程度。 因此，加强h i c 的可靠性研究工作具有重要意义。 1 4h i c 简介及其特点 厚膜集成电路是指采用丝网漏印、高温烧结成膜等厚膜技术， 将组成电路的电子元器件( 导电带、电阻、电容、电感等) 以膜的 形式制作在绝缘基片上所构成的集成电路。凶为厚膜元器竹的膜厚 一般为几微米至几十微米，与薄膜元器件相比，厚度较厚，因此， 称为厚膜集成电路。 在绝缘基片上( 通常足陶瓷和玻璃) 用厚膜技术制造各利l 尢源 元件和互连线，并采用厚膜组装技术组装上半导体有源器件( 包括 半导体集成f 鲁芯片) 以及有特殊要求的无源元件所组成的集成f l l 路，移”汀膜混合集成电路。 可瓢百万耵日泵 厚膜混合集成i u 路町案件分析j 提，岛 与半导体集成电路相比，混合集成电路具有如下特点。 主要优点： ( 1 )无源元件参数范l 制宽、精度高、稳定性好、j 调一陀好。 ( 2 )高频特性好，适_ 丁制作在极高频率和极高速皮卜i ：作的 e 乜路。这是因为厚膜混合集成电路是在电性能优良的绝缘基j 【 | 制 作各种无源元件，采用l 乜性能十分理想的材料制作多层们j 线和交义 布线的介质，使元器件之问的绝缘隔离十分完善可靠，寄乍效应很 小，因此，可以较容易地制成极高频率和速度卜工作的i 乜路。 ( 3 )易于制得高压、大电流、大功率电路。 ( 4 ) 具有高度灵活的组装技术。厚膜混合集成i u 路根据实j l j 的需要，将各种不同类型的，性能优良的有源器件、无源元件相容 地组装在起，形成各种复杂的，功能完善的厚膜混合集成 乜路。 ( 5 ) 能制精细互连线，交叉布线，多层仰线。 ( 6 ) 抗辐射性能好。 ( 7 ) 抗干扰性能好。 ( 8 ) 设计灵活，能直接根据分立元件电路的设训数据和要求 制成混合集成电路。即当需要将分立元件电路改成混合集成电路时， 在电路设计、元件参数选择上均无需作重大的更改。凶而就具有设 计、试制、生产周期短，投资少，见效快的优点，能适应多品利i j 、 批量生产。 由于厚膜混合集成电路本身结构和工艺上的缺陷，因此与半导 体集成电路相比也存在如下缺点： ( 1 ) 集成度低。 研究生论文争用纸 厚膜混合集成f u 路可靠性分析1 j 挺高 ( 2 ) 山于混合集成电路的纠【装焊j 囊比、| ，i 导体集成i 【l 路多，洲 此可靠性较低。 ( 3 ) 对1 i 标准化的人批蜀q - ) _ 的l u 路，混合集成搜术小如、卜 导体集成技术生产效率高。 1 5 影响h i c 可靠性的主要问题 根据国内外关于h i c 失效模式的统计资料，并结合我所科研生 产实际情况，影响h i c 可靠性的| ：要问题有： ( 1 ) 有源器件失效( 占失效样品的3 1 , 3 ) ； ( 2 ) 内引线键合火效( i 、2 3 2 ) ； ( 3 ) 厚膜电路内外表面粘污引起的失效( 占2 1 4 ) ： ( 4 ) 厚膜集成电路衬底失效( 占8 ) ； ( 5 ) 封装失效( 占6 3 ) ： ( 6 ) 其它失效( 占8 ) 。 由上可知，严重影响厚膜混合集成电路可靠性的主要因素是半 导体芯片的失效、键合点的失效( 脱落或虚焊) 以及厚膜电路沾污 引起的失效。 1 6 本论文所要解决的问题 电子元器件的失效分析是研究电子元器件可靠性的主要内容之 一。因为在电子元器件可靠性研究中，通过大量试验统计出电子元 器件的失效率，定量地描述电子元器件的可靠性水平是必须的，但 不充分。所以还需要利用各种分析方法研究电子元器件失效的原因， 如材料、工艺、结构和使，；等。根据失效分析得到的结果，制定改 研究生论文号用纸 厚膜混集成l u 路u ，张住分析o 挺i ： 进措施( 般是改进设汁力案或上艺措施) ，进涉挺岛j “；1 l j l 的质姑 与可靠性。 本论文旨在通过对影响i t l cn j 靠，陆的洲素进行探讨，f ：结合l l l c 失效产品的分析结果，提出在没计、工艺、原材料、元涨件以及安 装使用方而应采取的对策措施。希挚本文能对蜘啊保证和提高行高 可靠性要求的h i c 的质量与可靠性具有普遍的参考价值。 厚膜混合集成也路可靠摊分析弓挺i 岛 第二章h i c 可靠性分析与提高的理论构架 2 1 可靠性工程中的分析技术 分析方法在可靠性工程中的应用是十分广泛的，贯穿产品研制 的全过程。接收研制任务时，要对军方提出的可靠性、可测性、电 磁兼容性以及环境适应性等技术要求的合理性和可实现性，进行分 析和论证；开发设计时，在进行性能和可靠性设计之后，要采用应 力分析( 并在此基础上进行可靠性预计) 、热分析、容差分析以及故 障模式影响及危害性分析( f m e c a ) 、故障树分析( f t a ) 、边缘分析、 潜在道路分析( s c a ) 等成熟正规的分析技术，借以发现设计上存在 的薄弱环节和潜在缺陷，为及时改进设计提供依据。实际上可靠性 设计与分析是不可分的，分析是设计活动的延续，同时又是设计改 进的前提；可靠性试验时，首先，离不开失效分析；对失效原因和 失效机理进行的分析。此外，在可靠性试验中，不可避免地出现这 样或那样的问题，有的问题或失效，时隐时现。有些失效一时还找 不到确切的原因，需要借助仪器设备进行深入的分析和确认。有些 失效当初原因根本就不清楚。即使失效现象清楚，原因明确，但对 失效的性质要作出正确的判断，对失效进行分类，都必须依赖对事 物或现象准确而中肯的分析。 2 2h i c 失效分析程序 对厚膜混合集成电路的可靠性进行试验研究的目的不仅在于确 定现有产品的可靠性，更重要的还在于进一步改进和提高产品的可 丽万甄西再而甄 厚膜混合集成i u 路町拣杜分析j 提，岛 靠性。为此，必须对失效产品进行细致的分析，r 解失效的性质、 特征和原因，以便提出消除失效因素的建议，如改进产品没计、改 进元件和材料的选择、改进：l 。：艺控制等。 一个完整的失效分析应当包括以下几个方面： ( 1 ) 失效模式的验证。例如，在进行混合集成电路的电性能 测试时，表现出开路、短路、失去功能或者电参数恶化等现象。 ( 2 ) 失效部位确定。指m 失效现象或效应可能与电路的哪一 部分或哪一个元器件有关。 ( 3 ) 失效特征描述。根据与失效现象有关的形状、火小、位 置、颜色、化学组份、物理结构、物理性质等，科学地表达或阐明 与上述失效模式有关的失效现象或效应。 ( 4 ) 失效机理假设。根据卜述火效特征的捕述，结合材料性 质及有关制造工艺的实际知识和理论，提出可能导致产生该失效模 式的内在原因或规律性，亦即提卅可能导致产生该失效模式的物理 或化学机理。例如，金属铝膜断开造成的开路可能是由于铝膜的机 械划伤，也可能是由于铝膜表而污染或封装外壳漏气发，l i 化学反应 而使铝膜腐蚀，或者由于电迁移现象所造成。 ( 5 ) 证实。通过有关试验证明上述失效机理的假设是否符合 客观事实。如果一次证明不了，需要重复上述几步，直到证实为止。 ( 6 ) 提出改进措施。根据上述失效机理的分析和判断提出消 除产生各种失效因素的措施，这些措施包括材料、工艺、结构、电 路、设计、使用方法、使用条件以及工艺卫生等各方面的改进。 ( 7 ) 新的失效因素分析。由于新结构、新材料和新工艺的采 坝l 学位论文：厚膜混合集成电路可靠性分析与挺商 j 1 j ，使，托品的丌j 靠性有所改进，但也町能弓i 进些新的失效因素， 分析并清除这些新的失效因素，对进一步提高h i c 的可靠性具有十 分重要的作用。 2 3 破坏性物理分析技术( d p a 技术) 破坏性物理分析技术，又称d p a 分析技术( d e s t r u c t i v ep h y s i c a l a n a l y s i s ) 是以确定是否符合适用的设计和工艺要求为目的，对一 个器件进行的分解、试验及检验的过程。它是可靠性物理及失效分 析技术的发展和延伸。 d p a 分析足揭示产lu i 工艺缺陷的有效下段，也是产品工艺质量 控制和元件火效分析验证的重要手段。它是元器件可靠性研究的新 发展，足有列靠性要求j n 子元器件的重要检测分析技术。 美国于1 9 8 0 年发布美军标准m i l s t d 一1 5 8 0 电子、电磁和机 l l 元器件破坏性物理分析方法的第一版，并于1 9 8 9 年公布了修订 版。该标准作为d p a 具体分析方法，包括了1 6 大类3 6 小类元器件 的d p a 方法和程序。在某些元器件总规范中d p a 作为鉴定试验的一 部分来进行，如半导体分立器件。 从分析项目来看，以分析项目最多的集成电路为例，在美军标 准m 1 1 s t d - 8 8 3 的方法5 0 0 9 ( 破坏性物理分析) 中包括外部目检、 x 射线照相、粒子碰撞噪声检测( p i n d ) 、密封、内部水汽含量、内 部目检、键合强度、扫描电镜、芯片剪切及结构符合性检查。此外， 对于元器件，有些还要进行剖面后的镜检，检验方法在m i l s t d 一1 5 8 0 中均有规定。各类元器件d p a 项目的多少依据其结构特点而定。 我国也于2 0 0 0 年发布、实施了g b 4 0 2 7 军用电子元器件破 _ i j 究生论文专用纸 厚膜混合集成i u 路可靠性分析1 i 提高 坏性物理分析方法。该标准作为军用电子元器件d p a 具体分析方 法，包括了1 3 大类3 8 小类元器件的d p a 方法和程序。分析项日与 美军标中的规定项目基本相同。 针对规定项目检验或试验时，如果发现器件有任何缺陷，该检 验批就应该认为是可疑的。每一种缺陷应加以拍照、测量，并在d p a 报告中说明。 作为对d p a 样品评价的结果，发现检验批含有一个或多个缺陷， 就应按如下方法处理： ( a )如果第一次样品无明确结论，应重新抽样； ( b ) 筛选。 ( c ) 报废。 针对发现的缺陷制订并执行纠正或预防措施，消除此类缺陷， 使产品可靠性得到提高。 2 4 可靠性增长技术 任何产品在研制初期，其可靠性与性能参数都不可能立即达到 所规定的指标，。必须经过反复“试验改进一试验”的过程， 才能使其可靠性与其它性能不断提高，直到满足要求。在这个过程 中，产品的设计、制造工艺、操作方法等不断地暴露出缺陷，经过 分析和改进之后又不断地趋于完善，从而使产品的可靠性和其它性 能不断地提高，这就足可靠性增长过程。 对电子。”，沣进行可靠性增长时，首先是要确定增长目标，选 奴，dl = 力案、制定增长计划，并对增长过程进行跟踪与控制。 电。乇器件的可靠性增长通常可以采用两次试验比较法、逐步 研究生论文用纸 厚膜混合集成i u 路口，靠性分析峙提高 消除失效模式法以及阶段序列增长法。在工程实践上，通常采用逐 步消除失效模式的可靠性增长方法。 ， 产：品的失效模式4 i 是单一的，时常伴随着好几种栌匕，；j 划现 于一个产品卜，必须抓住主要矛盾，采取“各个。h 破”的方式，逐 步消除，最终达到提高产品可靠性的目的。 首先通过故障报告，按试验、分析和纠开：的“t a a f ”循环采取 纠正措施，使已暴露的失效模式基本消除。然后在产品可靠性的新 台阶上，元件参数漂移，工作点变化及环境适应性差又上升为主要 矛盾。因此可靠性增长的第二个目标，便是消除此类失效模式，通 过采取降额设计、容差设计，加强元件筛选和稳定工艺等措施，使 此类失效模式大大降低或基本消除，使可靠性水平较初样阶段显著 增长。 “试验分析改进”过程就是电子元器件可靠性增长的 基本过程。循环一次，产品的可靠性就增长一次。经过数次循环， 使产品的可靠性指标达到军用武器装备的要求。可靠性增长技术是 提高电子元器件可靠性行之有效的可靠性研究新技术。 正确理解和全面实施“试验分析改进”这一技术途径 是十分重要的。我们理解这里的“试验”，不仅仅指鉴定试验前的可 靠性增长摸底试验，实际上也包括生产过程中的工艺试验和环境试 验，甚至包括产品出所后、服役中的现场使用。总之，集成电路在 实际使用现场的或模拟( 单一或综合应力) 的环境中工作，都可理 解为试验。这里的“分析”，也不仅指试验中的失效分析，即对失效 原因、失效机理的分析，纠正措施与效果验证方面的研究分析，也 厚膜混合集成电路可靠性分析l j 提高 包括对失效的性质及其分类作出判断，同时也包括对试验过程中出 现过的所有异常现象及问题的分析。试验中的分析，必须首先对问 题或失效进行核实，检查操作方法是否正确，接口是否牢靠，所加 电压及信号等是否有误? 测试仪器、测试环境是否符合规定的要求? 对于临界失效或漂移失效，待允许调整的内容准确调整后，观察失 效是否可以消除? 上述情况的核实，有助于失效真正原因的寻找和 分析。这里的“改进”，指设计的改进，它不仅仅指电路设计的改进， 也包括外贴元器件的选用，结构工艺的改进，装配粘接的改进和完 善，其针对性是很强的。凡是判为系统性缺陷的( 所谓系统性缺陷 是指由系统性因素造成的缺陷。如电路结构上的设 = f - 不当，元器件 选用不当，制造工艺的不完善或差错等) ，都必须通过改进设计才能 永久地系统地消除。那种采取外贴元器件坏了或超差r 就更换的简 单作法，对电路可靠性的提高没有一点好处。“改进”一定要建立在 分析判断的基础之上。实践中我们深深地感受到：“试验分析一 一改进”这三者是使产品可靠性得到增长的一个统一的整体。只进 行“试验改进”或“分析改进”，这种改进对产品故障( 或 缺陷) 的排除是不彻底的，同类失效还可能再度发生。也就是说， 去掉了任何一步，都可能延缓产品可靠性的增长。 2 5h i c 的失效模式和失效机理 2 5 1 厚膜电阻器的失效 厚膜电| j 且器的失效大多数是由参数过度漂移和参数彳i 稳造成 的。这类失效常常是由如下原因引起： ( 1 ) 组成电阻器的金属化学组份的变化。 研究生论立擘用纸而 坝l ：学位论文；厚膜混合集j a , t t 路町靠性分析与提高 ( 2 ) 应力影响。 ( 3 ) 化学反应的影响。 ( 4 ) ： 艺控制的影响。 ( 5 ) 在高压尤其在高压脉冲情况下，大多数厚膜电阻器将产生相 当大的阻值变化，这叫厚膜电阻器的电压漂移。 ( 6 ) 常用的钯一银电阻器在氢气氛中参数不稳定。 2 5 2 厚膜导带或键合的失效 ( 1 ) 由于印刷导带之前基片清洗不当，在基片表面残留有机材 料或烧结周期不j e 常将造成厚膜导带附着力不良。 ( 2 ) 焊接时温度过高或时间过长，形成金属化合物。引起焊点 键合强度下降或互连线导电性能不良。 ( 3 ) 在组装外贴元件、引出线式管座时，或在使用中由于组装 不合理或使_ j 不当也可能造成键合的失效。 ( 4 ) 当暴露于高温时( 15 0 。c ) ，覆盖有焊料的厚膜导带会出现 失去附着力、电导率下降以及负载电流的能力随时间而| f 降的现象。 ( 5 ) 导带氧化、烧结不当、烧结引起玻璃釉堆积或导带层烧结 之后的其他烧结引起的恶化都将会造成厚膜导带可焊性不良，形成 不良键合。 ( 6 ) 含银厚膜导带容易发生银离子迁移，在环境潮湿和外加电 场时，银离子通过潮气层迁移，造成闷断的短路。 2 5 3 成膜基片的失效 仅与成膜基片有关的失效模式是开裂造成的突变性失效。基片 的丌裂可能足山下列原因所造成：如锡焊带来的热冲击。基片与封 厚膜混合集成i u 路町靠性分析i 提高 装材料和粘合剂或包封之间的粘接不正常；基片与封装材料和粘合 剂或包封之间热膨胀系数失配；另外，在清洗操作中，当未从基j ； 表面清除全部有机材料时，可能造成厚膜材料对基 的粘附小良。 这都可能导致不牢靠的键合焊区存在，或者由于连接外贴元件、引 出线时因键合点脱开而引起失效。 2 5 4 半导体器件的失效 除了半导体器件本身固有的失效之外，h i c 还引入了一些新的 失效因素。在h i c 中需外贴多个i cj 出片，这就延长- f , 苎0 4 暴露于键 合温度之下的时间。不同生产批次的芯片和不同工厂生产的芯片均 可能安装在同一个基片上。这样，采用固定的键合等工艺加：i ：条中i ： 就可能出现由于芯片金属化层厚度、表面特性等变化而引起的键合 质量问题。引线越长，造成键合线短路或其他因冲击、振动及加速 等机械环境而引起的线键合缺陷的机会就越多。导电带的氧化也可 能造成芯片粘结和线键合的失效。 2 5 5 封装的失效 h i c 的封装失效主要是密封不良，外部环境的水汽等浸入，使 元件、导带遭受腐蚀和绝缘电阻下降，从而造成电路性能恶化和失 效。水汽浸入封装的途径主要是： ( 1 ) 金属壳盖板与底座之间的焊接缝； ( 2 ) 外引线与玻璃绝缘体之间接合处或外引出线与包封材料之 间的接合处。 2 6 可靠性设计技术 电子元器件的可靠性设计，是在产品功能设计的同时，针对j 札 厚膜混合集成电路可靠性分析峙提高 品在规定的条件下和规定的时间内，可能出现的失效模式，采取相 应的设计技术，以消除或控制其失效模式，使产品在全寿命周期内 满足规定的可靠性要求。 要使产品能在规定的时间内和规定的条件下，完成规定的功能， 达到用户要求的可靠性指标，设计者就必须分析设计对象，在使用 中将要遇到的环境条件，可能出现的失效现象，以及造成失效的主 要原因，并针对相似产品曾产生过的主要失效模式，采用相应的可 靠性没计技术。 电路可靠性设计隶属于电子产品可靠性技术设计的主要组成部 分，所谓“电路可靠性设计”就是指在规定的环境应力、负载应力、 工作寿命等条件下，电路能够达到可靠性指标要求，所采取的相应 披术措施。_ f c u ：降额设计；热设计；裕度设计；容差设计； 电磁兼容设计；抗静电设计等。 2 6 1 降额设计 元器件的失效率与环境温度和电负荷是密切相关的。合理地降低 元z 卵l ：所承受的叫：境黏 度与电负荷，n j _ 以鼹著地降低其失效率。虫： 集成数字电路在1 2 5 * c 时失效率为2 1 1 0 ，当温度下降到2 5 。c 时， 火效率为4 8 10 7 ；义如金属膜i i t 阻在7 0 。c 额定功率l 乜平时，4 失效 率为1 7x1 0 ，在相同温度下外加功率为额定功率的一半时，失效 率为1 5 1 0 9 ，失效率下降了两个数量级。由此可知，以降低外贴 元器件的使用负荷为目标的降额设计，可以有效地提高h 1 c 的可靠 性。对不同的元器件其减额的方法和水平应不同。一般情况下，根 据n j 靠性预汁分配的结果，以最小的体积，域轻的重量和最低的成 厚膜混合集成l u 路口，靠他分析j 提高 奉，f j 义能满足l - t i c 的可靠性指标米确定减额水、f 。 设计军用h i c 选用元器件和i c 芯片时，尽量使川军， j i j 级元器 件。充分考虑它们在电路l i 。的工作环境，选择高性能元器件进行降 额使用，进一步提高电路的可靠性。 2 6 2h i c 的热没计 由于集成电路的密度很大，各种耗散功率的元器件在单位而积 上的发热量就很大。若结构设计和结构材料选择4 i 合理，i u 路1 ：4 1 ： 时，热量就不能很快散发掉，使电路内部与外部的温度梯度过大。 从而形成过热区或过热点，造成过大的热应力而使电路结构遭受破 坏，或由于过热造成元器件性能恶化。特别是大功率集成也路，热 集中问题就显得更为突出。大功率电路由于含有很多大功率元器件， 因此电路本身要产生很大的耗散功率。随着集成度的不断提高，功 率密度的不断增大，热集中问题在集成电路中将变得越来越突。 我们应从两个方面来解决这一问题：一方面要尽量提高电路的效率， 即最大限度地减少电路中各元器件产生的热量；另一方面从电路结 构设计、材料( 如基片、封装、结构材料等) 方而认真考虑，寻求 最佳的散热结构，用最佳的导热材料作散热结构件，使电路中产生 的热量尽快地传导散发到大气中去。 如某型号厚膜电路除由其它元件组成外，还包含有两只功率管 心“t f - 门l 和两只功率电阻，具有一定的功耗值。在r 艺热设计方而，除 了在总体布局上使功率器件均匀分布外，还采取了以卜措施： ( 1 ) 加大功率电阻的设计面积，充分保证其承受实际功耗的能 力。 研究生论文专用纸 厚膜混合集成i 乜路町靠性分析o j 提商 ( 2 ) 功率管：卷片背面加散热块，并将管芯连同散热块一起锡焊 到基片上。 ( 3 ) 将电路衬底完全用锡焊的方式粘接到金属管壳上，以保证电 路工作时产生的热量能够更快地散发到金属管座和外部环境中。 2 6 3 裕度设计 裕度设计亦称漂移设计，就是考虑到在元器件中随温度、时间 的变化引起参数漂移的情况下，设计出稳定可靠的产品。对产品稳 定性有重要影响的外贴有源、无源器件，应考虑元器件的容量、温 度和时问等因素所造成的影响，采用裕度设计措施。如正确设计放 大器的工作状态，电路负反馈、温度补偿、环境控制、选用稳定可 靠的元= ： 件等力法，町人人地提高产品的稳定度与口j 靠性。 2 6 4 i 乜磁兼容性设计 i 乜磁i f c 容性( e m c ) 是指在附环境f l 工作的电子设备或电子模 块，要达剑相互兼容的状态，既不能因其它没各或模块的电磁干扰 i 可不能。l 卜常工作，也不能因自身工作时发射出的电磁波，使其它电 子设符或模块丁作失常。电磁兼容性设计则是采用各种措施，从电 路的结构和：t ：艺等方而抑制电磁干扰，包括控制干扰源的电磁波的 发射、抑制 u 磁干扰的传播以及增强敏感f 乜路的抗干扰能力。 混合集成电路足小型化的电子模块，它的电磁兼容性能直接影 响剑整机的性能。因此重视并进行对混合集成电路的电磁兼容设计 是必婴的。从我们的二 ：作实践中体会到：混合集成电路的电磁兼容 设计与l 【i 子仪器的兼容设计有相同之处，也有所差异，混合集成电 路的l u 磁兼容没计效果，最终需要通过整机的配合爿一能体现出最佳 厚膜混合集成1 u 路口j 靠性分析o 挺麻 效果。混合集成l 乜路的电磁兼容设计技术主要包括：f u 路设汁技术、 屏蔽设计技术、滤波设i , - 1 1 技术、接地技术等。 2 6 4 1 电路设计技术 在模拟电路设计中，从增强电路电磁兼容性来考虑，巧i 应将电 路的频率宽度设计过宽，只要能使信号恰好通过就可以了。冈为 u 路工作频带过宽，会使大量信号频谱以外的干扰信号进入电路，造 成干扰；对于放大器电路，应尽可能采用差分式输入的放大器，它 具有良好的抑制共模信号干扰能力；在参数及补偿电路设计时，应 使放大器具有较大的线性区工作范围，以减少非线性失真造成的谐 波发射干扰；对于比较器电路，应采用具有滞后特性的电路，避免 比较器因输入信号干扰产生的输出抖动现缘，增强电路的抗干扰能 力。 在数字电路的设计中，采用低速器件有利于提高电路的电磁兼 容性。但随着电子技术的飞速发展，数字信号处理电路的： 作速度 将愈来愈高，随之将产生越来越强的电磁辐射。在这种情况下，就 要加强电磁屏蔽、滤波、接地等电磁兼容设计技术，实现数字电路 的电磁兼容设计，在版图面积允许的情况下，尽可能在每个数字电 路的电源与地之间加一个滤波电容。在数模混合电路中，应着委在 信号传递、电源、地线等多方面进行隔离，采用模拟地线和数字地 线分开使用，模拟电路部分与数字电路部分之间尽量减少连接，局 部电路屏蔽措施等。 2 6 4 2 屏蔽设计 在h i c 的设计中，可以将管壳设计成屏蔽体，用来切断通过空 研究生论文专用纸 竺! ：堂些堡兰：厚膜混合集成i u 路吖靠忡分析j 挺，南 2 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2 = = = = = = = = 2 专2 = = = = 兰兰；：=： 问( 内静电耦合、磁场耦合和交变电磁场耦合形成的电磁噪声传播途 径。可伐合金的金属管壳是屏敲的良好材料，通过金属管壳与屏敝 地引脚的连接，使金属管壳起到封装与屏蔽的双重作用。在采用陶 瓷管壳封装时，可以在陶瓷管壳表面涂覆一层导电体( 如镀银) ，并 设计合理位置的屏蔽地引脚与该镀层搭接良好，也可使陶瓷管壳起 到电磁屏蔽的作用。 需要指出的是，封闭式的屏蔽体比开放式的屏蔽体的效果好。 任何屏蔽形式都必须与屏蔽引脚相连，这样才能在使用 j 通过屏蔽 引脚与“干净”的地线相连，实现屏蔽作用。 2 6 4 3 滤波设计 滤波是将不需要的一部分频谱滤除掉，从而达到抑制电磁干扰 发射和抵抗外来i u 磁干扰的双重i j 的，被，。泛地应川丁各类i 乜路设 计中。 混合集成电路中，用于抗干扰的最常用的滤波器，通常是由电 容器来承担的，设爿者应根据电路的具体参数选择电容器容量。在 一个混合集成电路中，可采用多个容量相同或不相同的电容器分置 于需要滤波的芯片旁，要尽量减小电容器到芯片电路电源端的引线 长度，因为引线电感在高频下会具有明显的影响，并且直接影响滤 波频率参数；也可使用一个较大容值的电容器与个小容值电容器 并联，这时较大容值电容器起到抑制电源电流瞬变的作用，小容值 电容器滤除高频干扰信号。 在有以开关状态工作的元器件的电路中，有很大的电流脉冲会 发射频谱很宽的电磁能量，必须采取滤波措施。另外在负载为感性 研究生论义号用纸 厚膜混台集成也路a ，黛性分析o ，挺高 元件的l 乜路，i - ，如电机驱动l 也路，必须采j | 续流二极管和滤波i n 容 器，对感性负载元件产生的反向电动势进行续流和滤波，否则会损 坏电路并产生较大能量的干扰信号。 2 6 4 4 接地技术 接地是抑制噪声和防止干扰的重要措施之一。衡量电路中地线 布局好坏的标准是，地线上各点的电位与电路中任何功能部分的电 位相比，可忽略不计。因此地线应设计成短而宽，这样能减小地线 电阻，降低地线上的电位差。另外，印制导电带用的浆料对地线i 乜 阻也有直接影响，通常情况下金导带比钯银导带的方块电阻低。 在整机设计中，对低频电路尽可能用单点接地方式，对高频电 路尽可能用多点接地方式，这是根据地线长度与工作波长的相应关 系决定的。在混合电路r 1 ，山于地线的总长度不可能太k ，所以刁i 必受这些限制，只要根据元器件的布局，合理地设计走向及连接方 式就可以了。但最好将屏敞地、模拟地、数字地分开。在大功率厚 膜电路设计小，为减小地线电阻，可以通过增加地线导；特e ! j 刷次数 或在钯银导带上镀锡的方法来实现。 2 7 静电损伤及防护 2 7 1 概述 静电是通过电子式离子的转移形成的，它是正电荷和负电荷在局 部范围内失去平衡的结果。具有不同静电位的物体，由于直接接触 或静电感应引起物体喑静电荷的转移，这种静电荷通过器件引出腿 ( 端子) 放电所引起的损伤，称之为静电放电损伤。静电现象的特 征是高电压及小电量。 研究生论文专川纸 厚膜混合集成电路町靠性分析与提高 半导体器件在制造、存贮、运输及装配过程中，以及仪器、设备、 材料或操作者都很容易因摩擦而产生