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2020-02-13

电子元器件助剂清洗韦德国际1946官方网站分享:电子元器件破坏性物理分析(DPA)技术

发布者:韦德国际1946官方网站Unibright ; 浏览次数:225

电子元器件助剂清洗韦德国际1946官方网站分享:电子元器件破坏性物理分析(DPA)技术


一、概述

电子元器件破坏性物理分析(DPA)是为验证元器件设计、结构、材料和制造质量是否满足预定用途或有关规范要求,对元器件的样品进行解剖以及解剖前后进行一系列试验和分析的全过程。

通过解剖给定产品批的完整样品,对电子元器件样品进行系统、详细、严密的检查,揭示产品存在的设计、生产和工艺上的问题,而这些问题通常不能通过常规检测和筛选试验发现或剔除。DPA技术是高可靠工程使用的元器件质量保证重要方法之一。

DPA技术包括以下要素。

· 检验批:DPA 分析的结果是对应检验批的,一次 DPA 结果的合格与否只能说明被检验批的质量水平,不能代表该产品以往或以后产品批的情况。

· 良品:进行 DPA 分析的对象是良好产品,旨在检查其内部的设计、结构、工艺情况和潜在危害。

· 试验标准:根据样品的使用环境,合理确定检查项目和判定等级,例如 GJB548 微电子器件试验方法和程序中明确规定了军级和宇航级试验判据。

· 试验项目及其顺序性:不同的试验项目存在相互影响和不可逆性,合理安排试验项目及顺序,更有利于试验顺利进行和效果检验。例如,密封试验必须放置在样品破坏性试验之前,X 射线检查可以为后续的粒子碰撞噪声检测试验 PIND 和内部水汽含量等试验提供数据支持等。

· 检查中放大倍数的特殊要求:DPA技术检查的是一些可能危及产品可靠性的缺陷,因此,一定的放大倍数是保证缺陷程度不被放大或缩小的前提。例如外观检查,规定是在 10 倍显微镜下检查,如果放大倍数被无限放大,样品表面势必出现无数缺陷表征,将无法进行判定。

· 失效确认的充分性:DPA分析判定不合格必须有充分的依据,即必须符合相应的标准条款号,如果发现的缺陷没有标准条款与之对应,DPA 分析的结论就不能判定不合格,如果该缺陷确实影响产品的可靠性,可以将该缺陷作为非标准缺陷指出,不进行判定。

二、DPA的目的和应用方向

1.DPA技术的目的

DPA 的目的通常是为了确定被检验批产品是否存在可导致产品退化和致命失效的异常或缺陷。

通过对给定产品批的良好样品进行的一系列非破坏性或破坏性试验,揭示产品存在的设计和生产工艺上的问题,而这些问题通常不能通过常规检测和筛选试验发现或剔除。

2.DPA技术的应用方向

(1)用于电子元器件批质量一致性的检验及生产工艺评价。通过DPA技术可以有效地保证电子元器件批质量的一致性和评价生产工艺的水平。

(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。根据电子元器件生产工艺的特点,对关键工艺提取关键监控项目,可以有效地保证半成品的质量水平,从而提高电子元器件的可靠性水平。

(3)用于控制与产品设计、结构、装配等工艺相关的失效模式。从产品的失效模式特点出发,有效地反馈到工艺各环节,通过相应的DPA技术项目达到控制相关失效模式的目的。

(4)用于电子元器件的可靠性鉴定。对于高可靠性电子元器件的可靠性鉴定,不仅要进行功能测试、物理试验、环境机械适应性试验、可靠性寿命试验等,还应该对其潜在的工艺缺陷进行评估。

(5)用于电子元器件的交收试验。电子元器件生产批质量虽然存在一定的差异性,但由于某一批存在工艺异常导致系统或工程失效的后果是不可想象的,因此,开展电子元器件的交收检验是非常有必要的。另外,目前市场上有各类假冒产品或翻新产品,这些产品的危害可想而知,DPA 技术作为对产品设计、结构、材料和生产工艺检查的有力工具,自然是电子元器件的交收试验的首要手段。

三、DPA方法和程序

1.GJB4027A—2006《军用电子元器件破坏性物理分析方法》简介

GJB4027A—2006《军用电子元器件破坏性物理分析方法》规定了各类元器件的破坏性物理分析的通用方法,包括 DPA 程序的一般要求以及典型电子器件 DPA 试验和分析通用方法和缺陷判据,适用于有 DPA 要求的元器件。

在一般要求中提出了批质量一致性抽样样本的大小、抽样方式、并行检验、组合样本以及电特性不合格元器件的使用要求。提出了关键过程(工艺)监控的抽样、交货检验、到货检验抽样、超期复验抽样及重新抽样的要求,提出了DPA方案应包含的内容和要求。

2.DPA工作流程

DPA 工作流程以应能获得最多有用的 DPA 信息为原则进行编制。流程应包括检验的项目、实施的顺序、允许并行或调换顺序的检测项目以及依据某些项目的检验结果可能实施的待选项目。一般工作流程如图1。

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图1 DPA一般工作流程

3.DPA抽样及抽样方式

DPA 用于批质量一致性检验时,抽样方案应以产品规范为准。当产品规范未规定时,应按照GJB4027A的规定确定抽样方案。

样本大小应以满足 DPA 检验项目的需用量为前提。对于一般元器件,样本大小应为生产批总数的 2%,但不少于 5 只也不多于10 只;对于结构复杂的元器件,样本大小应为生产批总数的 1%,但不少于2只也不多于5只;对于价格昂贵或批量很少的元器件,样本大小可适当减少,但应经有关机构批准后实施。有关机构包括鉴定机构、采购机构或元器件使用方等。

DPA 样本中的样品应在生产批中随机抽取,如经有关机关批准,也可抽取最能暴露缺陷的元器件作为样品。

4.不同种类电子元器件相应的DPA项目

对不同的元器件有不同的DPA试验分析试验项目,GJB 4027A有明确的规定,如微电子器件及半导体分立器件(包括单片集成电路、混合集成电路和半导体分立器件)的DPA项目有 9 项: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;而塑封集成电路的DPA分析试验项目有7项:外部目检、X 射线检查、声学扫描显微镜检查、内部目检、键合强度、扫描电镜检查和玻璃钝化层完整性检查;电阻器和电容器等元件一般是 3~4 项:外部目检、引出端强度、内部目检、制样镜检。连接器需做外部目检、X射线检查、物理检查、制样镜检和接触件检查等。

表 1 列举了各类元器件的破坏性物理分析试验项目。列出了标准中所包括的各种元器件类别和对应的工作项目号,表中还列出了各类电子元器件需要进行的试验项目。从表中可以看出不同类别的电子元器件,因其结构、制造工艺不同,所进行的 DPA 试验项目也不相同。

表1 各类元器件破坏性物理分析(DPA)试验项目

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从质量与可靠性的角度考虑,下述电子元器件需做DPA:

(1)装备中关键电子产品、重要电子产品用电子元器件;

(2)质量等级低于整机装备要求的电子元器件;

(3)在试验中曾发生失效或故障的同批次电子元器件;

(4)超过存储期的电子元器件。

DPA 的费用与所进行的试验项目以及元器件的类型、数量密切相关,一般是试验项目越多费用就越高。工程应用经验表明,DPA 试验项目可根据工程及应用的需要进行适当增减,但如何增减必须仔细研究,原则是不能因DPA试验项目的增减而影响到设备使用的可靠性。

5.DPA检验结论

根据GJB4027A中规定,DPA结论如下:

① DPA中未发现缺陷或异常情况时,其结论为合格;

② DPA中未发现缺陷或异常情况时,但样本大小不符合本标准规定时,其结论为样品通过;

③ DPA 中发现相关标准中的拒收缺陷时,其结论为不合格;但结论中应阐明缺陷的属性(如可筛选缺陷或不可筛选缺陷);

④ DPA中仅发现异常情况时,其结论为可疑或可疑批,依据可疑点可继续进行DPA。

凡是具有以下条件之一的缺陷,即构成了批拒收缺陷:

① 缺陷属于致命缺陷或严重缺陷;

② 具有批次性缺陷;

③ 具有发展性的(如铝腐蚀)且难以筛选的缺陷;

④ 严重超过定量判据的缺陷。

在外形、装配或工艺不符合规定的要求时即构成缺陷。当DPA用于批质量评价时,除非另有说明,元器件的缺陷应作为拒收的依据。致命缺陷是对产品的使用、维修、运输、保管等有关人员造成危害和不安全的缺陷,或可能妨碍重要产品的主要性能的缺陷。严重缺陷是不构成致命缺陷,但很可能造成故障或严重降低产品使用性能。

DPA的拒收缺陷判据应在采购合同或有关管理文件中明确规定。

6.DPA不合格及不合格批的处理

(1)在鉴定时进行的DPA中,如发现了拒收缺陷应按照DPA不合格处理。

(2)在验收时进行DPA中,如发现了拒收的缺陷应按照整批拒收处理。当发现的缺陷是可筛选缺陷,允许生产方进行针对性筛选后,加倍抽样再进行一次 DPA,如果不再发生任何缺陷,可按通过DPA元器件处理。

(3)在复验时进行的DPA中,如发现了批次性缺陷应按整批报废处理。当发现了可筛选的缺陷,应在进行针对性筛选后,加倍抽样再进行一次 DPA,如果不再发生任何缺陷,可按通过DPA元器件处理。

(4)在已装机元器件质量验证进行的DPA中发现了拒收缺陷,一般应对已装机同生产批的元器件做整批更换处理。当设计师系统进行失效模式、影响及危害分析后,并经评审认可元器件的损坏,不致导致型号任务的失败或严重影响型号任务的可靠性,也可不做整批更换处理。

7.DPA数据记录

为便于识别和记录,样品要予以编号,每批DPA应有一个独立的编号。应记录每个元器件的有关标识,按相应的DPA程序记录检测数据,每个记录的数据都应于样品和检验项目相对应。

8.DPA样品和保存

已进行的 DPA 样品,实施 DPA 单位应加以标识并在合适的环境中保存,保存期至少半年或按合同(委托任务书)规定以备委托单位复查;委托单位有要求时,可由委托单位保存。

若无其他规定,DPA的有关资料至少保存10年。

四、DPA主要试验项目的作用

进行 DPA 的目的是验证电子元器件能否满足预定使用要求。根据 DPA 的结果促使元器件的生产厂改进工艺和加强质量控制,让使用者最终能得到满足使用要求的元器件。

不同的试验项目检查的内容不同,以单片集成电路为例,GJB4027A 提到应做的 DPA 试验项目包括外部目检、X 射线检查、颗粒碰撞噪声检测(PIND)、密封性试验、内部水汽含量检测、内部目检、扫描电镜检查、键合强度、芯片剪切强度等 9 项。下面对集成电路的DPA 项目进行简单介绍,使用者在了解这些项目的作用后,可以根据使用要求选择项目,可根据DPA结果正确处理元器件,以达到高效益费用比的目的。

(1)外部目检。目的是检验已封装器件的外部质量是否符合要求,可发现器件的封装、标志、镀层及密封等部位的缺陷。如DPA抽样检查时样品为不合格,可通过对整批器件进行针对性筛选剔除有缺陷的器件。

(2)X 射线检查。目的是用非破坏性的方法检查封装内的缺陷,可发现器件内部存在的金属多余物、内引线开路或短路、芯片附着材料或玻璃密封中的空洞。对结构检查、芯片黏接和密封检查较为有效,但在DPA工作中有一定局限性,X射线难以检查出铝丝的状况,而在器件中的内引线往往以硅铝丝为主。

(3)粒子碰撞噪声检测(PIND)。目的是检查电子元器件腔体内有无可动的多余物。PIND 是非破坏性的,对器件施加一定的冲击和振动应力,使多余物活动并与管壳碰撞,由灵敏的检测器检测出来。多余物(导电的)会造成瞬间短路,而使器件出现失效。如不合格也可通过对整批器件进行针对性筛选剔除有缺陷的器件。PIND 试验结果的重复性达不到100%,但发现有缺陷的必须剔除。

(4)密封性试验。目的是检查气密性封装元器件的封装质量。如果密封不良,恶劣的环境气氛会侵入器件内部引起电性能不稳定、内部腐蚀开路。密封试验分为细检漏和粗检漏,可分别检测出不同的漏率。一般来讲,氦质谱细检漏可检查出 1Pa·cm3/s~10-4Pa·cm3/s 的漏率,氟油加压粗检漏可检查出大于 1Pa·cm3/s 的漏率。该项属非破坏性试验。如密封性不合格也可通过对整批器件进行针对性筛选剔除有缺陷的器件。

(5)内部水汽含量测试。可定量检测密封器件内部的水汽含量。密封良好的器件内部若水汽含量过高,也会引起电性能的不稳定、内部腐蚀甚至开路,而影响器件的长期可靠性。此试验是破坏性的,而内部水汽含量超标常常是批次性的。

(6)扫描电镜(SEM)检查。主要用于判断集成电路芯片表面上互连金属化层的质量。对需要进行形貌观察的项目,因光学显微镜放大倍数或景深等原因难以判断时,可用扫描电子显微镜做进一步判断,但必须注意,不得因放大倍数的提高而加严有关判据。如果发生任何内引线键合的脱落,就应进行扫描电镜检查,以确定断裂处键合与芯片界面的特征。扫描电子显微镜配备能谱仪可对多余物进行成分分析。

(7)内部目检。检查器件内部的材料、结构和工艺操作是否符合相应的要求,在高质量的器件制造过程中都要进行严格的、100%的内部目检,主要对芯片的金属化、钝化层、内引线的键合、芯片的安装黏接、材料和结构的检查。对已封装的器件开帽后进行内部目检可发现器件在生产控制过程中的内部目检是否按规定要求进行,是否存在有批次性缺陷,这些缺陷可能会导致器件在正常使用时失效。有些缺陷也是批次性的,要根据缺陷的种类认真分析以确定整批的器件是否可以使用。

(8)键合强度试验。目的是检查器件内引线的键合是否达到规定的要求。集成电路芯片和管壳是通过键合金丝或铝丝来连接的。键合强度低,键合点就容易脱开,从而造成器件失效。“零克点”是这类缺陷中最严重的。所谓零克点即键合强度为零克的点,具有这种缺陷的键合点即使没脱开,也只是“虚”接触。键合强度的退化也常常带有批次性,出现 “零克点”的批次一般不得使用。

(9)剪切强度试验。目的是检查芯片(或表面安装的无源元件)黏附在管座上所使用的材料和工艺的完整性。如果芯片附着不牢,芯片脱离管座会引起器件的开路;黏结不良,芯片散热不良会造成过热烧毁。芯片的剪切强度不合格也往往带有批次性。

五、DPA技术与其他质量分析的关系

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等。虽然在这些方法和措施中有许多的试验项目会相同,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时段各不相同。这些方法各有所长,在元器件的生命周期内应有效地结合使用才能达到最佳的质量效益比。

(1)与进货检验的关系

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,主要是采用简单的电测量、外观观察以及在低倍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,必须与其他质量控制技术配套使用,才能真正起到保障元器件质量的作用。

(2)与筛选的关系

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,失效就可能会暴露出来了。老练试验环境条件的选取是筛选试验的难点,因为老练条件太苛刻,元器件就会损坏或受到损伤,寿命降低,如果条件不够,就不能有效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得出。

(3)与质量一致性检验的关系

质量一致性检验即鉴定质量一致性检验,是为了保证器件和批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。

(4)与失效分析的关系

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,一般还需要良品来对照,所以,分析的周期比较长,费用比较高。

六、案例分析

案例1 某型视频处理组件(微组装结构)的破坏性物理分析

目前,进行元器件 DPA 主要依据 GJB4027A、GJB548B 等标准进行,大部分元器件均可以直接参照这些标准所规定的项目、程序、方法和判据来完成DPA工作,一般仅需要结合元器件的实际情况对标准要求进行适当的剪裁即可。但是,随着宇航型号的不断发展,大量新型结构的元器件、特别是许多微组装级的元器件被选用,尽管上述标准也在不断地更新换版,例如,GJB4027A换版后所覆盖的元器件类别由13大类、37小类增加到16大类、49小类,但仍然无法满足元器件质量保证机构的DPA工程任务需求,仍然无法覆盖型号使用的元器件种类。因此,针对特殊元器件开发有针对性的DPA方法是实际工作中解决上述问题的有效途径之一。下面介绍某型视频处理组件(微组装结构)的DPA案例,以说明特殊器件开展DPA的方法。

1.微组装结构元器件的主要特点

从完成DPA工作任务的角度来看,微组装结构的元器件与常规元器件相比主要存在以下几方面的差异:

(1)器件的结构单元数量较多,这类器件往往是由多个有源器件和/或无源元件组成;

(2)不同单元之间的类别差异较大,这类器件的内部往往是由多种元器件组成,包含电阻、电容、集成电路和分立器件等,内部元器件本身的封装、结构形式等也存在较大的差异;

(3)不同结构单元的互联方式复杂,通常采用“立体式”的布局方式,无法通过“平面式”的检查来完成所有DPA的试验工作;

(4)微组装结构的元器件价值昂贵,往往不能提供较多的样品用于DPA试验,要求合理地选择试验项目,采取优化的试验流程,每一个试验步骤都要达到尽可能多的试验目的。

以某型视频处理组件为例,该器件外观形貌和X射线透视形貌如图2和图3所示。

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图2 器件外观形貌


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图3 器件X射线透视形貌

从图示可以看到,该器件的主体结构是由安装在印制板上的 4 个 BGA 封装的多单元塑封集成电路和 1 个倒装芯片组成,另外印制板上还有表贴的电阻、电容等线路匹配元件,器件整体采用BGA封装,在器件底部倒装芯片周围植有650个焊球。

2.DPA过程中的主要难点

1)对不同结构单元的全面覆盖分析有难度

在本案例中,器件由多个独立的集成电路、电阻、电容等组成,每一个结构单元本身的质量都对器件可靠性有影响,因此都需要进行有针对性的分析,并且都需要进行深入结构单元内部的破坏性分析。然而,由于不同的结构单元采用了“立体式”布局。因此,相比这些结构单元独立状态下的DPA过程,要确保每个单元都覆盖分析有一定的难度。

2)对于超出元器件范畴的质量、可靠性分析有难度

在本案例中,器件还有相当一部分的结构单元属于印制板、加固胶等电子装联领域的部分,同时不同的结构单元都处于焊接互联状态,这些部分的工艺质量同样对器件可靠性有影响,因此也需要在DPA过程中予以针对性分析,然而这些部分显然已经在某种程度上超出了一般元器件的范畴,相应的试验方法和判据确定有一定的难度。

3)对某一结构单元进行试验过程的同时还要做好对其他单元的保护有难度

在本案例中,器件的各结构单元布局较紧凑,集成了多种电子装联方式,在进行化学开封、金相剖面制备等过程中,受试验设备、夹具和试验流程等方面的限制,不同结构单元的检查顺序和“破坏顺序”不一样,在进行某结构单元的破坏性分析过程中,不能影响其它单元的状态,不能引入非固有缺陷,这就要求加强试验流程的优化设计和试验过程的防护。

3.DPA过程中的主要关注点和分析流程

1)器件整体外观质量

首先,要对器件整体的外观质量进行检查,有关塑封器件、电阻器、电容器和 BGA 封装器件等具体元器件的外观质量检查判据以及印制电路电子装联的外观质量检查判据均适用于该项试验。

2)器件整体封装质量

器件采用了塑料封装、印制板装联等结构,因此采用 X 射线透视检查可以有效地对器件整体的封装质量进行检查,包括孔洞、变形、开路和位置异常等缺陷均是本项试验的关注点;同样地,具体元器件的X射线检查判据以及印制电路电子装联的X射线检查判据均适用于该项试验。

3)塑封电路单元的工艺质量

器件内部的 4 个 BGA 封装塑封电路的 DPA 试验,需要作为整个器件 DPA 的重点来进行。从可行性方面来看,这 4 个电路除了处于安装在印制板上的状态以外,其余需要在 DPA过程中考虑的事项与独立的塑封电路相比,差异不大。因此,塑封电路的相DPA标准,如美国NASA的PEM-INST-001标准以及改版后的GJB4027A等,所规定的DPA项目均可以作为针对这部分结构单元的试验项目,主要包括声学扫描检查(SAM)、化学开封、内部目检、金相剖面检查、键合强度、扫描电子显微镜检查(SEM)和玻璃钝化层完整性检查等,相应的试验判据也可以参照使用。塑封电路内部形貌如图4所示。

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图4 塑封电路内部形貌

4)表贴元件的工艺质量

器件内部采用表贴工艺安装了 30 个电阻器和电容器,安装的位置不对称,方向角度也不一样,对这一结构单元的工艺质量检查应当至少包括两个方面:①元件的固有制造工艺质量;②元件的表贴安装质量。

对于元件固有的制造工艺质量的检查所需要的试验手段和试验项目并不复杂,按照GJB4027A 的规定,主要通过金相剖面方法进行制样镜检。需要注意的是,在金相制样过程中应合理地选择器件整体的金相剖磨方向,同时在剖磨过程中借助 X 射线跟踪并控制剖磨进程,以免剖磨过快而遗漏某个元件,并确保每个元件都能够在剖磨过程中被检查到。

对于元件的表贴安装质量,可以通过焊接外观检查、剪切力和金相剖磨制样三种手段进行,其中剪切力试验可以参照 GJB 548B 中关于混合电路内部元件的剪切力试验方法进行,焊接外观检查和金相剖磨制样检查的主要关注点是元件端头与焊盘之间的焊锡堆积状态、结合状态等,检查判据可以参照QJ2465等表面装联工艺标准的要求,如图5所示。

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图5 电阻器和电容器安装的状态

5)内部互联结构的工艺质量

在本案例中,器件内部的互联主要包括印制电路板的金属条、金属化过孔、BGA 焊球和焊盘等,印制板采用了多层板结构,对于这一部分结构的检查只能通过金相剖面制样的方式进行。并且需要注意的是,这一部分剖面制备的过程需要纳入前述的塑封电路、电阻器和电容器的金相剖面样品制备过程中进行,即需要在对上述内部元器件进行检查过程中同时关注内部的互联结构工艺质量。如图6所示。

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图6 内部互连结构剖面形貌

上述讨论了不同结构单元的关注点、检查试验手段以及检查过程中的相互顺序关系,该微组装结构器件的DPA试验流程归纳如图7所示。

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图7 DPA试验流程

总之,微组装结构等复杂元器件的 DPA 是综合了多种领域元器件分析技术的系统性过程;通过将复杂元器件分解为多个结构单元,并尽可能地借助已有成熟的DPA标准,可以达到 DPA 过程有依据以及覆盖全面的要求;在 DPA 过程中需要按照尽可能减少对剩余结构单元影响的原则,进行每一步的试验,并注意合理分配每一个试验项目中的检查要点,确保每一个结构单元的检查要点不遗漏。

案例2 DPA技术用于假冒翻新塑封器件的鉴别

1.塑封器件假冒翻新的常见手段

目前塑封器件假冒翻新的常见手段有以下两类:

(1)仿制加工,以次充好。假冒塑封器件通常将型号、低质量等级或功能不同的产品,仿制成其它同类产品进行销售。采用类似方式工艺加工出来的器件与实际功能不符,更是无法满足整机系统的功能要求。

(2)废品翻新,二次使用。翻新塑封器件是将已被淘汰、使用过、或制造过程中的废次品,甚至是不同型号或功能的产品,经工艺处理,掩盖原有特征形貌,并印刻同生产厂家、同型号及同批次的标识,作为新产品重新投入市场。这类塑封器件在翻新处理过程中会引入新的损伤,如塑封料表面打磨造成芯片表面的机械损伤、内部界面分层、引脚机械损伤,焊锡处理过程中引入腐蚀性化学物质的残留,以及静电放电损伤等,一般而言翻新塑封器件的可靠性风险相比假冒塑封器件更大。

2.塑封器件假冒翻新鉴别的无损分析程序

目前,假冒翻新的手段层出不穷,然而尚未有塑封器件假冒翻新鉴别检测标准及规范,也没有形成有效的流程化鉴别模式,造成鉴别难度较大。对于翻新塑封器件,可以借鉴 DPA (破坏性物理分析),建立假冒翻新从无损到有损的分析程序进行判定:首先进行无损性的外观分析,在发现疑似的假冒翻新器件后,进行 X 射线检查分析、C-SAM 声学扫描显微镜检查,最后在基本确定为疑似翻新器件后进行破坏性的化学开封及内部观察分析,而假冒塑封器件还要另外进行电性能比对测试,具体无损鉴别分析程序如下:

1)外观初步分析

采用立体显微镜、精密影像测量仪及分析天平对塑封器件外观进行分析。

2)塑封器件标志

塑封器件标志一般采用激光打标或丝印打标,器件型号厂家等标识字迹清晰完整。丝印打标工艺早已被大部分元器件生产厂家淘汰,因此采用丝印打标出现假冒翻新的几率更大,如图8所示生产厂家在相同型号器件却采用不同的打标工艺。

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图8 器件标识打标比对图

至于激光打标器件,由于检测过程中往往没有原厂正品作为参照物进行比对观察,区分真伪比较困难,只能从塑封器件的标识字迹是否清晰、打标是否平滑以及表面熔融痕迹的深浅等特征进行判定。

3)塑封器件定位标识

塑封器件定位标识一般采用磨具形成定位标识点、激光打标或丝印打标的三种方法。检查定位标识主要是观察同批次器件标识点的大小、深度及颜色是否一致,是否存在多余物等现象。如参差不齐或存在明显差异,那么这批器件翻新的几率比较大。尤其是对于原有器件丝印的定位标识,其主要翻新手段是打磨掉原定位标识,或打磨一半,由于造假工艺的质量控制不稳定,因此每只样品的翻新一致性较差,或存在明显痕迹,通过观察样品的定位标识比较容易识别出假冒翻新器件(定位标识比对如图9所示)。

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图9 定位标识比对

4)表面形貌观察

打磨是翻新塑封器件的重要工序,在大多数翻新塑封器件均能发现打磨的痕迹。打磨后的器件表面粗糙,即使采用研磨抛光,也无法达到最初注塑固化后的光洁程度,在显微镜下仔细观察样品的正反面材质(或与原厂正品进行比对)的差异。其次由于塑封器件都是通过模具一体成型,其正反表面形貌、边缘处倒圆角结构高度一致。假冒翻新塑封器件正反表面形貌不一致,上表面一般打磨后会喷涂一层光亮的涂覆物,器件边缘圆角也会被打磨成直角(表面形貌比对如图10所示),因此通过外观观察可以判定器件是否存在翻新。

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图10 表面形貌比对

5)器件引出端观察

原厂塑封器件的引脚末端经过切筋工艺后金属本体没有镀层。而翻新塑封器件则需对引脚表面进行镀锡处理,却由于引脚不够长不能再进行切筋工艺,所以引脚末端断面通常有完整连续的镀层与原厂器件形成差异。

6)尺寸及重量测试

假冒翻新的塑封器件是将原标志打磨处理,然后进行喷涂一层物质将研磨痕迹覆盖,最后在减薄的器件上打上新的标志,因此在尺寸上会出现厚度减薄,高度降低等现象。针对这一特点采用精密影像测量仪首先对塑封器件的高度进行测量,重量也较轻。

7)X射线分析

在通过初步的外观分析发现疑似的翻新器件后,接下来可以采用仪器进一步进行无损性检测分析。运用 X 射线测试仪对塑封器件内部结构比对,如芯片尺寸以及键合引线的材料、互连方式等于原装塑封器件之间的差异。

8)C-SAM声学扫描显微镜检查分析

声学扫描显微镜不仅可以检测原装塑封器件的多种缺陷,如键合区域面分层、塑封材料内部空洞和裂纹、引线框架分层、芯片粘接区域分层等,而且也可以用于判定塑封器件是否经历过热应力。由于材料的热膨胀系数不同,焊接使用时温度会加热到 245℃,热应力可能导致内部界面出现分层现象,由此通过声学扫描判断塑封器件是否假冒翻新(如图11所示)。

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图11塑封层分层比对

3.塑封器件假冒翻新鉴别的破坏性分析程序

通过上述无损性的外观分析、X 射线检测分析及声学扫描显微镜检查,在基本判定试样为翻新器件后,采用破坏性(有损的)分析进一步认定。使用浓硫酸腐蚀塑封表面进行化学开封,对除金键合丝完整保留外,其它材料键合丝,如铜丝或铝丝在开封过程中均被腐蚀,由此可以判定键合丝材料是否与原装塑封器件一致,从而定性鉴别塑封器件是否存在假冒翻新现象。同时在开封后比对测量芯片尺寸差异,观察芯片上厂家标识以及型号批次信息与塑料外壳表面信息是否一致,并观察芯片版图的差异(如图12所示)。

最后对芯片表面钝化层和金属化层进行检查(如图13所示)。

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图13

4.技术流程

从无损的外观初步分析,到仪器进一步检测,再到破坏性分析确认,建立和规范假冒翻新塑封器件的鉴别流程,可以比较准确地得出鉴定结果。图14为假冒翻新塑封器件的鉴别流程

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图14 假冒翻新塑封器件的鉴别流程

七、DPA技术的发展趋势

随着元器件材料、设计和工艺技术的不断发展,DPA 技术也在不停的发展和更新,其发展的趋势主要在以下几个方面:

(1)立体 IC 分析技术和立体封装器件的分析技术,对应的检测、分析和开封等技术手段的发展;在检测方面出现的 3D X 射线逐层扫描技术就是很好的应用,类似的技术手段还要开发,尤其是立体的IC内的检测分析技术。

(2)小型化、窄线宽器件的出现使得原有的分析评价技术不能满足需求,依据小型化、窄线宽器件的工艺特点研究新的分析评价技术,完善DPA技术内容。

(3)大型密度封装器件由于多芯片叠层封装等复杂工艺的出现,各个芯片的剥离和检查以及芯片互联的可靠性评价都是 DPA 技术新的分析难点。因此,研究叠层芯片的剥离技术、多芯片组的检查技术以及芯片互联工艺评价方法是 DPA 技术在该类器件方面的发展方向。




文章来源: 范 陶朱公 可靠性杂坛




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