微电子器件试验方法分析及对宇航元器件保证工作的启示

徐吉吉 董岩磊 李艳波 李佳 李姗姗 梁宵

（中国航天标准化与产品保证研究院，北京，100071）

MIL-STD-883 《微电路试验方法标准》 作为美军标体系中重要的试验方法标准，广泛应用于各类微电子器件产品的试验、测试及质量保证过程中。MIL-STD-883 从第一版到最新版（MIL-STD-883K），一共发布了11 个版本，最新版本MILSTD-883K 于2016 年4 月正式发布实施，在发布后，又陆续进行了3 次修订工作，最后一个版本MIL-STD-883K CHANGE 3 于2018 年5 月发布。

“制信息权”是美军近年来重要的战略思想，对于“信息权”的争夺，导致了新一轮元器件的开发高潮，反映在电子元器件开发上是寻求更高性能、更高工作温度和更高可靠性的要求[1]，并主要体现在元器件先进封装、更复杂的系统集成、SiC、GaN 和SOI 等新材料及新工艺应用、抗辐照能力不断增强，纳米级集成电路、大容量存储器、高性能处理器、SiP 的需求持续增长等方面。对于不断涌现的新型元器件，在质量保证要求上与传统元器件也有着较大的区别，美国军方也在寻求新的突破，并致力于如何实现新型元器件的质量控制。MIL-STD-883 也是在此背景下，随着美国军用电子元器件的发展推进，在不断地更新和修订。

MIL-STD-883K 主要修订内容可分为试验条件或判据更改、试验方法重新编写、编辑性错误3 种类别。对于编辑性错误的修订本文不作过多介绍，MIL-STD-883K 中对于密封、可焊性、外部目检等试验的条件或判据作出了调整，重新编写了内部气氛含量、X 射线照相等试验方法。

GJB 548B—2005 《微电子器件试验方法和程序》 作为我国宇航元器件质量保证的重要依据，已经多年没有换版。近年来，随着宇航元器件向着小型化、集成化、结构功能复杂化衍变，GJB 548B—2005 中部分试验方法中规定的设备、流程、判据等要求已经无法满足当前对宇航元器件质量保证的要求。而与之对应的美军标MILSTD-883K，相比于GJB 548B—2005 在许多试验方法上已经有了较大的改变。笔者通过对MILSTD-883K 和GJB 548B—2005 的差异进行比对分析，希望为宇航元器件质量保证工作提供新的方法和思路。

1 主要试验方法对比

1.1 密封

MIL-STD-883K 主要变化在于试验设备和失效判据的调整。在试验设备方面，明确了示踪气体氦细检漏、光学检漏试验条件中质谱仪的灵敏度。针对目前美国军用电子元器件产品能够达到的能力及特点，对密封的失效判据进行优化调整，使其能够满足当下武器装备对军用电子元器件密封性能的需求。MIL-STD-883K 中密封试验已经进行了15 次修订。在MIL-STD-883K 增加了放射热检漏试验和累计氦检漏试验。

目前我国宇航元器件采用GJB 548B—2005进行密封试验时，细检漏一般采用试验条件A1或A2（示踪气体氦），粗检漏一般采用试验条件C1（碳氟化合物）。

针对宇航元器件采用的密封试验条件，MILSTD-883K 细检漏的失效判据和GJB 548B—2005相比有了较大的改变。首先在封装体积的划分上，MIL-STD-883K 以0.05cm3和0.4cm3为界限分为了3档，详见表1。而GJB 548B—2005 是 以0.01cm3和0.4cm3为界限分为了3 档。此外MILSTD-883K 的漏率判据是按质量等级进行划分的，且漏率要求远高于GJB 548B—2005 的要求。对于粗检漏的判据，MIL-STD-883K 和GJB 548B—2005 仍是保持一致的。

表1 MIL-STD-883K 中细检漏失效判据

MIL-STD-883K 中增加了检验精度更高的累计氦检漏试验，并优化了试验条件，使其更加科学化[2]。体现了美军标对产品密封指标要求的不断提升。

1.2 可焊性

MIL-STD-883K 对试验程序进行了修订。试验程序分为浸入观察法、球栅阵列（BGA）表面安装法、柱栅阵列（CGA）表面安装法等3 种。浸入观察法主要适用于引线通孔安装（DIP、TO、PGA 等类型封装）、引线表面安装（QFP等）、无引线表面安装（LCC、LGA、QFN 等类型封装）的封装产品，球栅阵列/柱栅阵列表面安装法适用于CGA/BGA 封装类型的产品。

MIL-STD-883K 中可焊性试验已经进行了12次修订。MIL-STD-883K 中针对BGA／CGA 封装提出了新的可焊性试验方法，GJB 548B—2005 中没有相关的规定。目前，我国宇航元器件产品中对BGA/CGA 封装的可焊性试验考核均按GJB 7677—2012 《球栅阵列（BGA）试验方法》 执行。

对于BGA 封装的可焊性试验方法，MILSTD-883K 中的规定和GJB 7677—2012 基本保持一致。而对于CGA封装，MIL-STD-883K 中对于失效判据的规定有着明显的差异，BGA 封装规定“焊球浸润部分表面连续覆盖新焊料涂层面积小于95%”，CGA 封装中则规定“每个焊柱表面连续覆盖新焊料涂层面积小于50%，浸润角度应小于等于90°”。

1.3 内部气氛含量

MIL-STD-883K 重新编写了试验方法。试验目的中补充了一系列术语和定义；试验设备上对于质谱仪可以读取到最小谱范围由1AMUs～100AMUs 提升至1AMUs～140AMUs，并增加了检测设备极限的相关要求；失效判据中增加“任何器件的压力差大于15%应视为失效”的要求。

MIL-STD-883K 中内部气氛含量试验已经进行了9 次修订。该试验方法相比于GJB 548B—2005中的试验方法在试验程序和判据上有较大差异。MIL-STD-883K 的试验方法对应GJB 548B—2005中程序1，对于GJB 548B—2005 中程序2、程序3 的要求，MIL-STD-883K 中删除了相关内容。

MIL-STD-883K 中试验方法叫做内部气氛含量，GJB 548B—2005 中试验方法叫做内部水汽含量。显而易见，MIL-STD-883K 中对于元器件内部除水汽要求外，对于其他气体的含量要求也作出了相关规定。

在试验程序上，MIL-STD-883K 中规定“其他气体的比例（按体积）：N2，He，Mass 69，O2，Ar，H2，CO2，CH4，NH3和其他气体，所有气体都应被计算”，而在GJB 548B—2005 中规定了这些气体含量大于1%才应被计算。在失效判据上，MIL-STD-883K 中规定“水汽含量≥5000ppm，氧气含量≥10000ppm（除非氧气是指定的成份），氟碳化合物（检漏液）≥50ppm”均算作失效，在GJB 548B—2005 中没有给出具体的失效判据。在各类宇航元器件产品总规范及详细规范中，一般也只规定了水汽含量的相关要求。

1.4 X 射线检查

MIL-STD-883K 重新编写了试验方法。补充了一系列术语和定义；修订了试验设备的要求，将试验设备分为胶片射线照相和数字射线照相，增加了数字射线照相的相关设备要求；试验程序中，在X射线照片质量、底片和标志、试验计划、操作、X射线照片分析等内容中增加了数字照相的相关要求。MIL-STD-883K 中X 射线照相试验已经进行了10 次修订。MIL-STD-883K 中涉及的数字照相相关内容在GJB 548B—2005 中没有相关规定。

1.5 耐焊接热

MIL-STD-883K 中规定了耐焊接热试验，GJB 548B—2005 中没有相关要求。目前我国宇航元器件在进行耐焊接热试验时主要采用GJB 360B—2009 中的规定。MIL-STD-883K 中的耐焊接热试验方法与GJB 360B—2009 的“方法210”基本一致，均规定了烙焊、浸焊、波峰焊、再流焊等试验条件，试验流程与判据的规定也基本一致。

1.6 焊柱拉脱试验

MIL-STD-883K 中规定了焊柱拉脱试验，GJB 548B—2005 中没有相关要求。目前我国宇航元器件产品中焊柱拉脱试验均参考GJB 7677—2012 《球栅阵列（BGA）试验方法》 进行。MIL-STD-883K 中的焊柱拉脱试验设备、程序与GJB 7677—2012 要求相差不大，但是在失效判据上，GJB 7677—2012 仅规定了焊球的失效判据，对于焊柱没有做出相应规定，MIL-STD-883K 中针对焊柱的直径给出了不同的最小拉脱力范围以及相应的失效模式，见表2。

2 GJB 548B—2005 修订建议

随着航天型号的发展，型号对元器件的功能性能、质量可靠性、环境适应性等要求不断提高，新型结构、新型材料、新型封装的元器件产品不断涌现，元器件不断向小型化、轻量化、高度集成化的方向发展。现有的国军标试验方法标准对新型宇航元器件的适用性也成为了元器件质量保证过程中的焦点问题。例如非制冷红外探测器的漏率判据、反熔丝FPGA 的编程老炼、倒装焊结构内部目检、柱栅阵列试验方法等，现有试验方法标准中的流程和判据已经不能满足对产品的要求。可参考MILSTD-883K 中的规定对现有试验方法进行修订，解决新型宇航元器件在质量保证过程中无标准可依的难题。同时，也可以参考MIL-STD-883K 中的最新规定，并结合宇航元器件产品现有水平和特点，适当提高质量保证环节中相关检验要求。

表2 MIL-STD-883K 中典型的焊柱直径对应的最小可接受拉脱力

根据目前我国宇航元器件发展现状，并结合元器件质量保证对标准的需求，建议对GJB 548B—2005 中的密封、可焊性、内部气氛含量、X 射线照相及柱栅阵列相关试验方法进行修订补充，从而改变目前标准中相关试验方法规定的设备、流程、判据不满足宇航元器件发展需要的现状。