结构分析技术在外壳评价中的应用

柳华光，张魁，黄杰

（国家半导体器件质量监督检验中心，河北 石家庄 050051）

结构分析技术在外壳评价中的应用

柳华光，张魁，黄杰

（国家半导体器件质量监督检验中心，河北 石家庄 050051）

结构分析是一种重要的电子元器件可靠性评估方法。通过结构分析可以评估元器件内是否存在潜在的缺陷，为元器件的固有质量和固有可靠性的判断提供重要的依据。介绍了结构分析的一般技术流程，并将其应用于某型号半导体器件外壳的结构分析工作中，最后给出了有关结构分析工作的几点建议。

结构分析；可靠性评估；外壳；建议

0 引言

电子元器件的可靠性是指其在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力。电子元器件的固有可靠性是由元器件的设计和生产所决定的，因此元器件的结构中包含着许多重要的可靠性信息，如果结构设计不合理，就会导致元器件的固有可靠性不高，由此带来的问题如果发生在使用阶段，就会给型号任务造成影响，严重时甚至会造成经济或进度上的重大损失。因此，有必要对元器件的设计、结构、工艺和材料的可靠性进行评价，挖掘其潜在的可靠性隐患，分析其潜在的失效模式和机理，这项工作被称之为元器件的结构分析 （CA：Constructional Analysis）[1]。

国外的元器件CA工作最早是在20世纪90年代初开展的，并且早期较多的是针对半导体器件，大多为一些元器件工程服务机构针对具体的器件所进行的CA工作[1]。国内对于元器件CA的研究起步晚于国外，但已经开展了大量的工程实践工作。

电子元器件的CA是一项复杂的工作。因此，进行电子元器件的CA，首先要明确分析的目的，如针对某种失效，分析其内部结构是否存在可能会导致这种失效出现的缺陷；或是针对某些方面，分析其是否存在隐患等，这样才能充分地发挥CA的作用。本文针对某管壳在工程应用中是否满足工程应用要求来开展CA工作，并对相关工作和程序进行了总结。

1 半导体器件外壳结构分析的原则与流程

半导体器件的管壳作为半导体芯片的载体，具有实现芯片与外界的电连接、保护芯片和散热等多种作用。对于需要将管壳与芯片装配成器件的管壳使用者而言，其需要考虑的是管壳是否满足芯片的电特性、功率耗散和可靠性等方面的要求；而对于器件的使用者而言，其主要关心的是器件管壳在装配过程和使用过程中是否满足可靠性要求。本次分析从器件使用者的角度出发，验证此管壳的外形、材料、镀层、结构强度、焊接和内部等是否满足工程应用的要求。CA工作可以通过计算进行，也可以通过试验验证方式进行，由于工艺等多方面的原因，管壳在生产过程中不可避免地会与理想状态存在偏差，因此，相对于理论计算而言，采用试验验证的方式更容易获得器件的实际可靠性状况。

1.1 电子元器件结构分析试验的排序原则

CA的一般试验流程是：先进行整体分析，后进行局部分析；先进行外部分析，后进行内部分析；先进行非破坏性分析，后进行破坏性分析。试验流程的原则是：上一个CA项目尽量地不对后续的CA项目产生破坏性影响，应有一种整体到局部的思路。

1.2 电子元器件结构分析的技术流程

在对具体的元器件进行CA的过程中，包含了很多方面的技术项目。例如：针对具体的器件，首先要确定器件的基本设计、结构形式，并通过各种无损和有损的方法来识别器件结构的各种要素信息；对于常规的设计、结构和非常规的设计、结构，应采取不同的比对、评价方法，这些技术项目的实施需要按照一定的技术流程进行，以确保基于有限数量的器件能获得全面、准确、典型的结构信息[1]。元器件CA的技术流程为：首先，确定分析目的；其次，进行结构单元分解，分解完毕后根据分析目的进行结构要素识别；再次，确定试验项目和条件；然后，进行结构判别与评价；最后，给出分析结果和建议。典型的器件CA的技术流程如图1所示。

图1 CA的技术流程图

2 某管壳结构分析案例及说明

根据CA的流程，现以某集成电路外壳为例，进行分析并通过试验验证加以说明。

2.1 分析的目的

某军用设备准备采用此管壳封装的器件，拟通过结构分析及验证，检验此管壳是否满足一般军用要求。

2.2 管壳的结构分析

2.2.1 管壳外形

此外壳为金属陶瓷管壳，其外观如图2所示。

图2 管壳外观

对此管壳进行结构分解，发现其由引线、底盘、绝缘子和墙件4个部分组成，如图3所示。

图3 外壳的结构分解

2.3 结构要素识别

采用表格的方式对器件的结构单元所包含的结构要素及其对应的分析试验项目进行列举，然后给出对应的分析试验项目，此管壳的结构要素组成及分析试验项目如表1所示。

根据表1，综合地确定此管壳的CA试验项目和顺序为：外观检查、镀层厚度检查、镀金质量检查、引线牢固性试验、可焊性试验、材料分析和制样镜检试验。

a）外观检查

用于检查管壳表面是否存在划伤等可见缺陷，这些缺陷可能会导致管壳表面变色、腐蚀等问题，试验方法参考GJB 548B-2005方法2009。

b）镀层厚度检查

用于检查管壳表面镀层的厚度是否符合规范的要求，过薄或过厚的镀层都不能很好地起到保护作用，芯片焊接区域和引线表面的镀层厚度不合格会直接影响到焊接的可靠性。

c）镀金质量检查

用于检查管壳表面镀金层的质量，如果镀金层的质量不佳，则会在一定的条件下出现起皮、脱落等现象，试验方法参考GJB 2440A-2006中附录B中B.1。

d）引线牢固性试验

可以检查管壳的外引线与壳体的结合强度是否能够承受焊接或使用中可能会遇到的力的作用，以保证使用的可靠性，试验方法参考GJB 548B-2005方法2004条件A、 B1、 B2。

e）可焊性试验

用于检验管壳的外引线是否适用于焊接，在试验中浸润不良的引线，在使用中极易出现焊接的可靠性问题，试验方法参考GJB 548B-2005方法2003。

表1 结构要素及分析试验项目

f）材料分析

用于判断管壳所使用的材料是否合理，例如：材料之间的热匹配性能是否良好、是否有禁/限用材料等。

g）制样镜检试验

用于判断样品内部是否存在缺陷，例如：绝缘子与墙体之间的结合是否存在分层等。

2.4 试验及分析

a）外观检查

在显微镜下观察此管壳，管壳表面镀金，未见划伤、腐蚀、气泡或起层等缺陷；引线外形完整，引线通过黑色陶瓷穿墙与金属管壳烧结，未见裂开、松动现象；底盘平整，未见变形；黑色陶瓷介质未见裂纹、凹坑等缺陷，外观检查合格。

b）镀金质量检查

按照GJB 2440A-2006中附录B中B.1[2]规定的试验条件A执行，试验后在显微镜下检查镀层的质量，未见镀层存在气泡、剥落或起皮现象，试验合格。

c）镀层厚度检查

分别测量引线、底盘和墙体3个部分的金层厚度，结果在2.12～3.35之间。从试验结果看，此管壳的镀层厚度符合规范要求，试验合格。

d）引线牢固性

按照GJB 548B-2005方法2004条件A、B1、B2[3]分别抽2根引线进行试验。试验后检查引线弯曲部位和引线与管壳本体连接处，未见弯曲部位存在裂纹、镀层脱落或起皮等现象；未见引线与本体连接处存在松动、分层或介质脱落等异常现象，试验合格。

e）可焊性试验

按照GJB 548B-2005方法2003[3]中的要求，对管壳的2根引线进行可焊性试验。试验后在显微镜下检查，发现引线浸渍部分的表面焊料覆盖面积大于95%；并且焊料连续、光亮，试验合格。

f）材料分析

材料的分析项目通过对管壳相关文件的审查的方式来进行评价。从管壳生产单位获得的资料可知，此管壳引线材料为4J42可伐材料，表面为镍金镍金复合镀层结构，材料为管壳引线常用材料，镀层结构合理；底座和墙体为4J34可伐材料，表面镀层为镍金镍金复合结构，材料为管壳常用材料，结构为行业内普遍使用结构，结构合理；绝缘子为90%的Al2O3，为管壳通用绝缘材料，材料使用合理；管壳所用的焊料为银铜焊料，为管壳通用烧结材料，线性膨胀系数与绝缘子所用陶瓷及管壳所用的可伐材料较为接近，焊料选用合理。材料分析未见异常。

g）制样镜检试验

对管壳进行制样、磨抛，检查绝缘子的烧结情况和绝缘子与墙体的结合情况，发现样品的绝缘子烧结良好，与墙体结合良好。制样镜检试验照片如图4所示。

图4 制样镜检试验照片

2.5 结果分析

根据试验结果可知，此半导体器件管壳选用的材料为半导体器件封装常用的材料，材料选用合理；管壳镀层结构为行业常用的典型结构，镀层结构合理；器件的外观、镀层厚度、镀金质量、可焊性和引线牢固性试验均合格，满足标准的要求；器件制样镜检试验未发现异常，管壳内部不存在缺陷。通过以上试验及分析可知，此管壳在进行分析的各个方面均符合相应的标准，满足使用需求。

3 结束语

在此次分析过程中，按照CA的典型流程，采用举例的方法分解了结构单元；采用表格的方式对器件的结构单元所包含的结构要素，以及对应的分析试验项目进行列举，所有的分析试验项目列举出来后，进行组合排序，形成优化后的分析试验步骤，以确保可以用尽可能少的样品和尽可能简洁的过程进行CA，以及在每一个试验项目中能够获取尽可能多的结构要素信息，并通过试验和分析给出了分析结论。另外，对电子元器件的CA工作提出以下建议[4-5]。

a）对电子元器件进行CA前，需要对元器件的有关信息进行充分的了解，这是实施分析的前提和基础。

b）器件CA的项目不仅包括试验，也可以是对产品相关文件的分析等，两者均能够达到评价的目的。

c）器件CA应与器件的的失效分析和DPA等紧密结合，根据器件的应用环境的不同、其存在的缺陷，开展针对性的分析试验项目和材料分析等。

d）对于结构完全不清楚的元器件，需借助各种途径把结构要素暴露出来，才能开展后续的结构评价。如有需要，甚至可进行破坏性测试、试验。

[1]张磊，夏泓，龚欣.宇航元器件结构分析技术研究 [J].电子产品可靠性与环境试验，2012，30（1）：53-57.

[2]中国人民解放军总装备部电子信息基础部.混合集成电路外壳通用规范：GJB 2440A-2006[S].北京：总装备部军标出版发行部，2006.

[3]中国人民解放军总装备部电子信息基础部.微电子器件试验方法和程序：GJB 548B-2005[S].

[4]张磊，夏泓，龚欣.宇航元器件结构分析技术研究 [J].电子产品可靠性与环境试验，2012，30（1）：53-57.

[5]龚欣.航天用DC/DC电源模块结构分析研究 [J].电子产品可靠性与环境试验，2010，28（5）：23-28.

Application of Constructional Analysis in Shell Evaluation

LIU Huaguang， ZHANG Kui， HUANG Jie
（National Semiconductor Devices Quality Supervision and Inspection Center， Shijiazhuang 050051， China）

Constructional analysis is an important method for evaluating the reliability of electronic components.Whether there is any potential defects within the components can be evaluated and an important basis for the judgment of the inherent quality and inherent reliability can be provided through constructional analysis.The general technical process of constructional analysis is introduced，and it is applied in the constructional analysis of the shell of a semiconductor device.Besides，some suggestion on constructional analysis are given.

Constructional Analysis； reliability evaluation； shell； suggestion

TB 114.39；TN 303

A

1672-5468（2017）04-0057-05

10.3969/j.issn.1672-5468.2017.04.010

2017-03-13

柳华光 （1982-），男，河北承德人，国家半导体器件质量监督检验中心工程师，从事半导体器件检验及可靠性研究工作。

工业和信息化部电子第五研究所工程中心成功举办《汽车电子质量可靠性——发展与机遇交流研讨会》

2017年6月29日，工业和信息化部电子第五研究所可靠性与环境工程研究中心在广州举办了 《汽车电子质量可靠性——发展与机遇交流研讨会》，来自全国各地包括广汽乘用车、广汽零部件、东风日产、五羊本田、华为技术和德赛西威等数十家知名汽车及零部件企业的上百名代表参加了本次交流研讨会。

胡湘洪副所长代表工业和信息化部电子第五研究所致开幕辞，对与会的嘉宾表示热烈欢迎并就五所的发展情况、服务特点、技术能力和资质认可进行了详细的介绍。其后，分别由北京科技大学教授余达太、中山大学数据科学与计算机学院教授黄凯、工信部电子五所的解江高工和黄创绵高工，就车载计算系统、无人驾驶技术发展现状、新能源汽车电子可靠性提升技术、新能源汽车关键技术和未来展望和新能源汽车电子测试评价技术等主题进行了深入的探讨。本次研讨会精彩纷呈、气氛热烈，与会嘉宾和专家形成了良好的互动，交流目前新能源汽车领域可靠性技术的热点话题，就行业关心的安全性、可靠性等问题，在关键技术、提升手段和测试评价方法等方面进行了探讨。最后，研讨会在参观活动中落下了帷幕，电子五所先进的测试评价技术和完备的硬件能力平台，给与会嘉宾留下了深刻的印象。

本次交流研讨会获得了圆满成功。主办者向企业介绍了电子五所在质量、可靠性与环境适应性领域的技术积累，为业内精英的合作交流搭建了一个很好的平台，为汽车电子行业的质量可靠性提升出谋划策、贡献智慧。

（工业和信息化部电子第五研究所可靠性与环境工程研究中心民品部王毅供稿）