三、电子微组装可靠性要求
电子微组装可靠性要求,体现在两个层面。首先是微组装产品的可靠性要求,其次是产品微组装互连结构的可靠性要求,产品的可靠性要求决定了微组装互连结构的可靠性要求,虽然产品可靠性与使用环境密切相关,但最终决定产品可靠性的应力因素是产品微组装物理结构的实际载荷应力。
标准对可靠性的定义:产品在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。可以知道,对某类产品而言,其可靠性所描述的“能力”与使用环境应力和工作时间有关,而这种“能力”可以用可靠度、失效概率、失效密度、失效率、平均寿命、特征寿命等可靠性特征量来度量,如果用可靠度来度量产品的可靠性,则产品的可靠度(R)是使用环境应力F和时间t的函数,即
式中,ψ为产品可靠度R与环境应力F和时间t的函数关系,T为产品寿命。
现实中的使用环境,应力F有各种类型,如:温度应力F1(恒定温度T,温度变化ΔT,温度梯度?T,温度变化率?T/?t,…),机械应力F2(振动应力FV,机冲应力FS,恒加应力Fa,…),潮湿应力F3(%RH,…),电磁应力F4(电场E,磁场H,静电损伤ESD,…),盐雾F5(SF,…),辐射应力F6(总剂量Cy,中子注入量Cn,…),低气压F7(PV,…)等,如果把产品电负荷(电流I,电压V,功耗P,频率f,负载R/RL/RC,…)作为电载应力F8,产品工作时间(持续时间t,开关/循环/冲击次数N,…)是必然存在的时间应力,则产品可靠度就是这些环境应力、电载应力和时间应力的函数,根据式(1-1),将产品可靠度R与外部环境应力F之间的关系写为
如果分别考虑某类应力或多类应力耦合对产品可靠性的影响,则根据式(1-2),产品可靠度R与各种环境应力F和时间t的函数关系可表示为
式中,φ1、φ2、…、φ8和ψ,分别是产品可靠度R与环境的温度应力F1、机械应力F2、潮湿应力F3、电磁场/静电应力F4、盐雾应力F5、辐照应力F6、低气压应力F7、电载应力F8和多应力耦合(F1∩…∩F8)的函数关系。
所以,产品的可靠性是环境应力的函数,不同环境应力下的产品可靠性不尽相同,可以通过可靠性试验和各类环境试验,考核产品的可靠性与环境适应性,综合环境试验可以考核产品在多环境应力耦合下的环境适应性,加速寿命、加速退化等加速应力试验是快速建立式(1-3)中可靠性函数关系的有效手段。
2．微组装产品可靠性要求
电子微组装互连包括芯片级互连、1级封装和2级封装,从相关标准和组装结构定义来区分,其涉及的产品有分立电子元器件(DEC)、混合集成电路(HIC)、多芯片组件(MCM)、微波组件(MS)、光电组件(Opto-Electronic Assembly, OEA)、微电路模块(Microcircuit Modules, MM)、系统级封装产品和真空电子器件(VED)等。
相关标准规定了可靠性基本要求和环境适应性要求(含用户规定),包括以失效率和寿命为指标的可靠性基本要求,以温度、机械、湿热、盐雾、电磁、辐照、低气压等标准环境应力为指标的环境适应性要求。前者描述产品在规定应力(通常降额)条件下长期工作仍能实现规定功能的能力要求,后者描述产品在规定应力(极限或额定)条件下短时间工作(或非工作)仍能实现规定功能的能力要求。显然,可靠性基本要求和环境适应性要求分别描述了产品质量的“耐力”和“强度”,可靠性基本要求强调的是较低应力水平和长时间工作,环境适应性强调的是较高应力水平和短时间工作。
1)可靠性基本要求
表3列出了与失效率和寿命相关的6项可靠性基本要求,这些基本要求由元器件、组件和模块的相关标准或用户来规定。评价产品是否达到这些基本可靠性要求的标准为GB 1772—79《电子元器件失效率试验方法》、GJB 128A—97《半导体分立器件试验方法》、GJB 360B—2009《电子及电气元件试验方法》、GJB 548B—2005《微电子器件试验方法和程序》、GJB 616A—2001《电子管试验方法》、GJB 899A—2009《可靠性鉴定和验收试验》和GB 2689．1～2689．4—81《寿命试验和加速寿命试验方法》。
表3 电子元器件、组件和模块产品的可靠性基本要求(标准和规范)
注:1)参照GJB 33A—97《半导体分立器件总规范》,1a)表5C组周期检验;
2)参照各类电子元件总规范,如:GJB 63B—2001《有可靠性指标的固体电解质钽电容器总规范》,4．7．19寿命;GJB 601A—98《热敏电阻器总规范》;
3)参照GJB 597B—2012《半导体集成电路通用规范》,3a)表B．4 C组检验;
4)参照GJB 2438A—2002《混合集成电路通用规范》,4a)表C．14 C组检验;
5)参照SJ 20527A—2003《微波组件通用规范》,5a)和5b)表3 C组检验;
6)参照SJ 20786—2000《半导体光电组件总规范》,6a)表6 C组检验;
7)参照SJ 20668—1998《微电路模块总规范》,7a)表2 鉴定试验;
8)根据产品功能类别选用相关标准,通常情况下,若SiP/SoP产品为气密封装,则参照GJB 2438A标准要求;若产品为灌封等非气密封装,则参照SJ 20668标准要求;
9)参照GJB 3312A—2011《微波电子管通用规范》,9a)和9b)表2 检验项目表,9c)4．9 保证使用寿命,9d)3．6．9 储存寿命。
(1)失效率(λ)要求。
失效率(λ)是指工作到时刻t时尚未失效的产品在单位时间内失效的概率,失效率要求规定了产品在有效工作寿命期内允许发生随机失效的概率上限。可以用失效率等级、失效率预计值或失效率计算值、规定条件下稳态寿命或间歇寿命的期望来表征元器件及其组件的失效率要求。
失效率等级,是针对元器件失效率高低划分的等级。根据GB1772—79《电子元器件失效率试验方法》中的定义,元器件失效率等级共分为七级,由低至高依次为:亚五级,五级,…,十级,失效率单位为1/小时或1/10次,可以通过该标准的试验方法,对寿命符合指数分布的元器件产品进行失效率定级、等级维持和升级。
失效率预计,是指利用以往累积的现场使用失效数据,对寿命符合指数分布的元器件,预计其工作状态下的失效率。根据GJB/Z299C—2006《电子设备可靠性预计手册》,采用元器件应力分析可靠性预计法,对国产元器件的基本失效率或工作失效率进行预计,进口元器件则采用相关的预计手册。
失效率计算,是利用加速应力试验的失效数据,对寿命符合指数分布的半导体器件,计算器件FIT级失效率。根据JESD 85(2001),对半导体器件在单一失效机理、多失效机理状态下的失效率进行计算。
稳态寿命或间歇寿命,是指利用产品在1000小时或规定开关次数内、在最高允许壳温或环境温度下的额定功率试验数据。针对寿命符合指数分布的分立器件、HIC、MCM、微波组件、微电路模块、SiP/SoP等,测定某批次产品可靠性是否符合规定条件下的失效率(λ)要求,或者说测定某批次产品是否已处于失效率浴盆曲线的有效工作寿命期,而不具有早期失效的特征。根据GJB 33A—97《半导体分立器件总规范》、GJB 597B—2012《半导体集成电路通用规范》、GJB 2438A—2002《混合集成电路通用规范》、SJ 20527A—2003《微波组件通用规范》、SJ 20668—1998《微电路模块总规范》和GJB 922—90《电子管总规范》,开展规定条件下的稳态寿命、间歇寿命等试验。
(2)寿命要求。寿命是指产品在规定条件下,从开始使用到必须大修或报废的寿命单位数(工作时间、循环次数)。对元器件及其组件产品而言,寿命要求则是规定了产品在有效工作寿命期或储存期至少应达到的寿命,可以用平均寿命(MTTF或MTBF)、工作寿命和储存寿命的期望来表征元器件及其组件的寿命要求。
平均寿命,是指产品寿命这一随机变量的平均值,标志着一批产品平均能工作多长时间的量,对于不可修复的元器件而言,元器件平均寿命是失效前的平均时间,即平均失效前时间MTTF(Mean Time to Failure);对于可修复的微波组件、光电组件、真空电子器件产品而言,其平均寿命是平均失效间隔时间,记为MTBF(Mean Time Between Failure)。当元器件或组件产品寿命符合指数分布时,MTTF/MTBF表示可靠度R=0．368时的寿命,这时可以通过MTTF或MTBF获取其失效率,λ=1/MTTF或1/MTBF。根据GJB 899A—2009《可靠性鉴定和验收试验》,可以对微波组件、光电组件、真空电子器件进行试验获得MTBF。
工作寿命,在这里是指元器件和组件连续工作或发生性能退化而不再满足要求时的耗损寿命,是一种表征产品退化特性的寿命参数,与失效率浴盆曲线的有效工作寿命区(随机失效阶段)的宽度对应。元器件和组件的耗损寿命应大于配套整机的连续工作寿命,无论元器件和组件是稳态工作还是间歇(开关)工作,整机中最短耗损寿命(短板寿命)的元器件决定了整机的工作寿命。根据GB 2689．1～2689．4—81、JEP 122G(2011),可以对元器件和组件开展加速寿命试验和评估,获取耗损寿命参数。
储存寿命,是指产品在规定储存条件下能够满足规定要求的储存期限。元器件和组件的储存寿命应大于配套整机的储存寿命,目前行业对元器件和组件储存寿命的指标要求有5年、8年、13年和15年。根据GB 2689．1～2689．4—81和JEP 122G(2011),结合储存环境的温度、湿度及运输应力条件,可以对元器件和组件开展储存加速寿命试验和评估,获取储存寿命。储存期间元器件非工作状态的失效率预计,可以按照GJB/Z 108—98《电子设备非工作状态可靠性预计手册》进行。
2)温度、机械环境适应性要求
表4给出了与温度、机械相关的6类环境适应性要求,这些要求来自电子元器件、组件和模块产品通用规范的相关环境适应性考核要求。评价产品是否达到规定的适应性要求的试验方法,除前面列出的标准GJB 128A—97、GJB 360B、GJB 548B、GJB 616A外,还有标准GJB 150A—2009《军用装备实验室环境试验方法》、GB/T 2423《电工电子产品基本环境试验规程 方法系列》、GB/T 2424《电工电子产品基本环境试验规程 导则系列》。
表4 电子元器件、组件和模块环境适应性要求——温度/机械(标准和规范)
注:1)参照GJB 33A—97《半导体分立器件总规范》。1a)表3“A组检验”;1b)表7“E组检验”;表4b“B组检验”;1c)、1d)和1e)表5“C组检验”;1f)表4b“B组检验”。
2)参照各类电子元件总规范,如:GJB 63B—2001《有可靠性指标的固体电解质钽电容器总规范》、GJB 601A—98《热敏电阻器总规范》等。2a)GJB 63B—2001表11“稳定性试验温度”;2b)GJB 63B—2001 4．7．13．1 温度冲击;2c)GJB 63B—2001 4．7．11 高频振动;2d)GJB 63B 4．7．10 冲击(规定脉冲);
3)参照GJB 597B—2012《半导体集成电路通用规范》。3a)表B．2“A组电测试”;3b)、3c)、3d)、3e)和3f)表B．5“D组检验”。
4)参照GJB 2438A—2002《混合集成电路通用规范》。4a)表C．11“A组检验”;4b)、4c)、4e)和4f)表C．14“C组检验”;4d)需要时根据用户需求规定。
5)参照SJ 20527A—2003《微波组件通用规范》。5a)表2“A组检验”;5b)表3“C组检验”;5c)和5d)表3“C组检验”。
6)参照SJ 20786—2000《半导体光电组件总规范》。6a)表1、表4和表5;6b)、6c)和6d)表6“C组检验”。
7)参照SJ 20668—1998《微电路模块总规范》。7a)表2“鉴定检验”;7c)、7d)和7e)表4“C组试验”。
8)根据产品类别,选用相关标准要求,通常情况下,若SiP/SoP产品为气密封装,则参照GJB 2438A标准要求;若产品为灌封等非气密封装,则参照SJ 20668或SJ 20527A标准要求。
9)参照GJB 3312A—2011《微波电子管通用规范》。9a)表2“检验项目表 高温工作、低温工作”;9b)、9d)和9e)表2“检验项目表 温度循环、振动、机械冲击”;9c)参照产品详细规范要求。
(1)温度环境适应性要求。温度环境适应性是指产品在其寿命期预计可能遇到的各种温度环境下进行工作或储存,仍能实现预定功能、性能且不被破坏的能力,温度环境适应性要求则规定了产品应能耐受的温度应力水平。可以用高温/低温环境适应性、温度循环适应性、温度冲击适应性的期望来表征元器件及其组件的温度环境适应性要求。
高温/低温环境适应性,是指产品在最高、最低额定外壳温度或环境温度条件下工作,能够满足规定功能和性能的适应能力。极端高温/低温会使元器件和组件产品的结构和物理性能发生很大变化,导致产品损伤或发生性能变化,如:高温使有机材料快速老化、半导体器件PN结漏电流增加、绝缘材料性能下降,低温使有机材料丧失弹性或破裂、金属和塑料脆性开裂、气密封装器件内部水汽凝露发生参数超差或短路等。采用高温/低温试验,可以对元器件及其组件的高温/低温环境适应性进行考核,其最高温度和最低温度以产品详细规范中“工作条件-温度范围”规定的最低壳/环温度和最高壳/环温度为依据。
温度循环适应性,是指产品在极端高温和极端低温,以及极端高温与极端低温缓慢交替变化(ΔT/min≤20℃)条件下工作,能够满足规定功能和性能的适应能力。高温、低温及高低温缓慢交替变化应力的持续施加,会使元器件和组件产品材料界面的韧性材料发生疲劳和蠕变,导致局部导电性能和机械强度下降,如:使元器件焊点材料热疲劳导致开裂、使塑封器件水汽沿引脚框架渗入导致芯片腐蚀、使气密封装器件内部水汽凝结并蒸发导致芯片腐蚀加速等。采用温度循环试验,可以对元器件及其组件的温度循环适应性进行考核,其温循应力水平以标准或产品详细规范要求为准。
温度冲击适应性,是指产品经历温度剧变(ΔT/min≥20℃)后仍能保持结构完整性的能力。温度剧烈变化,会使元器件和组件内部在材料界面迅速形成强烈应力响应,可能导致产品快速产生裂纹和结构损伤,如:使硬焊料烧结的芯片破裂、使密封器件玻璃绝缘子开裂水汽渗入、使元件涂敷层脱落等。采用温度冲击试验,可以对元器件及其组件的温度冲击适应性进行考核,试验应力水平参考相关标准。
(2)机械环境适应性要求。机械环境适应性是指产品在其寿命期预计可能遇到的多种机械环境的作用下,仍能实现预定功能、性能且不被破坏的能力,机械环境适应性要求规定了产品应能适应的机械应力水平。可以用机械振动适应性、机械冲击适应性、恒定加速度(或稳态加速度)适应性的期望来表征元器件及其组件的机械环境适应性要求。
机械振动适应性,是指产品在经历机械振动后或在机械振动条件下工作,仍能保持结构完整或满足规定功能和性能的能力。机械振动会使产品结构产生裂纹损伤或振动疲劳破坏,如:继电器触点接触不良、PCB板上元器件引脚焊点振动疲劳脱开、气密性封装组件盖板焊缝开裂等。为模拟地面固定装置、船舶航行等引起的正弦振动,模拟火箭发射、喷气发动机和车辆行驶等引起的随机振动,标准给出了扫频振动和振动疲劳试验(10～2000Hz扫频或定频的正弦振动激励)以及随机振动试验(10～2000Hz同时在所有频率上进行激励),考核产品抗振能力和振动疲劳寿命。
机械冲击适应性,是指产品在经历机械冲击后,仍能保持结构完整的能力。机械冲击产生于产品装卸、车辆紧急制动和碰撞等过程,由于产品突然受力或运动状态发生突然变化,使元器件和组件产品结构瞬间变形并产生瞬态冲击响应,可能导致产品结构破损,如:气密封装盖板塌陷导致内引线变形损伤、HIC电路陶瓷基板开裂、高密度陶封电路内引线触碰短路等。采用机械冲击试验,可以对元器件及其组件的机械冲击适应性进行考核。
恒定加速度(或稳态加速度)适应性,是指产品在经历某种恒定加速度作用后,仍能保持结构完整的能力。恒定加速度产生于车辆、飞机和导弹的加速、减速、转弯等过程,由于产品不断受到恒定加速度的作用,使元器件或组件内部组装结构持续受到与加速度方向相反的应力作用,可能导致产品外壳、引线、封接等处损伤,导致电性能变坏,如:加速度过载使MEMS器件微硅质量块系统发生不可恢复的形变、电感或电容器量值变化、继电器误动作、组件内部表面贴装元件脱落等。一般采用离心方式的恒定加速度试验,对元器件和集成电路封装结构、模块电路组装结构的恒定加速度适应性进行考核。
3)湿热、盐雾、电磁、辐射、低气压环境适应性要求
表5列出了与湿热、盐雾、电磁、辐射、低气压5类环境的适应性要求,这些要求来自电子元器件、组件和模块产品通用规范的相关环境适应性考核要求,评价其是否达到规定的适应性要求的试验方法,除前面列出的标准GJB 128A—97、GJB 360B、GJB 548B、GJB 616A、GJB 150A、GB/T 2423和GB/T 2424外还依据标准GB/T 10125—2012《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》等。
表5 电子元器件、组件和模块环境适应性要求——湿热/盐雾/电磁/辐照/低气压(标准和规范)
注:1)参照GJB 33A—97《半导体分立器件总规范》。1a)表5“C组检验 耐湿”;1b)表5“C组检验 盐雾”;1c)“4．5．2．1 ESD等级鉴定”;1d)表1b“辐射强度保证等级和要求”;1e)表7“E组检验(仅对>200V器件)”。
2)参照各类电子元件总规范。如:GJB 63B—2001《有可靠性指标的固体电解质钽电容器总规范》,2a)表4“C组检验 耐湿”;2b)表4“C组检验 盐雾”。GJB 601A—98《热敏电阻器总规范》。
3)参照GJB 597B—2012《半导体集成电路通用规范》。3a)表B．5“D组检验 耐湿”;3b)表B．5“D组检验 盐雾”;3c)检测方法:IEC 61967,Ed．2∶Integrated circuits-Measurement of electromagnetic emissions-Part 3∶ Measurement of radiated emissions-Surface scan method．2013;3d)3．4．2．4 ESDS等级鉴定;3e)表2“RHA等级”。
4)参照GJB 2438A—2002《混合集成电路通用规范》。4a)表C．15“与封装有关的D组检验 耐湿”;4b)表C．15“与封装有关的D组检验 盐雾”;4c)3．8．5．7．3 ESDS识别标志;4d)表E．1“RHA等级”;4e)GJB1027A—2005《运载器、上面级和航天器试验要求》6．4．4组件鉴定热真空试验。
