浅谈NASA对于塑封器件在高可靠性领域应用的质量保证，似乎比国军标GJB7400宽松？

商用塑封器件的设计初衷是应用在较好的环境中，且易于维修或更换。而评价应用在高可靠性领域的军用器件分析方法并不总是适用于商用塑封器件，这使得商用塑封器件难以大量使用在高可靠应用领域主要有两方面的原因：

各厂家的设计和工艺方面存在重大差异，不但工作温度范围较小，而且对外部环境较敏感容易吸潮。而应用在高可靠性领域的军用微电子器件通常采用陶瓷或金属封装材料可以很好的隔绝外部环境，同时具有较广的工作温度范围（-55℃~125℃）。

由于各家制造商设计和生产的塑封材料、工艺和技术的多样性，行业内又缺乏政府或权威机构对商用塑封器件的设计、材料、可追溯性及生产过程等方面的监督，导致市场上的塑封器件可靠性水平不能有效保证。

NASA发布的PEM-INST-001《塑封器件（PEM）选择、筛选和鉴定说明》指出：“对每次使用的商用塑封器件均会对其热、机械和辐射影响进行彻底评估，确认是否可以满足任务需求，同时在没有相应的军用微电子器件替代品时，允许在航天项目中使用塑封器件，不过需要承担更高的风险。”

另外，在满足上述要求的前提下，PEM-INST-001对塑封器件还提出了另一些要求：

器件应储存在温湿度受控、干燥洁净的环境下，避免受到ESD和潮气的影响。

器件应可以追溯到品牌制造商。

从制造商或其批准的经销商处采购。

在预期的任务使用寿命期间测试以验证是否满足应用环境的性能要求。

具有足够的能力来处理和测试所涉及的技术。

制造日期超过3年的塑封器件未得到GSFC批准不允许安装。

使用纯镀引出端的塑封器件需要采用特殊的预防措施来排除锡晶须引起的失效。

确定塑封器件风险等级

PEM-INST-001对于塑封器件选用的风险等级由低到高分为Ⅰ级、Ⅱ级和Ⅲ级。在选择器件时，应根据应用环境来确定鉴定和筛选的试验要求。

风险等级Ⅰ级：Ⅰ级是塑封器件选用的最低风险等级。该类器件是按照用户承认的质量保证等级由用户认可的承制方生产，不存在已知能够影响器件在高可靠应用中的质量、可靠性或性能的缺陷或趋势，满足应用要求。这类器件的典型任务周期为5或更长。

风险等级Ⅱ级：Ⅱ级是塑封器件选用的次高风险等级。该类器件的承制方需通过公认的质量保证体系，并且提供产品的测试数据报告，以证明产品不存在制造工艺差异导致重大的问题，良品率较高，能按时供货交付产品。另外，产品需按规范要求完成鉴定，并且已经解决以往鉴定中出现的问题，而且失效分析也不存在与产品质量和可靠性引发问题的倾向。这类器件的典型任务周期为1到5年。

风险等级Ⅲ级：Ⅲ级是塑封器件选用的最高风险等级。这类塑封器件通常是可以通过商业采购，但由于这类产品缺少正式的可靠性评估、筛选和鉴定，器件具有先天的高风险或未知的风险，并且产品的设计、材料和工艺均在不断变化，使得从某一批特殊生成批积累的数据不适用于另一批，因此得不到有关这种器件的任何有用的数据或飞行记录，所以需要进行更多评估以确定其对工程的适用性。通常情况下对于这类塑封器件的信息了解程度也十分有限。这类器件的典型任务周期为1到2年。

塑封器件质量评价方案

塑封器件质量评价方案的目的是降低商用塑封器件的使用风险，评估器件的长期可靠性，防止产品故障。主要是从产品生命周期（浴盆曲线）的各阶段分别进行筛选，DPA，鉴定及质量一致性4种试验手段，使产品满足高可靠性应用要求，同时建立风险等级评估程序，进一步降低产品的应用风险。

塑封器件质量保证及使用寿命期间的可靠性关系

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筛选试验

筛选的目的是剔除有缺陷的产品，降低早期失效，保证产品的长期可靠性。当制造厂未对器件进行筛选或筛选的项目和/或应力不满足应用要求时，用户应对全部器件进行测试和检验，并评价批次可靠性影响。

有大量数据表明，器件的不当处理和测试可能会引入比筛选出来的更多缺陷。因此，在处理、储存和测试时应特别小心，以减少静电放电（ESD），污染和机械损伤器件的可能性。因此，PEM-INST-001规定在X射线检查，只进行顶视面，而对于和声学扫描显微镜检查，除了功率器件外，也只进行顶视面。另外，对于聚合芯片涂层的塑封器件，不要求检查芯片区域，因为会造成分层误判。

PEM-INST-001塑封器件筛选流程

从PEM-INST-001塑封器件筛选流程的PDA来看，比国军标GJB7400-2011的PDA要求（＜1%）要宽松，而且GJB7400-2011的温度循环要求是50次，而PEM-INST-001只进行20次，综合来看国军标GJB7400-2011的筛选要求更严酷。

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破坏性物理分析

破坏性物理分析（Destructive Physical Analysis）简称为DPA，目的是确定产品批次是否存在筛选、鉴定过程中没有暴露出来的设计、材料、制作或加工缺陷，从而在高可靠任务寿命期可能会引起的退化或失效。

PEM-INST-001塑封器件DPA流程

从PEM-INST-001塑封器件DPA的流程来看，相比国军标GJB4027A-2006增加了器件的截面检查项目（金相切片及扫描电镜检查），可以进一步发现或明确器件芯片、键合区域与塑封料的缺陷。

针对剖面检查，PEM-INST-001与GJB4027A略有不同，GJB4027A是把剖面检查放在内部目检项目里，检查手段主要是以金相显微镜为主，重点检查芯片与引线柱接触面以及芯片粘接质量，若声学扫描显微镜检查显示芯片粘接，塑料与芯片界面或其他重要的界面存在分层或误判，则需要进一步剖切检查确认。而PEM-INST-001，剖面检查是与内部目检分开、独立进行的试验项目。检查手段，除了金相显微镜之外，还需进行扫描电子显微镜，充分对器件内部粘接界面的微观形貌进行检查。

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鉴定检验

鉴定检验就是抽取具有代表性的产品，按照标准规定的程序，在规定条件下所做的一项、一组或多组检验，以验证产品的设计是否与规定的产品质量和可靠性等级要求一致。目的是验证产品在投产之前是否符合可接受的质量和可靠性等级要求。

PEM-INST-001对塑封器件的鉴定检验主要包括了三温电测试、稳态寿命试验、声学扫描显微镜检查、HAST、温度循环、辐照试验等。

GJB7400-2011塑封器件鉴定流程

而PEM-INST-001不但没有叠加试验样品的问题，而且温度循环的试验条件最高也只进行500次。另外GJB7400-2011中的HAST试验是进行500h，而PEM-INST-001则只进行96h。所以，从样品叠加及试验条件来看，国军标GJB7400-2011的鉴定检验相比PEM-INST-001要求更严酷。

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质量一致性检验

质量一致性检验是产品提交用户前必须进行的可靠性试验，也是提交给用户产品批质量和可靠性是否符合相应采购标准或订货合同的验证试验，属于生产厂为提供用户具有一定质量和可靠性保证的产品的自主行为。在一些标准中，如美军标MIL标准和国军标GJB将质量一致性检验的内容分为若干组，而这些组的组合构成了不同要求的可靠性试验。

质量一致性检验一般分为ABCDE五个组。A组检验是对每个检验批进行，并应包括器件的电参数测试。B组检验也是应对每个检验批进行，并针对每个已检验合格的封装类型和引线镀涂，B组检验通常包括对规定器件等级进行的机械和环境试验。C组检验应包括与芯片有关的试验，周期性进行。D组检验应包括与封装有关的试验，周期性进行。E组检验应对每个晶圆批进行，试验内容应包括辐射加固保证试验。

PEM-INST-001没有规定相关的质量一致性检验要求，而GJB7400-2011对于塑封器件的质量一致性检验与鉴定检验要求基本一致。

GJB7400-2011质量一致性检验

结束语

结合PEM-INST-001与GJB7400-2011中的筛选、破坏性物理分析、鉴定检验等要求来看，GJB7400-2011确实要相对严酷一些，导致大多数国产塑封器件无法通过GJB7400-2011的N级考核，造成了国内很多塑封器件制造厂家对于GJB7400-2011的考核要求产生了诸多的质疑，因此希望降低考核标准并与美军标看齐，如热冲击和温度循环样品不叠加、试验次数及时间降低或缩减等来通过鉴定检验。

参考文献：PEM-INST-001、GJB7400-2011