元器件破坏性物理分析方法的定制开发

时间：2024-09-03

张磊，王旭

（中国空间技术研究院电子元器件可靠性中心，北京 100029）

1 引言

破坏性物理分析（DPA）是一种用于判定元器件的制造质量以及设计结构符合性的重要手段，并作为一项重要的试验项目被广泛地应用于宇航型号用元器件的质量保证中。目前，进行元器件DPA主要依据GJB 4027A、GJB 548B等军用标准进行，大部分元器件均可以直接参照这些标准所规定的项目、程序、方法和判据来完成DPA工作，一般仅需要结合元器件的实际情况对标准要求进行适应性的删减即可。但是，随着宇航型号的不断发展，大量新型结构的元器件、特别是许多微组装级的元器件被选用，尽管上述标准也在不断地更新换版，例如，GJB 4027A换版后所覆盖的元器件类别由13大类、37小类增加到16大类、49小类，但仍然无法满足元器件质量保证机构的DPA工程任务需求，仍然无法覆盖型号使用的元器件种类。因此，针对用户委托的特殊元器件开发有针对性的DPA方法是实际工作中解决上述问题的有效途径之一。本文将在介绍某型视频处理组件DPA案例的基础上，对DPA方法的定制开发过程以及需要重点关注的事项进行探讨。

2 微组装结构元器件的主要特点

从完成DPA工作任务的角度来看，微组装结构的元器件与常规元器件相比主要存在以下几方面的差异：

1）器件的结构单元数量较多，这类器件往往是由多个有源器件和/或无源元件组成；

2）不同单元之间的类别差异较大，这类器件的内部往往是由多种元器件组成，包含电阻、电容、集成电路和分立器件等，内部元器件本身的封装、结构形式等也存在较大的差异；

3）不同结构单元的互联方式复杂，通常采用“立体式”的布局方式，无法通过 “平面式”的检查来完成所有DPA的试验工作；

4）微组装结构的元器件价值昂贵，往往不能提供较多的样品用于DPA试验，要求合理地选择试验项目，采取优化的试验流程，每一个试验步骤都要达到尽可能多的试验目的。

以某型视频处理组件为例，该器件是ATI公司生产的视频处理组件，其外观形貌和X射线透视形貌如图1和图2所示。

图1 器件外观形貌

图2 器件X射线透视形貌

从图示可以看到，该器件的主体结构是由安装在印制板上的4个BGA封装的多单元塑封集成电路和1个倒装芯片组成，另外印制板上还有表贴的电阻、电容等线路匹配元件，器件整体采用BGA封装，在器件底部倒装芯片周围植有650个焊球。

3 DPA过程中的主要难点

a）对不同结构单元的全面覆盖分析有难度

在本案例中，器件由多个独立的集成电路、电阻、电容等组成，每一个结构单元本身的质量都对器件可靠性有影响，因此都需要进行有针对性的分析，并且都需要进行深入结构单元内部的破坏性分析。然而，由于不同的结构单元采用了“立体式”布局，因此，相比这些结构单元独立状态下的DPA过程，要确保每个单元都覆盖分析有一定的难度。

b）对于超出元器件范畴的质量、可靠性分析有难度

在本案例中，器件还有相当一部分的结构单元属于印制板、加固胶等电子装联领域的部分，同时不同的结构单元都处于焊接互联状态，这些部分的工艺质量同样对器件可靠性有影响，因此也需要在DPA过程中予以针对性分析，然而这些部分显然已经在某种程度上超出了一般元器件的范畴，相应的试验方法和判据确定有一定的难度。

c）对某一结构单元进行试验过程中还要作好对其它单元的保护有难度

在本案例中，器件的各结构单元布局较紧凑，集成了多种电子装联方式，在进行化学开封、金相剖面制备等过程中，受试验设备、夹具和试验流程等方面的限制，不同结构单元的检查顺序和 “破坏顺序”不一样，在进行某结构单元的破坏性分析过程中，不能影响其它单元的状态，不能引入非固有缺陷，这就要求加强试验流程的优化设计和试验过程的防护。

4 DPA过程中的主要关注点和分析流程

4.1 器件整体外观质量

首先，要对器件整体的外观质量进行检查，有关塑封器件、电阻器、电容器和BGA封装器件等具体元器件的外观质量检查判据以及印制电路电子装联的外观质量检查判据均适用于该项试验。

4.2 器件整体封装质量

在本案例中，器件采用了塑料封装、印制板装联等结构，因此采用X射线透视检查可以有效地对器件整体的封装质量进行检查，包括孔洞、变形、开路和位置异常等缺陷均是本项试验的关注点；同样地，具体元器件的X射线检查判据以及印制电路电子装联的X射线检查判据均适用于该项试验。

4.3 塑封电路单元的工艺质量

对于本案例中器件内部的4个BGA封装塑封电路的DPA试验，需要作为整个器件DPA的重点来进行。从可行性方面来看，这4个电路除了处于安装在印制板上的状态以外，其余需要在DPA过程中考虑的事项与独立的塑封电路相比，差异不大。因此，塑封电路的相关DPA标准，如美国NASA的PEMINST-001标准以及改版后的GJB 4027A等，所规定的DPA项目均可以作为针对这部分结构单元的试验项目，主要包括声学扫描检查（SAM）、化学开封、内部目检、金相剖面检查、键合强度、扫描电子显微镜检查（SEM）和玻璃钝化层完整性检查等，相应的试验判据也可以参照使用。塑封电路内部形貌如图3所示。

图3 塑封电路内部形貌

4.4 表贴元件的工艺质量

在本案例中，器件内部采用表贴工艺安装了近30个电阻器和电容器，安装的位置不对称，方向角度也不一样，对这一结构单元的工艺质量检查应当至少包括两个方面：1）元件的固有制造工艺质量；2）元件的表贴安装质量。

其中，对于元件固有的制造工艺质量的检查所需要的试验手段和试验项目并不复杂，按照GJB 4027A的规定，主要通过金相剖面方法进行制样镜检。需要注意的是，在金相制样过程中应合理地选择器件整体的金相剖磨方向，同时在剖磨过程中借助X射线跟踪并控制剖磨进程，以免剖磨过快而遗漏某个元件，并确保每个元件都能够在剖磨过程中被检查到。

对于元件的表贴安装质量，可以通过焊接外观检查、剪切力和金相剖磨制样三种手段进行，其中剪切力试验可以参照GJB 548B中关于混合电路内部元件的剪切力试验方法进行，焊接外观检查和金相剖磨制样检查的主要关注点是元件端头与焊盘之间的焊锡堆积状态、结合状态等，检查判据可以参照QJ 2465等表面装联工艺标准的要求，如图4所示。

（a）电阻器（b）电容器图4电阻器和电容器的安装状态

4.5 内部互联结构的工艺质量

在本案例中，器件内部的互联主要包括印制电路板的金属条、金属化过孔、BGA焊球和焊盘等，印制板采用了多层板结构，对于这一部分结构的检查只能通过金相剖面制样的方式进行。并且需要注意的是，这一部分剖面制备的过程需要纳入前述的塑封电路、电阻器和电容器的金相剖面样品制备过程中进行，即需要在对上述内部元器件进行检查过程中同时关注内部的互联结构工艺质量。如图5所示。

图5 内部互联结构剖面形貌

图6 M9-CSP64视频处理组件的DPA流程

综合上述不同结构单元的关注点、检查试验手段以及检查过程中的相互顺序关系，对该器件的DPA试验的流程综合归纳如图6所示。