宇航元器件制造成熟度验证

朱恒静，夏泓，张莹，张红旗

（中国空间技术研究院，北京 100029）

宇航元器件制造成熟度验证

朱恒静，夏泓，张莹，张红旗

（中国空间技术研究院，北京 100029）

对国外新技术元器件验证、 评估及鉴定要求进行了分析，介绍了 N ASA 新 技术元器件的验证现状，提出了宇航元器件制造成熟度验证的建议，可供后续宇航元器件应用验证工作借鉴。

表征；鉴定；新技术；成熟技术；验证

0 引言

宇航元器件的应用验证是对元器件在宇航工程应用前开展的一系列的试验、评估和综合评价等工作[1]。 NASA 提出 了元 器件 技 术成 熟 度的 9 个阶段[2]，航天科技集团公司也提出 “成品元器件的空间级验证工作，一般要经过元器件、整机、飞行 3 个阶段 9 个步骤”[3]。 分析这些验证的程序和内容，从成熟度的角度看，可以分为制造成熟度和应用成熟度，它们有着紧密的关系，对于具有制造成熟度较高的元器件，在进行宇航应用验证时，元器件本身的可靠性验证并不是关注的重点，应用符合性、系统的匹配性，以及空间环境的适用性等应用成熟度才是验证的重点。本文重点介绍元器件制造成熟度验证的相关要求。

1 元器件 “表征” 与过程确认文件

1.1 元器件 “表征”

“表征” （Characterization）是指通过某种手段或某种信息反映其实质或本质，也可解释为通过某种信息把某种现象表示出来； “表征” 一词具有丰富的内涵。在美国国防部发布的集成电路制造通用规范 MIL-PRF-38535J中， “表征” 可以说是关键词之一，贯穿于标准全文；MIL-PRF-38535J 要求，集成电路的特性、工艺、设计和封装等必须被“表征” 后，才可以进入鉴定阶段。

“表征” 除了对元器件功能、 性能特性进行定义和描述外，还应针对元器件设计、工艺、试验等技术过程，逐一量化地给出其技术实现的细节。MIL-PRF-38535J 对集成电路特性表征、 工艺表征、封装表征和辐射特性表征，以及热特性表征等提出了具体的 “表征” 要求[4]。 电参数表征包括 3个方面：

a）元器件规范层次

包括电压、全温参数及其他条件。

b）规范之外

元器件边界条件。

c）隐含特性

规范中未给出或未测试的参数或特性。

工艺表征包括9个方面：

a）电压条件。

b）温度条件。

c）工艺参数可以变化的范围。

d）针对每一种器件类型的单独变量，确定最好和最坏情况的统计仿真模型。

e）频率特性。

f）辐射特性。

g）性能裕度 （直至失效）。

h）工艺优化。

i）工艺成熟度评估结果。

“表征” 的形成过程，是理论与实践反复迭代的复杂过程。 MIL-PRF-38535J[2]规定生产厂应制定器件 “表征” 实施计划，详细的 “表征” 实施应包括关键参数、试验条件和试验时间，以及所需要的测量、样品数和试验温度等，均必须文件化，包括考虑力、热和电应力的物理失效机理，以及可能导致器件失效的化学特性；必须提供包括所有可能的失效机理的失效模式分析，以及适当的风险减降措施。

1.2 元器件过程确认文件

欧洲宇航公司对元器件生产厂的过程确认文件（PID： Process Identification Document）的要求已有相对较长的历史： 欧洲 1987 年 4 月发布的 ESA PSS-01-608-198704 《混合微电路总规范》 第 2 版4.1 条就是对生产厂的 PID 的要求[5]；ESCC 基础规范 No.22700 给出了 PID 建立、 维护的具体要求[6]，明确地指出 PID 的目的就是为生产厂鉴定合格的元器件建立一个准确的基准，保证将来由生产厂提供的元器件等同于原来授予鉴定批准的产品，这个基准包括元器件生产流程、生产流程中各工序的依据性规范、所有的检验要求、元器件结构的详细说明、试验程序和方法、关键原材料控制方法，以及生产厂组织结构等方面。评估试验后才能进行鉴定批元器件的生产[7]，通过评估试验来固化元器件 PID[8]。

PID 是以文件作为表达方式的、 经过权威机构确认的、宇航元器件生产厂必须具备的、对形成产品全过程的具体要求文件的总和。 早在 2006 年，我国航天某院开始了 PID 建设，并总结出 PID 的关键点是 “全过程用文件确认，细节充满全过程，细节细到不可再分解，定量定到全部细节”[3]，PID 建设已取得了一定的进展；按照 PID 生产的元器件，已出口至欧洲宇航机构。

1.3 “表征” 与 PID 具有相同的内涵

通过上述分析，笔者认为美军标的 “表征” 与欧洲宇航机构要求的 PID 具有相同的内涵，体现在以下3个方面：采用文件形式，对元器件特性及实现技术进行固化；不论是 “表征”，还是 PID，均要求经过实践检验和确认；这是鉴定的必要条件。 “表征” 或 PID 的建立，表明元器件具备了一定的制造成熟度。

2 验证与评估

2.1 验证

随着元器件技术的不断发展，元器件标准也在不断地更新，以适应元器件技术发展的需要。MIL-PRF-38535 是美国国防部发布的集成电路通用规范，由军方发布，但宇航用户作为重要的参与方，综合考虑宇航需求，参加了该标准的编制及不断的修订、 维护工作。 在 2007 年发布的 MIL-PRF-38535H 中，增加了元器件新技术验证 （New technology Insertion）的相关要求[9]；新技术验证的详细要求将作为 MIL-PRF-38535 的附录 K，正在制定过程中[10]；目前生产厂正在收集新技术元器件评价与验证的相关资料，并提供给 DSCC，作为制定元器件新技术验证详细要求的技术支撑资料[10]。

MIL-PRF-38535 对元器件新技术的定义是，指元器件系列、 材料或其制造工艺未被 “表征” 或鉴定过；相对于元器件新技术，给出了元器件成熟技术的 3个特点： 1）已经用于元器件批量生产，有产品连续发布； 2）有连续的可靠性检测计划并实施，计划包括能够识别主要的影响寿命可靠性的机理，检测长寿命时元器件可能出现的性能漂移；3）有确切的证据证实元器件生产过程/设备是稳定的。

MIL-PRF-38535 明确地规定， 对于元器件新技术， 必须进行新技术验证（New Technology Insertion）， 生产厂应建立新技术验证程序， 对新技术进行确认、管理和跟踪。新技术验证程序应包括对新技术的定义、对新技术进行表征或鉴定的准则或方法，同时也应包括潜在失效机理和激活能的确定，以及相应的减降措施。新技术验证的程序、计划和方法应由鉴定机构确认，包括实际器件在-55、 125 °C（或器件规范规定的最高或最低温度）的 DC、 AC 和全功能全参数（可行时）的表征试验。新工艺的寿命试验，应建立在全温范围的表征试验和掌握失效机理，以及减降措施的基础上；表征包括对潜在失效机理及激活能的全面评估，对于激活能，以及电压、温度或频率等加速因子的计算和评估， 建立长期可靠性失效率。 MILPRF-38535 还规定， 对于宇航级元器件， 政府空间机构（DTRA、 NASA、 NRO 和 AFSMC）与用户参与鉴定/鉴定确认工作。

2.2 评估

ESCC 标准规定， 凡用于宇航的元器件在鉴定前必须进行评估试验。评估试验的目的是采用最经济、有效的方法，以最具有说服力的试验数据，确定元器件的失效模式和失效机理，并确定元器件鉴定试验的项目和试验条件，元器件评估是元器件鉴定前必经的步骤[7]。 元器件评估试验项目一般包括步进应力试验、 辐射评估试验（适用时）、 结构分析、高温反偏试验、加速电应力耐久性试验和扩展的老炼试验， 以及针对封装的试验等[8]； 根据元器件的不同类型，确定元器件评估的具体试验项目。 ESCC 2265000 给出了半导体分立器件的评估 要 求[11]， 对单一品种， 评估样品数量为 103 只，评估试验包括以下内容：

a）分组 1： 控制样品， 样品数为 5 只。

b）分组 2： 破坏性试验， 样品数为 53 只。 其中， 10只样品用于进行温度步进和功率步进试验；10只样品用于辐射试验； 3只样品用于结构分析；10 只样品用于封装步进试验； 20 只样品用于不同条件下的电特性测试试验。

c）分组 3： 长寿命试验， 样品数为 40 只。 其中， 5只用于高温存贮试验； 20只用于加速寿命试验；5只用于扩展条件的老炼试验。

d）分组 4： 样品数为 5 只， 反偏试验。

2.3 验证与评估具有相同的目的

美军标的验证与欧洲标准的评估具有相同的目的，前者针对新技术元器件，后者针对宇航用元器件。笔者认为是验证与评估均通过一系列分析和试验，确定元器件失效机理和失效模式。验证与评估作为 “表征” 或 PID 建立的重要手段， 其目的是元器件制造成熟度的评价。

3 鉴定与空间鉴定

随着元器件技术的不断发展，元器件的复杂程度的不断提高， 已有的 MIL 标准体系已经不能完全满足复杂器件空间应用的鉴定要求[12]； 针对新技术元器件的空间应用需求， MIL-PRF-38535J重新给出了鉴定的概念[4]：

a）确凿的证据。 表征试验和失效机理的评估试验证实元器件技术已经满足或超过文件规定的要求。

b）鉴定的方法应随元器件技术的变化而变化。

c）生产厂应针对每种元器件技术制定鉴定计划。

d）采用新技术的元器件鉴定除了标准规定项目外，还应包括表征试验和与失效机制相关的试验。

NASA 认为， 空间鉴定是非常复杂的工程， 至今，尚未有明确的、量化的、关于空间鉴定的概念， 空间鉴定包括长寿命（无法维修）、 冲击/振动、 辐射、 真空和热特性等方面[13]； 同时指出，应慎用 “空间鉴定” 一词， 可以说， 针对某一项目的 鉴 定[14]。 针 对 NAND Flash 的 空 间应 用 需 求，NEPP 开展了 NAND Flash 空间鉴定研究[15]。 在常规鉴定的基础上，增加了可靠性表征试验和辐射表征试验。可靠性表征试验包括4个方面：

a）长寿命试验

按照应用需求时间的 1.5 倍进行试验。

b）数据保持试验

在高温、常温和低温条件下进行，按照应用需求时间的 1.5 倍进行试验。

c）读干扰试验

多重读试验， 分别在 0.5 倍应用需求时间、 应用需求时间、 1.5 倍应用需求时间段进行试验； 按照应用需求时间的 1.5 倍进行读干扰试验。

d）最坏情况下的 UBER 计算。

4 国外应用验证的现状

在国外，新技术元器件验证技术的研究早已开展，新技术元器件空间应用的验证方法研究，是NASA 的研究热点问题； NASA 具有专门的机构（NEPP）进行验证方法研究， 并成立了专门的工作组，通过研究，为其在航空任务中降低因采用新型元器件而带来的风险提供技术支持，并建立选择和应用新技术元器件的指南，加深对使用新型技术元器件所带来风险的理解， 确保验证能够满足 NASA空间任务的需求[12-13]。 近年来， NEPP 发布了一系列验证研究与实施结果，如对某生产厂生产的4 M SRAM， 在温度和电源电压步进应力条件下进行高温寿命试验， 温度从 125～165 °C、 步进 10 °C， 电源电压步进为 0.1 Vdd， 频率为恒定频率； 在 165 ° C 时， 器件失效的时间发生在 588～768 h 之间， 随电源电压的不同而不同，对失效器件进行失效分析，发现了器件的设计和工艺的薄弱点[16]。 NASA 新技术验证研究目标包括3个方面：确定新工艺的范围，降低空间应用风险，验证信息共享。NASA 对新工艺成熟度的评价包括 9 个阶段[12]， 如表 1 所示。

表 1 NASA 新工艺成熟度评价的 9 个阶段

5 NASA新技术元器件验证的典型案例

针对新型拟用于宇航的 FPGA 器件， NASA 发布了 《FPGA 验证指南》。 分析认为， 该指南的目的是对 FPGA 的制造成熟度进行验证， 验证包括 3个方面： 工艺验证、 设计验证、 器件特性表征[17]。

5.1 工艺验证

工艺验证是指在精通 FPGA 如何制造、 失效细节的基础上，掌握失效机制，基于失效机制建立设计准则，并建立激活能与特定失效机制的关联。工艺验证重点关注工艺技术、成品率和质量控制。工艺验证是 FPGA 生产厂的职责， 需要专门的试验和复杂的分析以预测 FPGA 的寿命和失效率， 工艺验证的概念流程如图1 所示。 FPGA 制造工艺包含了几种基本的物理退化机制：电迁移、热载流子、与时间相关的介质击穿，以及负偏温度不稳定性，工艺验证试验应针对上述失效机制进行。 NASA 要求必须针对工艺进行长期可靠性试验和失效率验证，通过多个生产批次、不同批次的重复性和成品率分析工艺成熟性， 要求具有 100 个以上的晶片提供统计数据。

图1 工艺验证的概念流程

FPGA 鉴定试验除了常规鉴定检验项目之外，还应包括 ESD、 闩锁和辐射， 以及与失效机理相关的试验， 如 6 000 h 的高温寿命试验（常规鉴定为 1 000 h）。

封装可靠性验证是工艺验证的重要内容。要使FPGA 恰当地应用在空间项目中， 用户应十分了解生产厂的封装鉴定程序的细节和结果。必须考虑器件的热特性，热特性包括热击穿和结温。

a）热击穿

随 CMOS工艺尺寸的减小， 漏电流会随器件的环境温度上升而急剧且非线性地增大。增加的漏电流引起的功耗增大会导致结温升高，这将进一步地引起漏电流升高，功耗增大。如果这种情况一直持续，就将会引起某些点的电流瞬间达到系统短路状态，器件突然失效或者自毁。为了解决热击穿问题， JPL 采取的措施包括： 降低最大允许结温至110 °C， 要求器件不低于 430 mV， 并经过额外的热击穿筛选。

b）结温

为了解决热击穿相关问题， JPL 致力于将器件结温/外壳温度与设计关联起来， 设计时， 提取结温和功耗值。每项设计的风险将会基于这些数据估计。

5.2 设计验证

FPGA 的设计流程包含两个基本部分： 流程和文件。 流程是指将 FPGA 的设计概念实现的智力和工程活动。 FPGA 的成功应用需要严格且系统的设计流程。文件是指定义了流程各个阶段的要求和成功判别标准的可接受的且获得批准的标准。一个成功的流程必须包含清晰且有意义的文件，文件必须准确地反映设计流程的目标和要求。

5.3 器件特性表征

FPGA的测试十分复杂。 每片 FPGA 都是一个定制 ASIC， 需要定制测试程序。 在 FPGA 制造、研发和验证的整个流程中有许多测试点。须建立与特定用途相关的老炼及寿命预计方法，测试向量与器件退化的对应以故障模型为桥梁。构建的测试向量应能映射可以引起可靠性降低的潜在物理机制。具体测试电路的设计在 FPGA 验证中的作用已经越来越重要。

6 结束语

宇航元器件应用验证包括制造成熟度验证和应用成熟度验证。对于新技术元器件，首先应进行制造成熟度的验证。国外已经广泛地开展了新技术元器件的验证技术研究，美国国防部标准规定了新技术元器件的验证要求，欧洲标准规定了元器件的评估要求，验证与评估均要求在元器件鉴定之前进行，其目的是对确认元器件具有一定的制造成熟度后方可开展鉴定工作。元器件制造成熟度验证是生产厂的职责，宇航元器件用户作为需求提出方，是重要的参加单位。制造成熟度的验证应该在鉴定前完成，验证的结果作为新技术元器件鉴定的重要基础。

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M aturity Verification of Aerospace Part M anufacturing

ZHU Heng-jing，XIA Hong，ZHANG Ying，ZHANG Hong-qi
（China Academy of Space Technology，Beijing 100029，China）

The new technology insertion，evolution and qualification requirement of parts for space application are analyzed.The new technology insertion status of NASA is introduced.T he advices about the aerospace part technology maturity evaluation method are proposed，which can be the reference for others in the future.

characterization；qualification；new technology；mature technology；verification

V 443；TB 114.2

:A

:1672-5468 （2014）01-0006-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2014.01.002

2013-06-20

朱恒静 （1964-）女，山东莱芜人，中国空间技术研究院宇航物资保障事业部副总工程师，研究员，元器件专家组成员，主要从事宇航元器件保证工作。