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舰船微电子器件进货检验方案及流程浅析

发布时间:2020-06-01   |  所属分类:微电子:论文发表  |  浏览:  |  加入收藏
  摘要文章介绍了用于舰船设备的微电子器件现状,包括类型、质量等级、用途等,并简要分析所生产的船用设备中的微电子器件的质量状况,以此为前提并根据船用设备的特点,浅析微电子器件的进货检验方案,并论述进货检验中各个流程的目的,以及改进措施。
 
  关键词微电子器件;质量状况
 
  1引言
 
  当今微电子器件发展迅速,其制造水平不断提高,而军用船舶信息系统的高技术性能和高可靠性更是装备生产单位关注的焦点,如何能为市场提供高技术性能、高可靠性的电子设备是每一个从事设备研制、生产单位、关注的核心问题。电子设备的高技术性能、高可靠性是靠设计决定的。所以加强整机在研制过程和生产过程的控制是解决上述问题的关键。
 
  众所周知,微电子器件是构成整机的核心部件,微电子器件的可靠性直接影响到整机的可靠性,装备使用过程中,由微电子器件的失效造成的整机故障率一直非常高,根据某研制单位2008年1月~2009年12月的各种质量信息共计978条统计,由微电子器件失效造成的系统设备、单机、模块故障占到了65.4,其中确定为微电子器件在上机焊接前就已出现失效的比例为34.8。各种模块所用到的微电子器件平均数为89只,而单机和系统整机所用到的微电子器件平均为678~6200只,根据军用设备的可靠性串联计算方法:图1为串联系统的可靠性框图,假定i个单元是独立统计的,则其可靠性数学模型[1]为
  式中,R a为系统可靠度;Ri为第i单元可靠度。计算可知由众多微电子器件的模块系统中,单个器件的可靠性指标下降1,单机、系统设备的的可靠性就几乎不能保证,因此要保证系统整机设备的可靠性,就必须从研制、生产的源头进行严格有效的控制,即从微电子器件的进货检验就必须严格有效的控制,根据系统整机研制单位的特点和系统的适用性,制定适合本单位的有效可行的微电子器件进货检验过程方案及流程是一项非常重要的策略。
  2舰船设备微电子器件的现状
 
  各个研制单位所设计并生产的舰船电子设备由于考虑到可靠性、五性设计、降额设计、更新换代模式等因素,基本不会使用当今最先进的技术,并且会考虑到冗余、战备使用寿命等因素,因此设计及生产所使用的微电子器件跨代严重,从比较新型号的微电子器件到非常老型号的器件,甚至停产10年以上的微电子器件都在使用范围内,例如某型计算机某模块中使用上世纪90年代末就停产的IN TEL M D8287A/B,而最新的某型计算机某模块中使用了XLINX XCV 300E系列、EPM 240系列等微电子器件;其中涉及到CPU、各种类型的存储器、74/54系列门电路、FPG A、CPL D、电源控制、稳压、光隔离/耦合、A D/DA转换、特殊功能控制电路等繁多种类,器件的质量等级也参差不齐,如美军标系列的B级B-1级B-2级微电子器件,国外工业级微电子器件,国产符合GJB597A列入质量认证合格产品目录的A级产品,按GJB597A的筛选要求进行筛选的B级质量等级产品等,各种器件在各个模块上的用途也不尽相同,如某控制模块FLASH ROM器件只用做EPROM的备份来存贮BIOS信息,而另一型号模块则用做主BIOS;某模块的CPLD器件只用其20的列阵,而另一型号模块却用3片串并联使用,如此种类繁多的微电子器件,质量等级也参差不齐且用途在不同的模块也不相同,这样对进货检验如何能保证设计部门、生产部门对整机性能和可靠性的要求提出了新的要求。
 
  3舰船设备微电子器件的质量状况
 
  根据某研制单位进货检验2004年~2009年的数据统计分析,微电子器件的质量比较突出的问题主要表现在以下几个方面:
 
  3.1停产微电子器件的质量状况
 
  停产器件在进货检验、二次筛选时的合格率为87.9,其中停产5~10年的器件占了失效数的80,尤其表现在经过环境应力二次筛选后,器件失效的情况比较严重,可见停产器件的质量状况不容乐观。
 
  3.2国外进口工业级微电子器件的质量状况
 
  国外进口工业级微电子器件在进货检验、二次筛选时的合格率为99.4,主要原因是由于起定量、禁运品、人为等原因导致一部分器件在运输、包装、存储、货源等方面存在问题;在进货检验、二次筛选过程中发现的失效模式主要是:受潮、管脚氧化损伤、以低充高等。
 
  4进货检验和二次筛选的方案制定
 
  4.1二次筛选的原因
 
  微电子器件使用单位之所以动用大量人力、物力、财力进行二次筛选,主要有以下4种原因:
 
  1)不可预计其可靠性;
 
  2)进入市场经济后,元器件代理商甚至生产厂为保持竞争优势又同时要争取利润,没有严格按照各类器件的标准进行工艺筛选;
 
  3)使用单位认为生产厂在进行一次筛选中存在应力不足,不足以淘汰足够的早期失效器件或经筛选后的器件失效率达不到要求;
 
  4)当使用单位有特定的使用环境或要消除特定的失效模式时,就必须进行有针对性的二次筛选。
 
  4.2二次筛选的局限性和风险性
 
  对于经过严格质量控制、工艺稳定的器件,采取合理的筛选检验方案和筛选措施,无疑将提高整批器件的质量。理想的筛选结果是将有缺陷的、早期失效的器件全部剔除掉,而将非早期失效的器件全部保留下来。但是要完全做到这一点是十分困难的事情。通过检验和筛选可以改善器件的质量系数,但无法提高器件的质量等级。
 
  筛选的风险主要来源于检验过程对器件的保护措施和筛选应力的选取。检验、筛选环境不能满足器件的要求必然会使器件受到损伤;筛选应力过低,则起不到筛选应有的作用;筛选应力过高,则会损坏正常的器件使其受到内伤,缩短寿命;操作的失误和设备故障也将给筛选带来风险。
 
  4.3制定进货检验方案和二次筛选方案原则
 
  首先制定进货检验方案和二次筛选方案不能简单的重复一次筛选的项目和方案,要根据元器件在产品中的作用或特有的使用环境及需要消除的特定的失效模式而有选择性有针对性的制定检验方案和筛选规范。
 
  制定进货检验方案和二次筛选方案必须选择合适的检查项目和试验项目,由于经过检验合格的器件是直接上机使用的,一旦对器件进行了有破坏性的检验项目或筛选试验,必定会给模块、单机、系统设备留下质量隐患,GJB597A对各项试验的有无破坏性已做出了详细说明[2]。
 
  进货检验方案和二次筛选方案应该合理利用抽样检验和抽样筛选的方式,对于大批量生产的工艺简单,技术成熟,采购渠道稳定可靠的器件,如大批量原厂整包装采购的74系列门电路;或对于器件内核面积大,易受潮,静电敏感等级高的大规模表贴器件,可采取抽样检验和筛选的方式,抽样检验方案和二次筛选的优点:
 
  1)保护器件,避免因静电、潮湿引起的失效模式或潜在质量问题,国际工业协会IPC/JEDEC J-S TD-020、IPC/JEDEC J-S TD-033B都对此类器件
 
  的保存方式和包装方式做了明确的说明和严格的分类[3~4],因此很多情况下,检验阶段造成的静电损伤、潮气侵入引起的失效率在焊接阶段造成的失效是大于器件本身的失效率的。
 
  2)保护器件的包装,如料管、料盘等,这样可以避免在焊接过程中因料管、料盘难以复原等问题而进行人工焊接引入的器件失效[5],这也是从整机可靠性的角度来考虑的。
 
  同时抽样方式存在一定的风险性,所以在抽样方式确定前必须确定此类器件的生产供货渠道:生产厂家、晶圆产地、封装地、供货商等可靠,必须提供相应的质量证明文件、原厂出货信息、合格证等。
 
  进货检验方案和二次筛选方案应该具有一定的灵活性,并不是一成不变的模式,根据配套单位的要求不同,可以制定适应并符合配套单位要求的进货检验方案和二次筛选方案,这样既能抓住市场又能保证整机设备的可靠性。
 
  4.4进货检验方案和二次筛选方案举例及评价说明
 
  例1:某批次集成电路信息如表1所示。
  此型号集成电路为大批量在产,在进货检验的质量信息库和生产过程质量信息库中没有失效和质量问题信息,采购信息为用于水上舰艇电子设备,且为5000片未开封原厂出货包装,可测试;因此对此批集成电路采用检查性筛选方案为:
 
  100常规性能验证※抽样二次筛选※最终100常规性能验证(针对样本)。
 
  其中的抽样方案[7]:按GJB179A,选取一次正常检验方案,采用一般检验水平Ⅰ,可接收水平AQ L=0.65,样本字码J=80片,(A c,Re)=(2,3)
 
  二次筛选方案表及可接收数描述如表2所示。
  整个筛选过程并未出现失效,且在入库装机后的调试、模块应力筛选、整机应力筛选过程中都未出现失效,此批电路用于水上舰船电子设备且为塑料非密封封装,因此扫频振动、离子碰撞噪声检测、密封性检查可不纳入筛选项目,但经过二次筛选的样本不用于装机。
 
  例2:某批次集成电路信息如表3所示。
  此型号集成电路为停产产品,曾出现过的失效现象为读出错误,采购信息为用于水上舰艇电子设备,且无法验证其可靠性,可测试;因此对此批集成电路采用完全筛选方案为:
 
  100常规性能验证※100二次筛选※最终100常规性能检查。
 
  二次筛选方案表及PDA值如表4所示。
  整个筛选过程出现一片高温老炼后失效,失效模式为无功能,剔除失效器件后剩余339片在入库写入程序后装机,在调试、模块应力筛选、整机应力筛选过程中都未出现失效,此批电路用于水上舰艇电子设备且为陶瓷空腔封装,因此需进行扫频振动、离子碰装燥声检测、密封性检查以剔除早期失效器件。
 
  由此可见对电子器件的检验和筛选不是一成不变的,应根据情况的不同具有一定的灵活性,首先应满足配套单位的要求,根据电子器件的不同性能、不同封装、不同用途、各种元器件的质量等级要求和以往的失效数据,一起综合考虑来确定电子元器件的检验和筛选流程和程序。
 
  5结语
 
  进货检验工作只是在装机前对微电子器件的把关和管控,筛选固然可以提高产品的可靠性,但它也不是万能的,要生产出具有高技术性能,高可靠性的电子设备,还需要从整机设计、元件的生产方、采购渠道和装配工艺进行严格的控制,从而确保高技术条件下电子设备产品的质量。
 
  参考文献
 
  [1]梅启智,廖炯生,孙惠中.系统可靠性工程基础[M].北京:科学出版社,1987:1~141
 
  [2]G JB597A半导体集成电路总规范
 
  [3]IPC/JEDEC J-ST D-020,2004
 
  [4]IPC/JEDEC J-ST D-033B,2004
 
  [5]PL.马丁.电子故障分析手册[M].北京:科学出版社,2005:16~24
 
  [6]G JB179A计数抽样检查程序及表,1996

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