PDA破坏性物理分析.pdf

信息产业部电子第五研究所元器件可靠性研究分析中心 Article4 0002 破坏性物理分析 DPA 技术的应用 牛付林 信息产业部电子第五研究所 电子元器件可靠性物理及应用技术国家级重点实验室 摘要 破坏性物理分析 DPA 技术是保证电子元器件质量的关键技术 在电子元器件的 生产过程中以及上机前 在保证电子元器件质量一致性 可靠性等方面有着广泛且重要 的应用优势 但目前国内没有充分应用此技术 严重的限制了国内电子元器件质量的提 高 尤其是民用电子元器件普遍存在或多或少的隐蔽的质量缺陷 另外 DPA 技术向非气 密封器件的扩展以适应占电子元器件 95 以上的塑封器件的要求也急需形成相应标准相 结合 关键词 破坏性物理分析 电子元器件 质量 缺陷 标准 1 引言 破坏性物理分析 DPA Destructive Physical Analysis 是指为验证电子元器件 以下 简称元器件 的设计 结构 材料 制造的质量和工艺情况是否满足预订用途或有关规范的 要求 以及是否满足元器件规定的可靠性和保障性 对元器件样品进行解剖 以及在解剖前 后进行一系列检验和分析的全过程 DPA 分析是顺应电子系统对元器件可靠性要求越来越高 的需求而发展起来的一种本着提高元器件质量 保障整个电子系统的可靠性为目的重要技术 手段 七十年代 美国的航空 航天领域在所使用的元器件中首先采用 DPA 分析这项技术 这 是因为当时的发射成功率很低 归咎原因主要是所使用的元器件出了问题 这个问题仅靠筛 选 考核是不能完全解决的 经过研究和大量的使用性试验 形成了 DPA 分析的初步分析方 法 并大幅度的提高了航空和航天领域发射的成功率 该技术因此在 1980 年写进了美国军 用标准中 如 MIL STD883C 微电子器件使用方法和程序 从此 DPA 分析技术被应用到了 美国军事电子装备的各个领域 并很快扩散到了其他国家 如在 1988 年 11 月颁布的欧空局 ESA 标准 ESA PSS 01 60 欧空局空间系统的元器件选择 采购和控制 中就列入了 DPA 分析试验方法 目前 在国外民用电子设备系统中已经开始使用 DPA 分析技术 一些大的生 产商普遍要求提供 出示 采购 生产 元器件的 DPA 分析报告 以保证元器件的质量 在国内 DPA 分析从 96 年开始在航天领域首先推行 并很快推广到了航空 电子等行业 形成了比较完善的 DPA 分析标准和试验方法 但是 在国内 DPA 分析仍然局限在为少数行业 服务 即使对这些部门所使用的元器件依然没有充分发挥 DPA 分析的作用 例如很少用 DPA 分析技术对生产过程进行监控等 目前 非气密封器件占了电子元器件的 95 以上 但还没有形成适合于非气密封器件 的比较完整的 DPA 标准 针对非气密封器件进行的一些质量试验 如 IPC 相关标准中的要求 均是局部的不全面的 所以形成完善的公认的非气密封器件 DPA 标准急需要解决 信息产业部电子第五研究所元器件可靠性研究分析中心 Article4 0002 2 评价元器件质量水平的主要途径及其与 DPA 分析的关系 评价元器件的质量水平的主要途径有生产进货检验 筛选 失效分析 质量一致性检验 和 DPA 分析等 虽然在这些方法和措施中有许多的试验项目会有所相同 但其评价元器件的 质量水平的侧重点 全面性和在元器件的生命周期中评价的时段各不相同 总的说来 这些 方法各有所长 在元器件的生命周期内应有效的结合使用才能达到最佳的质量效益比 2 1 生产进货检验 生产进货检验是在元器件上机前对其进行的成品 半成品的检验 主要要是采用简单的 电测量 外观观察以及在低放大倍数显微镜下的检查等手段 以发现并剔除存在缺陷的元器 件 这种检验通常是百分之百进行的 且费用一般比较低 是一种非常有效的质量控制方法 但它不能分析元器件内部隐藏的缺陷 所以必须与其它质量控制技术配套使用 才能真正起 到保障元器件质量的目的 2 2 筛选 筛选就是对元器件进行的老练筛选试验 即对生产的元器件 一般要求 100 进行 在 经过一定的环境老练试验 如高温老练试验 后 测量其功能状况 剔除失效产品 可见筛 选的目的是剔除早期失效 筛选又可分为一次筛选和二次筛选 一次筛选是在元器件出厂前 由生产方进行的 二次筛选是在元器件采购后或上机前由使用方进行的 两次筛选试验的环 境老练条件可相同 也可根据使用环境情况进行不同的有针对性的老练试验 不管老练试验 是否相同 二次筛选试验在某些情况下还是有必要进行的 因为 产品的早期失效并不能在 一次筛选后就能暴露出来 尤其在元器件使用前经过了很长的存储时间后 可能失效就会暴 露出来了 老练试验的环境条件的选取是筛选试验的难点 因为老练条件太苛刻 元器件就 会损坏或是受到损伤 寿命降低 如果条件不够 就不能有效的暴露元器件的早期筛选 失 去了试验的目的 老练环境条件的选取可参考有关标准和进行相关试验的出 2 3 质量一致性检验 质量一致性检验即鉴定和质量一致性检验 是为了保证器件和批的质量符合有关采购文 件的要求 根据采购文件和相关标准方法进行的一系列静态试验 功能试验 以及稳态寿命 试验等 用于器件的初步鉴定和产品或工艺发生变化时的重新鉴定以保持合格资格的周期试 验 由此可见 质量一致性检验是为了检验生产厂家有无生产该元器件的资格 因此 该检 验应根据产品门类特点 设计完整的检验方案 以尽量暴露元器件的各个方面可能存在缺陷 质量一致性检验又可分为用来对各检验批进行的质量一致性检验和用于周期地进行质量一 致性检验 质量一致性检验只对经过筛选的产品进行抽样检验 抽样方案可根据相关标准进 行 2 4 失效分析 失效分析是对所有检验 筛选 以及在电子系统上失效的元器件进行的以检测元器件 或半产品 不能正常工作 失去某种功能 原因为目的的一系列试验 失效分析是在发现 元器件失效后进行的查找原因的过程 是以判别责任或改进工艺为目的的 失效分析一般需要更多的产品信息 包括元器件功能参数 电路图 失效背景等 一般 信息产业部电子第五研究所元器件可靠性研究分析中心 Article4 0002 还需要良品来对照 所以分析的周期和费用一般比较高 2 5 DPA 分析 DPA 分析一般是在元器件经过检验 筛选和质量一致性检验后进行的以分析其内部存在的缺 陷 这些缺陷的存在可能会导致样品的失效或不稳定 所以说 DPA 分析的过程是一种对潜在 缺陷确认和潜在缺陷危害性分析的过程 与以上其他分析技术相比 DPA 分析的不同在于 DPA 分析一般只对未丧失功能的元器件才进行 DPA 分析试验 是一种对元器件进行的事前预计 而检验 筛选和质量一致性检验是以发现缺陷为目的的 当发现缺陷时 就可剔除失效产品 或判定生产方没有生产该元器件的能力和资格 有时为了更加详尽的考察产品的质量水平 DPA 分析也用于质量一致性检验 3 DPA 分析技术在元器件生产试验过程中不同阶段的作用 在元器件生产过程中以及生产后到上机前 DPA 分析技术都可以被广泛的使用 以检验 元器件是否存在潜在的材料 工艺等方面的缺陷 具体可概括在以下方面 1 用于电子元器件电特性不合格 但未完全丧失功能的原因分析 2 用于电子元器件生产工艺 特别是关键工艺的质量监控及半成品的质量分析与控 制 3 用于控制与产品设计 结构 装配等工艺相关的失效模式 4 用于电子元器件的可靠性鉴定 5 用于电子元器件的交货检验和到货检验 6 用于电子元器件的真伪鉴别 4 DPA 分析技术的基本试验项目 4 1 DPA 试验项目 电子元器件 DPA 试验项目有包括以下内容 照相 外部目检 射线检查 芯片粘接的超声波检测 粒子碰撞噪声检测 PIND 适 用于密封空腔结构 密封 适用于密封空腔结构 引出端强度 轴向引线抗拉试验 仅 适用于轴向引线玻壳二极管 内部气氛分析 适用于密封空腔结构 物理检查 仅适用 于低频连接器 接触件检查 仅适用于连接器 开封 内部目检 内部检查 制样镜检 引线键合强度 扫描电子显微镜检查 芯片剪切强度 芯片粘接强度 显微洁净检查 仅适 用于恒温或电磁继电 共 20 个试验内容 包括在 13 个试验项目内 4 2 不同电子元器件种类相应的 DPA 项目 对于不同的元器件有不同的 DPA 试验分析方法和程序 如微电子器件 包括单片集成电 路 混合集成电路和半导体分立器件 的 DPA 项目通常是 9 个项目 外部目检 X 射线检查 粒子碰撞噪声检测 密封 内部水汽含量分析 内部目检 扫描电镜检查 键合强度和剪切 强度 片式电阻电容等元件一般是 3 4 个项目 外部目检 引出端强度 内部目检 制样 镜检 信息产业部电子第五研究所元器件可靠性研究分析中心 Article4 0002 5 加强 DPA 分析技术的意义 首先 破坏性物理分析 DPA 技术是保证元器件质量的关键技术 在元器件生产过程 中以及生产后到上机前 DPA 分析技术在衡量元器件的质量水平 质量一致性 可靠性以及 生产工艺的优劣方面都有着非常广泛且不可代替的分析优势 DPA 分析技术可以发现潜在的 材料 工艺等方面的缺陷 这些缺陷的 爆发 并最终导致元器件失效的时间是不确定的 可能在上机后刚好失效 可能在上机工作时经过了电流浪涌后才失效 也可能经过某一环境 的变化后才失效等等 所以其危害性是很严重的 其次 国内电子行业对 DPA 分析技术没 有给予充分重视 造成国内元器件质量水平低 质量一致性不好 产生了盲目的进口 严重 的影响到了国内元器件的发展 与之同时也阻碍了国内 DPA 分析技术的发展 所以说重视和 加强少数行业用及民用元器件使用 DPA 分析技术 是保证国内元器件质量的关键之一 再次 目前还没有形成完善的非气密封器件的 DPA 标准 对非气密封器件进行的 DPA 试验仅仅是一 种参考意见 所以还不能够引起用户和生产方的重视 形成了恶性循环阻碍了 DPA 技术的发 展和扩展 参考文献 1 GJB 4027 2000 军用电子元器件破坏性物理分析方法 国防科工委军标出版发行部出版 2 徐爱