宇航用进口低等级芯片制样评价结果判定研究

韩宝妮，文平，董作典，华熙，冯鹤，宋燕

（西安空间无线电技术研究所,陕西 西安 710100）

0 引言

随着航天器产品功能化、模块化程度的不断提高,多芯片模块 （MCM）和封装内系统 （SIP）电路因其具有高性能、高密度化、小型化和轻量化等诸多优势而被越来越多地应用于航天器中[1]。为了保证MCM和SIP电路在航天器中应用时的可靠性,除了应对MCM和SIP电路自身按照宇航要求进行质量保证之外,对于其内部选用的芯片,尤其是进口低等级芯片在装配前首先要进行可靠性评价。

宇航用低等级半导体芯片典型的评价程序如表1所示,共包含3个分组。

a）1分组为芯片的电性能测试和目检。所有的样品应100%进行检测,以剔除不合格品。

b）2分组为芯片制样评价。即将试验样品组装到一个适当的外壳里,并且芯片的组装方法和条件应模拟正常生产后进行评价[2],制样评价的样品数为10只,0失效。

c）3分组为DPA试验。3分组的试验样品要求从经历2分组的试验样品中选取,0失效。

被评价芯片只有合格通过以上3个分组规定的所有的评价试验项目,才能被判定为合格并允许应用在航天器上。根据表1中可知,1分组和3分组的试验项目均属于标准的试验项目,其试验结果都可以根据器件手册或相关标准规定进行判定。例如:1分组的电性能测试为电探针测试,可根据芯片手册判定测试结果是否合格；1分组的目检试验和3分组的DPA试验都可根据GJB 128A-97《半导体分立器件试验方法》和GJB 548B-2005《微电子器件试验方法和程序》中的相应试验方法中规定的判据进行判定；而2分组的制样评价试验结果的判定则较为复杂,这是因为芯片制样评价的结果与芯片的制样工艺、匹配电路、测试精度和环境等各个方面的因素有关。

表1 宇航用低等级半导体芯片评价程序

由于芯片评价中合格与否的结论将直接关系到芯片是否可以应用到航天器中,因此,芯片评价结果的判定是否正确、合理,尤其是制样评价试验结果判定的正确性、合理性显得尤为重要。为了更好地指导宇航用低等级芯片的质量保证工作,笔者根据宇航用低等级芯片评价的工程实践,梳理了几种芯片制样评价中电性能指标超差的常见原因,并通过案例分析归纳总结出了芯片制样评价结果判定的考虑因素。

由于制样工艺与芯片制样评价结果息息相关,因此,首先,概述了宇航用芯片的基本制样方案；然后,分类介绍了芯片制样评价中电性能指标超差的几种常见原因,并结合典型的案例进行了分析判定；最后,总结论述了芯片评价结果判定时应重点考虑的因素。

1 宇航用低等级进口芯片制样方案

宇航用芯片制样是指将芯片装配到合适的管壳基座或基片上,将芯片引出端和用于功能匹配的阻容感元件 （适用时）采用键合工艺连接到与管壳基座相应的焊盘上,然后对管壳基座和盖板采用平行焊工艺进行封帽。

1.1 典型的芯片制样方案

典型的芯片制样设计方案如图1所示。芯片的输入、输出端均连接50 Ω微带传输线,微带线与射频玻璃绝缘子内导体之间采用金带进行包带处理。同时,为了确保馈电端向芯片的良好馈电,芯片与馈电端之间设计了一个偏置网络,此偏置网络主要起到去耦和滤波的作用,对微波信号的传输影响很小。

芯片制样时采用的工艺方案原则上要与芯片实际应用时的装配工艺一致。

图1 芯片制样设计方案

1.2 芯片制样的注意事项

芯片制样时应注意的事项如下所述。

a）选择管壳时应充分地考虑芯片的外形尺寸、功耗、频率和散热等要求,有源芯片优选微波金属管壳,无源芯片如芯片电容器和电感器优选微波陶瓷管壳。

b）芯片的匹配和偏置电路应首先根据芯片数据手册中推荐的电路来确定。对于宽带放大器芯片,如芯片数据手册中推荐的匹配电路根据频率范围的不同而不同,应优先按照用户实际使用的频率进行匹配。

2 常见的不合格原因及案例分析

笔者梳理了目前宇航用芯片制样评价中出现的电性能指标不合格问题,这些问题均与芯片本身的质量与可靠性无关,而是由其他原因造成的,大致可分为以下几大类。

a）与制样工艺有关,如粘接、键合不良引起的参数指标超差。

b）与制样时的匹配电路有关,如宽带放大器中宽频指标超差和有源芯片的输入输出驻波指标超差都可以归为此类。

c）与测试误差有关,如超低损耗芯片电容器的D值超差问题。

下面将结合典型的案例分别进行阐述。

2.1 与制样工艺有关的案例

在对HITTITE公司生产的某批HMC260型混频器进行评价时,制样评价样品为10只,在常温初测时,10只样品的电性能指标均合格。随后对全部样品进行温度循环和恒定加速度试验后再次进行常温测试,发现3只样品的变频损耗严重超差。由于3只产品指标的超差模式一致,因而选取了其中1只样品 （12#）进行失效分析。

失效分析试验包括外观检查、微波参数测试、极间直流电特性测试、PIND试验、密封试验、开帽检查和键合强度测试。

2.1.1 外观检查

失效样品的外观如图2所示。该样品的封装形式为平行封焊,器件表面未见异常。

图2 产品外观

2.1.2 微波参数测试

利用Agilent E8257D矢量网络分析仪对失效样品的微波参数进行测试,测试结果如表2所示。测试结果表明,失效样品的变频损耗为46.7 dB,严重超差。

表2 失效样品微波参数测试结果

2.1.3 极间直流电特性测试

利用QT2晶体管图示仪对失效样品的本振端（LO）、 中频端 （IF）、 射频端 （RF） 和接地端（GND）这4个端口两两端口之间的直流电特性进行测试,并与合格样品的测试结果进行对比,测试结果如表3所示。

表3 失效样品极间直流电特性测试结果

图3 合格品端口的直流特性

根据表3和图3可知,失效样品的LO-GND、RF-GND和LO-RF端的直流电特性与合格品的直流电特性相同,而与IF端口相关的直流电特性则均不相同:合格样品的IF端口对GND、LO和RF端口的I-V特性如图3所示,失效样品则全部表现为开路状态,故初步判断失效样品的IF端开路。

2.1.4 PIND试验

对失效样品进行PIND试验,试验结果为不合格。

2.1.5 密封试验

对失效样品进行密封试验,试验结果为合格。

2.1.6 开帽检查

对失效样品开帽,进行内部检查,内部键合及芯片整体形貌如图4所示。从图4中可以看出,内部键合结构完整,无可动多余物,内引线键合丝无烧毁或熔断等现象发生。芯片的整体形貌及细节如图5所示,IF端键合点细节如图6所示。

图4 失效品内部键合及芯片的整体形貌

图5 失效品内部芯片的整体形貌

图6 IF端键合细节

2.1.7 键合强度测试

对IF端进行键合强度测试,测试结果为0 g,IF端键合不合格。进行键合强度测试后的IF端焊盘形貌如图7所示。从图7中可以看出,焊盘表面存在大面积划痕,没有明显的引线与焊盘粘连的痕迹,键合丝完全脱落,在焊盘上无残留。

图7 键合强度测试后的IF端焊盘形貌

2.1.8 结论

根据上述分析过程可以得出,编号为12#的HMC260型混频器变频损耗超差的原因是由于样品在经历温度循环和恒定加速度试验后IF端开路,而IF端开路是由于IF端内引线与焊盘本身键合不良,在后续温度循环和恒定加速度试验的应力作用下键合丝与焊盘分离所导致的。另外,失效样品PIND试验之所以不合格,是由于试验时引线在冲击台的力学作用下发生位移所导致的。

通过失效分析结论可以看出,制样样品参数严重超差是由于芯片制样时的键合工艺不良所导致的,与芯片本身的质量和可靠性无关。未失效的样品可继续进行后续的评价试验。

2.2 与匹配有关的参数超差案例

2.2.1 案例描述

在对HITTITE公司生产的某批HMC395型放大器进行评价,制样样品为10只,在常温测试时,发现部分产品的输入输出回波损耗和1 dB压缩输出功率超差,超差情况如表4所示。其余电性能指标包括增益、反向隔离、噪声系数和电流均满足评价要求。

表4 HMC395型放大器芯片指标超差汇总

2.2.2 案例分析及结论

针对上述问题,分析原因如下:方案中规定的参数表为裸芯片电性能指标,芯片制样后的电性能会根据制样电路的不同而有所变化。根据表4,产品的1 dB压缩输出功率最差仅超差0.2 dB,驻波超差情况严重。根据产品手册,产品在应用时外围电感和电容应根据使用频率来选择 （如图8所示）,而该产品在实际制样时,外围电感和电容值的选择是以1 GHz对应的选择方案进行的。由于产品的电性能指标 （尤其是输入输出驻波指标）是与制样时电路端口的匹配密切相关的,因此,产品在测试时在200 MHz～4.0 GHz范围内的输入输出回波损耗超差是在意料之中的。为了更好地评价产品的指标性能,对1 GHz单频点的电性能指标进行了记录,发现该点处的输入输出驻波和1 dB压缩输出功率值全部合格,并且其余各项指标均比手册中规定的测试频段的指标优良。

同时,考虑到产品在试验前后电性能指标稳定一致,稳态寿命前后以及高低温测试变化率均满足评价要求,DPA试验结论为合格,因此,该批HMC395型放大器芯片评价结论可按合格处理。

图8 HMC 395产品手册中推荐的电感电容的选择方案

2.3 由测试误差引起的参数超差案例

2.3.1 案例描述

在对1种芯片电容器的10只样品进行制样评价时,在常温测试时,发现电容D值的测试结果为负。为了核实超差现象,测试时采用Agilent 4284A LCR测试仪和Agilent 4285A LCR测试仪进行测试,电容器的D值均为负值。

2.3.2 案例分析

为了分析原因,首先需明确D值的含义。简化地理解,D值的定义如下面的公式所示:

从上述公式中可以得出,无论D值还是RS的值理论上都应该为正值。如果D值为负,唯一的可能是RS测试结果为负。

通过仔细分析发现,RS测试结果为负的可能原因主要有以下两种。

a）仪器的测试精度不够

一般来说,测试结果为负值的现象主要是在对那些低损耗器件进行测试时才会出现。RS对于这些器件,损耗因子D会非常小,即等效串联电阻RS相对于电抗X非常小,如果测试仪器的本地噪声大于RS,则极性正负随机分布的噪声影响与RS两者叠加,则会得到负的等效串联电阻RS,从而得出负的D值。

b）不正确的补偿

即便选择精度最高的测试仪器,如果不进行正确的校准/补偿,同样会造成负值的出现。如果用于短路 （SHORT）补偿的短路件本身具有较大的残留阻抗,而我们仍然认为此短路件的值为0,那么在利用RS=RDUT-RSHORT计算RS值时, 如果RSHORT大于RDUT,则自然会得到负的RS值,从而得到负的D值。

2.3.3 处理及结论

对于低损耗电容的测试,一是要选择精度高的测试仪器,二是要正确地进行校准补偿,尽量地选择接触电阻低的校准件。笔者利用现有的两台LCR测试仪,通过尝试不同的校准件进行反复校准,最终,在选择了尺寸与被测电容尺寸相当的、镀金的、表面经过清洗干净的校准件后,通过4284A LCR测试仪得到了正确的正的D值测试结果。测试结果表明,该芯片电容的D值非常小,只有0.9%左右。

3 评价结果的判定考虑因素

为了科学地判定芯片制样评价结果,首先应明确芯片评价程序的目的。芯片评价程序的目的就是从电性能指标和可靠性两个维度来评价芯片是否满足宇航应用的要求。

3.1 电性能指标

芯片的电性能指标是否满足要求是用户和质量保证工作者首要关心的问题。芯片的数据手册是最主要和最直接的判定依据,然而,它不是唯一的判定依据。仅根据芯片手册中的电性能指标来判定制样后芯片的电性能指标是否合格存在很大的局限性,原因如下所述。

a）芯片手册中给出的电性能指标为裸芯片指标,而芯片制样后的电性能会根据制样电路的不同而有所变化。

b）一部分进口芯片的手册给出的部分或全部电性能指标为典型值,缺少最小/最大值的合格判据,如RFMD公司的SBB5000型MMIC放大器芯片、TRANSCOM公司的TC1201型GaAs低噪声功率放大器芯片等都存在这种问题。

c）对于宽带放大器芯片,经常遇到的情况是芯片手册中给出的指标为全频段指标,而手册中未给出推荐的偏置电路,或给出的推荐的偏置电路中的阻容感的值根据频率的不同而不同 （如HITTITE公司的HMC395型低噪放芯片）,而芯片制样时一般仅根据其中一个频点推荐的偏置电路值进行制样；因此,直接依据芯片手册进行判定制样后的芯片的电性能指标的好坏有失偏颇。

d）对于有些芯片,手册中可能缺乏与芯片可靠性相关的某个较为关键的指标,如HITTITE公司的HMC329、HMC260等中频段采用平衡二极管堆的混频器芯片,芯片手册中并未给出中频段二极管的导通电压值,而二极管导通电压值以及该值在环境试验前后的稳定性是衡量混频器中二极管直流特性好坏的关键指标,该指标也可直接指导混频器芯片老炼及寿命试验的进行。

综上所述,在评价芯片制样分组的测试试验结果合格与否时,不能仅仅依据芯片手册作为唯一的依据进行判定。合理的做法是当制样后芯片的电性能指标超差时,应仔细地分析电性能指标超差的原因,并结合3.2节所述的思路进行综合的判定。

3.2 可靠性

芯片制样评价试验主要从以下4个方面评价芯片的可靠性。

a）环境适应性

通过对制样后的芯片进行温度循环、恒定加速度和老炼试验,可考察芯片在经历温度、机械环境应力和电应力后的电性能指标是否稳定,以此来判定芯片的环境适应性是否满足宇航应用的要求。

b）长期工作稳定性

通过对比稳态寿命试验前后电性能指标的好坏和指标变化率是否满足要求来考察芯片的长期工作稳定性是否满足宇航高可靠应用的需求。

c）装联工艺适应性

由于制样芯片是模拟实际应用的装联工艺来进行装配的,因此,通过考察制样芯片在经历环境试验后的电性能指标的稳定性、引线键合强度和芯片剪切强度是否满足标准要求,能够验证芯片对应用装联工艺的适应性是否满足宇航应用的要求。

d）芯片表面金属化层质量

制样芯片在评价试验中抽样进行SEM,该试验可有效地检查芯片表面上器件互联线金属化层的质量是否满足要求。同时,引线键合强度试验和芯片剪切强度可验证芯片表面金属焊盘与底面金属化层的质量。

4 结束语

芯片制样评价应重点关注能够反映芯片批次质量与可靠性的相关指标,例如:同一只芯片在环境试验、电老炼和稳态寿命前后其电性能指标的稳定性和变化率是否满足可靠性要求,同批次制样芯片在试验前后的指标一致性是否良好等。当芯片制样评价中出现电性能超差时,应首先分析指标超差的原因,确认指标超差是否与芯片的质量和可靠性相关[5]。必要时,应对不合格样品进行失效分析,最终确定芯片指标超差的根本原因,科学地给出芯片评价的结论。

[1]王豪.SiP技术在宇航产品中的应用 [J].航天标准化,2013 （1）:30-32.

[2]信息产业部电子第四研究所.混合集成电路通用规范:GJB 2438A-2002[S].

[3]信息产业部电子第四研究所.微电子器件试验方法和程序:GJB 548B-2005[S].

[4]中国电子技术标准化研究所.半导体分立器件试验方法:GJB 128A-97[S].

[5]袁保玉,侯旎璐,李进.电压检测芯片失效分析 [J].电子产品可靠性与环境试验,2017,35（4）:49-56.